tema 1 módulos fotovoltaicos

INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICASTEMA 1

MÓDULO FOTOVOLTAICO.1

TEMA 1: MÓDULO FOTOVOLTAICO.

Es la energía procedente del Sol que se convierte en energía eléctrica deforma directa, sin ninguna conversión intermedia.Se produce mediante generadores fotovoltaicos compuesto por módulosfotovoltaicos conectados entre sí.La inclinación y la orientación adecuada de dichas superficies sonfundamentales para conseguir una conversión eficiente de la energía.

1.1.--Energia solar fotovoltaica.Energia solar fotovoltaica.

fundamentales para conseguir una conversión eficiente de la energía.

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Para conseguir este objetivo esnecesario conocer un conjunto deconcepto básicos que acontinuación se verán.


La energía que recibimos del Sol, es lo que llamamos radiación solar.Se transmite en forma de radiación electromagnética con longitudes deonda que van de 0,15m a 4m aproximadamente

2.2.--Radiación solar.Radiación solar.

3La parte del espectro que va de 0,4m a 7m, forma el espectro visibleque denominamos comúnmente luz, El resto del espectro, que no es visible,lo forman las radiaciones ultravioleta (UV) y radiaciones infrarrojas (IR)


La radiación solar atraviesa la atmósfera antes de llegar a la superficieterrestre y se altera por el aire, la suciedad, el vapor de agua, los aerosolesen suspensión y otros elementos de la atmósfera.Estos elementos va alterar la radiación solar de diversas formas:

Reflexión: nubes, agua.

2.2.--Radiación solar.Radiación solar.2.1.2.1.--Efectos de la atmósfera sobre la radiación.Efectos de la atmósfera sobre la radiación.

Absorción: ozono,

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Absorción: ozono,oxigeno, dióxido decarbono, vapor de agua.Sólo actúa sobre algunalongitudes de onda. Difusión: polvo,aerosoles, gotas de agua.


Estos efectos varían dependiendo de lacantidad de atmosfera que la radiaciónsolar deberá de atravesar. Para especificaresta distancia se utiliza el concepto de masade aire (AM) que es el espesor de laatmosfera terrestre que recorre la radiaciónsolar directa.

2.2.--Radiación solar.Radiación solar.2.1.2.1.--Efectos de la atmósfera sobre la radiación.Efectos de la atmósfera sobre la radiación.

solar directa.Cuando el Sol está en su posición másalta, en un día sin nubes, la masa de aire(AM) atravesada es mínima y vale 1 a niveldel mar.Para un valor de AM=0 corresponderápara una superficie normal al Sol fuera dela atmosfera terrestre.Cuando se especifica la potencia máximade un módulo fotovoltaico en sus hojas dedatos se indica para un valor de AM1,5

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La radiación solar sobre superficie terrestre tiene variacionestemporales, siendo una aleatorias, como es la nubosidad, y otrasprevisibles, como son los cambios estacionales o el día y la noche.Para estudiar la radiación solar sobre una superficie se clasificaran entres componentes:

2.2.--Radiación solar.Radiación solar.2.2.2.2.--Tipos de radiación solar sobre superficie.Tipos de radiación solar sobre superficie.

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Radiación directa: son los recibidosdirectamente del Sol. Radiación difusa: la obtenida con elreflejo de las nubes. Radiación reflejada o de albedo:reflejada por la superficie terrestre.

La suma de todas las radiaciones descritas reciben el nombre deradiación global


Para cuantificar la radiación solar se utilizan dos magnitudes quecorresponden a la potencia y a la energía que llega a una unidad desuperficie, se denomina irradiancia e irradiación y sus definiciones yunidades son los siguientes. Irradiancia: potencia o radiación incidente por unidad de superficie.Indica la intensidad de la radiación solar. Se mide en vatios por metrocuadrado (W/m2).

2.2.--Radiación solar.Radiación solar.2.3.2.3.--Irradiancia e irradiación.Irradiancia e irradiación.

cuadrado (W/m2). Irradiación: suma de las irradiancias en un periodo de tiempodeterminado. Es la cantidad de energía solar recibido durante un periodode tiempo. Se mide en julios por metro cuadrado por un periodo de tiempo(julio/m2 por hora, día, semana, etc.)

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La irradiancia que genera el Sol es de aproximadamente 6,35·107 W/m2 ysolo una pequeña parte de esta radiación llega al exterior de la atmósferaterrestre, 1.367 W/m2 aproximadamente. A este valor de radiación solar extra-atmosférica recibe el nombre de constante solar.La absorción de la atmosfera en condiciones AM1, que es el recorridomínimo, reduce la irradiancia que llega a la superficie terrestre a 1.000 W/m2valor normalizado utilizado en los parámetros de los módulos fotovoltaicos.

- Kilo-julios por metro cuadrado - Kilo-caloría-hora/metro cuadrado día

TEMA 1: MÓDULO FOTOVOLTAICO.2.2.--Radiación solar.Radiación solar.

2.3.2.3.--Magnitudes de la irradiación solar.Magnitudes de la irradiación solar.En la práctica, dada la relación con la generación de energía eléctrica, seutiliza como unidad el W·h/m2 aunque podemos utilizar otras magnitudescomo:

-Hora pico solar (HSP)

Existen tablas de irradiación solar para cada una de las provinciasespañolas, que pueden venir expresadas en Kj/m2 por cada mes del año opor HPS con valor medio anual o por Kw-h/m2. 8

Se define como el tiempo en horas de una hipotética irradianciasolar constante de 1000 W/m2.Una hora solar pico equivale a 3,6 MJ/m2 o, lo que es lo mismo, 1kWh/m2, tal y como se muestra en la siguiente conversión:


Efecto fotovoltaico.Consiste en la transformación de la radiación solar en energía eléctrica.

Cuando la luz solar incide sobre cierto materiales semiconductores, seproduce una circulación de electrones, por lo tanto nos dará energíaeléctrica en forma de corriente continua.

3.3.--Conceptos.Conceptos.

eléctrica en forma de corriente continua.Entre los semiconductores utilizados tenemos el Germanio, el Seleniopero el más utilizado es el Silicio.

Los átomos de silicio forma una redcristalina con electrones libre (-) ohuecos(+) permitiendo que con pocaenergía estos se desplacen generandocargas positivas o negativas.

Cuando un fotón incide sobre un semiconductor, genera un par electrón-hueco de 1,12v

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Efecto fotovoltaico.Al iluminar un semiconductor los electrones se mueve por su interiorocupando huecos y a su vez liberando energía. Este proceso no tieneutilidad si no separamos los huecos (+) de los electrones (-) de maneraque se agrupen en diferentes zonas para formar un campo eléctrico. Simantenemos esta separación y la iluminación aparecerá una diferencia

3.3.--Conceptos.Conceptos.TEMA 1: MÓDULO FOTOVOLTAICO.

mantenemos esta separación y la iluminación aparecerá una diferenciade potencial. A esta conversión se le llamará efecto fotovoltaico.

La separación entre electrones yhuecos de consigue mediante launión de semiconductores P y N.10

Semiconductores P y N.3.3.--Conceptos.Conceptos.

Para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores seutilizan impurezas añadidas voluntariamente, operación denominadodopado.


Impureza pentavalente Impureza trivalente

Este tipo de impureza lo queprovoca es un electrón libre que seconvierte en portador de carga,aumentando su conductividad.

Semiconductor tipo NSemiconductor tipo N

Este tipo de impureza lo queprovoca es un hueco librecomportándose como una cargapositiva.

Semiconductor tipo PSemiconductor tipo P

BOROFOSFORO

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Semiconductores P y N.3.3.--Conceptos.Conceptos.

Cuando a un material semiconductor se le añade impurezas tipo P por unlado e impurezas tipo N por otro, obtenemos una unión P-N. En la región Nse crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos.Una unión P-N no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y enequilibrio electrónico a temperatura constante.


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La célula solar.Una célula solar es un dispositivo capaz de convertir la energíaproveniente de la radiación solar en energía eléctrica. Es una unión P-NLa gran mayoría de las células solares que actualmente estándisponibles comercialmente son de Silicio mono o policristalino. Elprimer tipo se encuentra más generalizado y aunque su proceso de

3.3.--Conceptos.Conceptos.TEMA 1: MÓDULO FOTOVOLTAICO.

primer tipo se encuentra más generalizado y aunque su proceso deelaboración es más complicado, suele presentar mejores resultados encuanto a su eficiencia.Están formadas por dosfinas capas superpuestas, poruna fina lamina de metal quehace de contacto por donde secanaliza la corriente eléctricaque se fabrica en la célula.La célula solar noalmacena energía eléctrica,solo la transforma.

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3.3.--Conceptos.Conceptos.Energía generada por un panel.Se mide en amperios-horas al día Ah/día.Dicho valor se puede obtener multiplicando la intensidad máxima porla HPS del lugar donde se encuentre el panel y por el rendimiento delpanel.


Si se tratara de un grupo depaneles tenemos que saber laintensidad máxima de todo el grupode paneles por los HSP del lugar yel rendimiento se considerará un0,9.14

Las instalaciones fotovoltaicas se componen de: Paneles solares ( Tema 1) Batería (Tema 2) Regulador (Tema 3) El convertidor (Tema 4)… Se recomienda que la tensiónde trabajo de la instalación seade 24Vcc.


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4.4.--Panel solar o módulo solar.Panel solar o módulo solar.Un panel solar está formado por lainterconexión de varias células solares en seriey/o paralelo para adaptar el panel a los nivelesde tensión y corriente puesto que cada célulapuede suministrar del orden de 0,5 v.Para los paneles solares de uniones de

Célula base

TEMA 1: MÓDULO FOTOVOLTAICO.Introducción

Para los paneles solares de uniones desilicio y con conexiones de células en serie, losvalores de tensión por número de célulasrondan las 36 para 12 v, 72 para 24 v y 96para 48 v.Además, hay que protegerlo frente a losagentes atmosféricos, aislamiento eléctricoadecuado y una consistencia mecánica quepermita su manipulación práctica. Al conjuntoantes descrito se le denomina “módulo solar” o“panel solar”.

Célula con los contactoseléctricos

36 células formando un módulo fotovoltaico16

• Cubierta frontal. Suele ser de vidrio templado y proporcionará laprotección contra los agentes atmosféricos y los impactos (granizos o actosvandálicos).• Encapsulado. Protege las conexiones y aporta resistencia contra lasvibraciones e impactos. Además proporciona el acoplamiento con la

TEMA 1: MÓDULO FOTOVOLTAICO.4.4.--Panel solar o módulo solar.Panel solar o módulo solar.

Estructura de un módulo fotovoltaico

vibraciones e impactos. Además proporciona el acoplamiento con lacubierta frontal y la protección posterior.• Cubierta posterior. Junto con la cubierta frontal, protege al módulode la humedad y otros agentes atmosféricos y lo aísla eléctricamente. Eshabitual que sea de color blanco para reflejar la luz solar que no recogenlas células.• Marco. Estructura de aluminio anodizado. Sirve para dar rigidez yresistencia mecánica al módulo.• Conexiones. Situadas en la parte posterior del módulo, consistehabitualmente en una caja con una protección recomendada contra polvo yel agua (IP65). En ella se incluye los bornes positivo y negativo del móduloy el diodo de paso (diodo by-pass).

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• Células. El conexionado de las células de un módulo fotovoltaico se realizacon cintas metálicas soldadas o incrustadas sobre la rejilla de conexióneléctrica de la cara frontal de cada célula.


Estructura de un módulo fotovoltaico

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TEMA 1: MÓDULO FOTOVOLTAICO.Estructura de un módulo fotovoltaico

2.2.--Panel solar o módulo solar.Panel solar o módulo solar.

Conexionado de lascélulas de un módulofotovoltaico

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Tipos de paneles. Monocristalinos. (Los mas utilizados)Presenta una estructura cristalina completamente ordenada. Se obtiene desilicio puro fundido dopado con boro. Se reconoce por su monocromía azuladaoscura y metálica. Policristalina.


Policristalina.Presenta una estructura ordenada por regiones separadas. Las zonasirregulares se traducen en una disminución del rendimiento. Se obtiene de lamisma forma que el monocristalino pero con menos fases de cristalización(combinación de átomos). Se reconoce porque en su superficie se distinguedistintos tonos de azules y grises. Amorfas.Presenta un alto grado de desorden y gran número de defectosestructurales en su combinación química. Su proceso de fabricación es menoscostoso. Permiten adaptarse a cualquier superficie y se encuentra dediferentes colores, incluso son traslucidas para incorporarse enacristalamientos. Su potencia es inferior a las anteriores.

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Monocristalinos. Policristalino.Rendimiento por metro cuadrado de 120 Wp/m2


Tipos de paneles.

Amorfo.

Célula solares de Silicio monocristalino de 80wN º de Células 36 (12v)Rendimiento de 150 Wp/m2

Rendimiento de 80 Wp/m221

Características eléctricas.

1.- Intensidad de cortocircuito I .

Para realizar los cálculos se deben de tener en cuenta las característicaseléctricas de los paneles fotovoltaicos. Las condiciones estándar de medida sonde 1000 w/m2 de radiación a 25 ºC de temperatura. (Ver diapositiva 7)


1.- Intensidad de cortocircuito ISC.Es la máxima intensidad que se puede obtener en un panel omódulo fotovoltaico. Se calcula midiendo la corriente entre los bornesdel panel cuando se provoca un cortocircuito.2. Tensión en circuito abierto V0C.Es el valor máximo de voltaje que se medirá en un panel o módulo sino hubiese paso de corriente entre los bornes del mismo.3. Tensión para la máxima potencia VM.Corresponde con el valor de tensión para la potencia máxima. Setrata aproximadamente del 80% de la tensión en circuito abierto.También se le puede denominar VmpVM=V0C0,822

Características eléctricas.4.- Tensión nominal Vn.Es el valor de diseño al que trabaja el panel o módulo fotovoltaico.Por ejemplo 12, 24 o 48 voltios.5.- Potencia máxima P .


5.- Potencia máxima PM.Es el valor máximo que se obtiene entre el producto de la corrientepor la tensión de salida del panel o módulo fotovoltaico. También se lepuede denominar potencia de pico del panel siendo este último terminoel mas usado para el calculo de instalaciones.PM=VmpImp6.- Corriente para la máxima potencia Im.Corresponde el valor de corriente para la potencia máxima.7.- Rendimiento.Se obtiene de dividir la potencia máxima entre la potencia luminosade la radiación solar. Suele ser del 90%.=Pmp/PL

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Curva I-V de un panel.Los parámetros que se reflejan son:- Intensidad de cortocircuito (ISC)- Intensidad en el momento de máxima potencia (I )


Nos proporciona información sobre los distintos valores de tensión eintensidad que puede proporcionar ese módulo. Se obtiene

en condiciones de medida de uso universal, conectando el panel a unaresistencia cuyo valor va variando de cero a infinito mientras se miden losdistintos valores que resultan de intensidad y tensión.

máxima potencia (IMAX)- Tensión de circuito abierto (VOC)- Tensión en el momento de máxima potencia (VMAX)- Potencia pico o potencia máxima (PMAX)

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Factor de forma FF.Es un concepto técnico, poco conocido y muy válido. El FF siempreserá un valor más pequeño que 1 y el módulo fotovoltaico será tantomejor cuanto más se aproxime a 1 su factor de forma. Entre 0,65 y0,84 se encuentran muchos modelos de paneles. Las células de silicio


0,84 se encuentran muchos modelos de paneles. Las células de siliciomonocristalino suelen tener mejor valor.

El factor de forma tiene en cuenta las perdidas del panel debido a:• Resistencia interna del panel.• La influencia de la temperatura.

Si despejamos la Pmp obtenemos que la potencia máxima de pico del panel se veinfluenciado con el factor de forma.

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Punto caliente.En lo que se refiere al problema delpunto caliente, lo mejor es poner unejemplo.Sea un módulo de 36 células asociadasen serie, de las cuales 35 producen igual y


en serie, de las cuales 35 producen igual yla restante produce muy por debajo de lasdemás.Si dentro del módulo una célula seencuentra sombreada y las otras no, o tieneun defecto de fabricación, se ve obligada acomportarse como una carga. En vez deproducir energía, la consume, y comienza adisipar la energía generada por las demás.La célula sombreada eleva su temperatura.Y este problema puede llegar a dañar deforma irreversible el encapsulante.26

Punto caliente.Para evitar que el sombreado enuna o varias células ponga en peligrola producción de toda una cadena, seinsertan en el módulo algunos diodosde bypass que conectan las partes del


de bypass que conectan las partes delmódulo dañadas o en sombra. Deesta forma se garantiza elfuncionamiento del módulo aunquese reduzca su eficiencia. En teoríasería necesario insertar un diodo debypass en paralelo con cada célulaindividual, pero esto tendría un claroimpacto negativo en la relacióncoste/beneficio. Por ello,normalmente se instalan de 2 a 4diodos en cada módulo.27

Símbolo.El símbolo de una celda solar o de un panel se puede encontrar

representado como la figura siguiente. En ella, se debe de indicar elsentido de la corriente eléctrica generada (I), así como, la polaridad de laconexiones.


conexiones.

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Asociación de paneles.En la mayoría de las instalaciones, dependiendo de la potencia de lainstalación, será necesario asociar varios paneles en serie o paralelopara obtener los niveles de tensión y corriente adecuado.

Nota:Como norma general, no se conectarán entre sí módulos de distintas características.


Como norma general, no se conectarán entre sí módulos de distintas características.Para la asociación de módulos hay tres posibilidades:ParaleloSe conectan todos los polospositivos y, por separado, todos lospolos negativos.

SerieSe conectan el borne negativo de unpanel al positivo del siguiente panel.

Mixto 29

Asociación de paneles.ParaleloSe conectará en paralelo cuando se necesite una corriente superior que laproporcionada por un solo panel.Por tanto la tensión total del grupo corresponderá a la que proporciona unpanel.


panel.La corriente total del grupo corresponde a la suma de todos ellos.ImT=Im1+Im2+Im3La potencia total es la suma de las potencias de todos los paneles.PmT=Pm1+Pm2+Pm3

Ejemplo:4 módulos de 12 voltios y 1amperio, para suministrar 12voltios y 4 amperios. 30

Asociación de paneles.SerieSe conectará en serie cuando se necesite una tensión superior que la queproporciona un solo panel.Por tanto, la corriente total del grupo corresponderá, la que proporciona unsolo panel.


solo panel.La tensión total del grupo corresponde a la suma de todos ellos.VmT=Vm1+Vm2+Vm3La potencia total es la suma de las potencias de todos los paneles.PmT=Pm1+Pm2+Pm3

Ejemplo:3 módulos de 12 voltios y 1amperio, para suministrar 36 vvoltios y 1 amperios. 31

Asociación de paneles.MixtoEste tipo de montaje se aplicarácuando se necesite una tensión eintensidad más elevada que lasque nos proporciona un solo


+ 36 v4 A12 v1 A

+12 v1 A

+12 v1 A

+12 v1 A

que nos proporciona un solomódulo ( que será lo mas habitual).Estos acoplamientos formadopor varias ramas de paneles (serie)conectadas en paralelo. Este es elmontaje mas utilizado.Nota:Se instala una rama hastaconseguir la tensión deseada ydespués se le conectaran variasramas en paralelo hasta conseguirla intensidad deseada. SERIE-PARALELO

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- -- -+

-12 v1 A

+

-12 v1 A

+

-12 v1 A

+

-12 v1 A

+

-12 v1 A

+

-12 v1 A

+

-12 v1 A

+

-12 v1 A

Asociación de paneles.MixtoTambién se puede hacer conectandouna rama de paneles en paralelo yañadiendo varias ramas quedandoconectadas en serie. En este caso sería


conectadas en serie. En este caso seríaun montaje “paralelo-serie”. Para lasinstalaciones con esta forma deconexión suelen utilizar solamente dosramas.Nota:En este caso, comenzaremos a conectar unarama de paneles en paralelo hastaconseguir la intensidad deseada y despuésle conectaremos en serie otra rama paraaumentar la tensión. PARALELO-SERIE

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tema 1 módulos fotovoltaicos

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