unam celdas solares y tecnologÍas fotovoltaicas expositor aarón sánchez juárez centro de...

UNAMCELDAS SOLARES Y

TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS

EXPOSITOR

Aarón Sánchez JuárezCentro de Investigación en Energía, UNAM

Apto. Postal 3462580 Temixco, Morelos

Tel: (73) 25 00 52; e-mail: [email protected]

Sandia National Laboratories

UNAM

¿QUE ES EL EFECTO FOTOVOLTAICO?

ES LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD DEBIDO A LA ABSORCION DE LUZ SOLAR.

LOS DISPOSITIVOS EN DONDE SE LLEVA A CABO LA TRANSFORMACIÓN DE LUZ EN ELECTRICIDAD SE LLAMAN GENERADORES FOTOVOLTAICOS.

A LA UNIDAD MÍNIMA EN DONDE SE REALIZA DICHO EFECTO SE LE LLAMA CELDA SOLAR.

Sandia NationalLaboratories

El concepto de EFICIENCIA

POTENCIA ENTRADACELDASOLAR

POTENCIA SALIDA = Ps / Pe

UNAMUNAM

LUZ SOLAR

Acumulación de electrones

Acumulación de huecos

CELDA SOLAR

electróny hueco

Zona del campo eléctrico

0.6

Voltaje medible

(-)

(+)

FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA SOLAR

UNAMLUZ SOLAR

Voltaje fotogenerado

Corriente eléctrica fotogenerada

CELDA SOLAR


RESEÑA HISTORICA DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA.

PROGRESO DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA1839 Descubrimiento del Efecto Fotovoltaico por E.Becquerel1870s Estudios del Efecto Fotovoltaico en sólidos por H. Hertz

Celdas solares basadas en selenio con el 1% al 2% de eficiencias de conversión.1954 Primera celda solar de silicio cristalino desarrollada en los Laboratorios Bell, USA.

6% de eficiencia de conversión en celdas solares basadas en silicio cristalino [1].Celdas solares basadas en CdS son reportadas por Reynolds y colaboradores.

1958 El programa espacial en USA inicia la primera mayor aplicación de celdas solares.El Vanguard I primer satélite espacial con tecnología fotovoltaica para lageneración de electricidad.

1970s La crisis mundial petrolera y el aumento en los costos de la energía propiciaron elinterés de reducir costos en la tecnología fotovoltaica para aplicaciones terrestres.

REDUCCIÓN DE PRECIOS EN LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILICIO

1958 1975 1980 ACTUALMENTE año 2005

usd $2,000/Watt

usd $100/Watt

usd $ 10-12/Watt

usd $ 7-9/Watt

usd $ 1-2/Watt..?

EFICIENCIAS DE CONVERSIÓN EN MÓDULOS FOTOVOLTAICOS COMERCIALES 5 AL 15%

RÉCORD DE EFICIENCIA DE CONVERSIÓN EN CELDAS SOLARES EXPERIMENTALES

32% AL 35% EN CELDAS SOLARES DE UNIÓN MÚLTIPLE BASADAS EN GaAs

UNAM

PROCESOS QUE SE LLEVAN A CABO EN UNA CELDA SOLAR

ABSORCIÓN DE LUZ: Es el fenómeno mediante el cuál se generan los portadores de carga: electrones y huecos.

SEPARACIÓN DE CARGAS: Para separar a los portadores de carga fotogenerados es necesario la formación de un CAMPO ELÉCTRICO INTERNO, que se logra al unir dos materiales con

diferente conductividad eléctrica produciendo una unión rectificadora.

Por ejemplo: una union P/N.

COLECCIÓN DE CARGAS: Los portadores fotogenerados deben de tener un tiempo de vida grande para que puedan ser colectados en los contactos eléctricos exteriores.

UNAM

CONSIDERACIONES TECNOLOGIAS PARA CELDAS SOLARES

Existen varios mataeriales con los que se fabrican las Celdas Soalres.

Entre ellos, el que destaca es el SILICIO.

El Campo Eléctrico Interno, responsable de la separación de losportadores fotogenerados, es el componente más importante de la celda solar. Este se puede lograr mediante diferentes uniones entre materiales. Destacan:

HOMOUNIONES: La más popular Silicio tipo-n con silicio tipo-pHETEROUNIONES: Histórica CdS tipo-n / CuxS tipo-pBARRERA SCHOTTKY: Unión rectificadora metal/semiconductorUNION M/I/S: Unión rectificadora metal/aislante/semiconductor.UNION S/I/S: Unión rectificadora semicond/aislante/semicond. Celda típica: SILICIO AMORFO

UNAM

UNAM

¿EN DONDE SE LLEVA A CABO DICHO EFECTO?

EN UNIONES ENTRE MATERIALES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES.

SEMICONDUCTORES

GRUESOS

DELGADOS

SILICIO MONOCRISTAL,POLICRISTAL

SILICIO

GaAS

CdTe

CuInSe2

AMORFO

MONOCRISTAL,POLICRISTAL

MÁXIMAS EFICIENCIAS EN SÓLIDOS SEMICONDUCTORES, COMO EL SILICIO, ARSENURO DE GALIO TELURO DE CADMIO, SELENURO DECOBRE/INDIO.


LABORATORIO DE PRUEBAS EN ARIZONA

Módulos de concentración

Módulos de concentración Módulos de silicio amorfo

UNAMOrigen de la Celda Solar de Silicio

UNAM

A la unidad mínima en donde se lleva a cabo el efecto Fotovoltaico se le llama celda solar. La potencia que generan es pequeña (1.44 watts ).

Sinónimos comúnmente usados:

CELDA SOLAR

CÉLULA SOLAR

GENERADOR FOTOVOLTAICO

GENERADOR DE ELECTRICIDAD SOLAR

Celdas Solares


CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO

MONOCRISTAL

POLICRISTAL

UNAM

EFICIENCIA EN CELDAS SOLARES COMERCIALES DE SILICIO PARA APLICACIÓN TERRESTRE

TIPO DE CRISTAL CELDAS(100 cm2 de area)

MÓDULOS

MONOCRISTAL 18% Del 13 % al 16.8%POLICRISTAL 17% Del 11% al 13%

AMORFO 13% Del 7.5% al 10%

Superficie de 1m x 1 m

1,000 WattsGeneración de

150 Watts

Módulo con 15 % eficiencia

UNAMPROCEDIMIENTO PARA MEDIRVca e Icc DE UNA CELDA SOLAR

Area 100 cm2 Area 100 cm2

0.59 3.2

VOLTÍMETRO(Alta impedancia)

(-)

(+) (+)

(-)

APERÍMETRO(Impedancia=0)

I = 0 amp

Vca = 0.59 volts

Icc = 3.2 ampersV= 0 volts

UNAM

Area 100 cm2

0.542.5

VOLTÍMETROVop = 0.54 volts

(-)

(+)


Iop = 2.5 A Carga

DIAGRAMA PARA MEDIR Iop y Vop DE UNA CARGA

I

Vv1 v2

Vca

Vm

I2

I1

Im

Icc

Rectángulo de Area Máxima

PUNTO DE MÁXIMAPOTENCIA Pm = Im Vm

POTENCIA LUMINOSA ( Pi )

UNAMPARÁMETROS ELÉCTRICOS DE UNA CELDA SOLARI

VCA

VOLTAJE A CIRCUITO ABIERTOVCA MÁXIMO VOLTAJE GENERADO POR LA CELDA.

CORRIENTE A CORTO CIRCUITOI CC MÁXIMA CORRIENTE GENERADA POR LA CELDA.

VVM

ICC

PUNTO DE MÁXIMA POTENCIAP M ES UN PUNTO SOBRE LA CURVA PARA EL CUAL EL PRODUCTO DE V CON I ES EL MÁXIMO.

PM

= P/A ES LA POTENCIA EFECTIVA DA DA COMO EFICIENCIA DE CONVERSIÓNES LA RAZÓN ENTRE LA POTENCIA GENERADA POR LA CELDA CUANDO SOBRE ELLA INCIDE UNA POTENCIA LUMINOSA

= P M / P I X 100 Donde PI es la irradiancia por el área efectiva de la celda

IM

CARACTERISTICAS

Valores típicos a 1kW/m2 y 25°C

DIMENSIONES [mm]

1 Celda 101 x 101

½ Celda 101 x 50.5

¼ Celda 50.5 x 50. 5

¼

Celda

½

CeldaCelda

1.536(g)Peso

0.651.32.6(A)ImCorriente

a Pot. máx.

0.470.470.47(V)VmVoltaje a

Pot. máx.

0.30.601.35(W)PmPot. máx.

(± 10%)

0.721.452.9(A)IscCorriente de corto cto

0.60.60.6(V)VocVoltaje a

cto. abierto

UNAM

PARÁMETROS ELÉCTRICOS TÍPICOS DE UNA CELDA SOLAR DE SILICIO CRISTALINO

EFECTO DE LA INTENSIDAD LUMINOSA:

LA CORRIENTE FOTOGENERADA ES DIRECTAMENTEPROPORCIONAL A LA INTENSIDAD LUMINOSA.

Si al 100% de intensidad la celda de 100 cm2 de área genera unaIcc de 3.2 amp, al 50% de intensidad la celda generará la mitad deese valor, o sea Ic c= 1.6 amp.

Material: Silicio monocristalino Voltaje a circuito abierto: Vca = 0.59 voltsTemperatura de Celda: 25ºC Corriente a corto circuito: Icc = 3.2 AIntensidad luminosa: 100% Voltaje para máxima potencia: Vm = 0.49 voltsÁrea de la celda: 100 cm2 Corriente para máxima potencia: Im = 2.94 A Potencia máxima: Pm = 1.44 Watts

UNAM

Para generar energía eléctrica las celdas tienen que ser expuestas a la luz solar.

Debido a esto las celdas se calientan.

La temperatura afecta los parámetros eléctricos de la celda.

Por cada grado centígrado que aumente la temperatura de la celda, el voltaje se reduce y se incrementa ligeramente la corriente.

LOS FACTORES SON:

Vca: Reducción del orden de 2.1 mVolt por cada grado centígrado.

Icc: Aumento del 0.1% de su valor, a temperatura ambiente, por cada grado centígrado.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

UNAM

El medio volt producido por una celda solar no es suficiente para todas las aplicacionesen donde se pueda usar. Por esta razón, las celdas se interconectan entre para aumentarla potencia generada.

CONEXIÓN SERIE: la terminal (-) de una celda se conecta a la terminal (+) de la otra.Cuando las celdas se conectan en serie, se incrementa el voltaje. El voltaje de salida es la suma del voltaje de cada celda.

CONEXIÓN EN PARALELO: la terminal (-) de una celda se conecta a la terminal (-) de la otra; y lo mismo con las terminales (+) de cada celda.Cuando las celdas se conectan en paralelo, se incrementa la corriente. La corriente de salida esla suma de la corriente de cada celda conectada en paralelo.

Vca = 0.59 voltsJcc = 0.32 A/cm2

Vm = 0.49 voltsJm = 0.294 A/ cm2

Pm = 0.144/ cm2

EL CONCEPTO DE MÓDULO FOTOVOLTAICO

Para protegerlas del medio ambiente, las celdas interconectadas se encuentran fijaspor arriba a un vidrio templado y plástico transparente; y por abajo, a un adhesivoplástico. La estructura es enmarcada en un marco metálico que le da sostén y rigideza la estructura. A este empaquetamiento se le llama MÓDULO. En él se encuentrala terminal NEGATIVA y POSITIVA que facilita las conexiones eléctricas.

Módulos Fotovoltaicos

Celdas fotovoltaicas

Rayos Incidentes

Conexión de la celda

Sección de un Módulo Fotovoltaico

Marco soporteA

D

Cubierta

EW

C

B F

G

Taladro para fijación enestructura

H K H

Interconexión de celdas FV.

UNAM

A Goma butilica

B Aluminio anonizado

C Toma de tierra

D Cristal templadoE Contactos eléctricos

F Céldas

G Polivinilo butiral

H Lámina de tedlar

K Lámina de acero

Sello de goma

Vidrio

Celda Solar

Estructura

UNAMSección de un Módulo Fotovoltaico


MóduloFotovoltaico P 40 W

Ensamble del marco

Laminado

Conexión entre celdas

Celda Solar P 1 .5 W

Construcción de un módulo Construcción de un módulo FotovoltaicoFotovoltaico


Caja de Conecciones

UNAM

Información Técnica que deben tener los Módulos


w

STC @ 1000 Wm2 - AM 1.5 - TCELL 25ºC

SERIES FUSE 5 A

MODEL TYPE MSX64SERIAL NO. FW936099338801MAX. SYS. OPER. VOLT. 600 V

MIN. BYPASS DIODE IF 5 A VPMAX 17.2 VISC 4.02 AVOC 21.4 VPMAX 64.5 W

IPMAX 3.75 A

AT 800 W/m2 - AM 1.5 - T CELL; 49ºC

IPMAX= 3.06 APPMAX= 46.7 WWILL PRODUCE:

630 Solarex CourtFrederick, MD,21701, USA

Approved for NEC

Class 1

Divición 2

Grupo C & D

Listed forElectricalAnd Class

“C”

Clase C

Los Módulos para cargar acumuladores de 12 Volts nominales, se diseñan con 30, 33 y hasta 36 Celdas FV conectadas en serie.

La potencia eléctrica (watts) pico de un Módulo Fotovoltaico es igual al producto del Voltaje (Vm) con la corriente (Im) en el punto de máxima potencia.

Pp = Vm x Im

Isc Corriente de Corto circuitoIm Corriente de OperaciónVm Voltaje de OperaciónVca Voltaje a circuito AbiertoPmax potencia maxima

Vm Vca

IccIm Pmax

Corriente

Voltaje

Módulos FotovoltaicosUNAM


Módulo FotovoltaicoMódulo FotovoltaicoModulo de Silicio Monocristalino

Modelo SP75 (PC-J4) Marca: SIEMENS

Características Eléctricas STC 1000 W/m2; 25ºC

Vca = 21.7 V Vm = 17 V

Icc = 4.8A Im = 4.4 A

Características Físicas

Nº de Celdas = 36

Largo 120.1 cm Ancho 52.8 cm

Espesor 3.4 cm peso 5.8 Kg

UNAMSandia National

Laboratories

Pmax= 75 W

Modulos Fotovoltaicos

15.83.0

VOLTÍMETRO volts

(-)

(+)


Iop =3.0 A CargaI

Sol

Modulo FV. SIMENS PCJ4

Voltaje, Corriente y Potencia Generados

Curva de rendimiento (I VS V)Define todos los puntos de operación

Voltaje Corriente Potencia

(V*) (I*) (P*)

[Volts] [Amp.] [Watts]

0 3.6 0

10 3.5 35

17 3.2 55

19 2.0 38

21 0.0 0

(*) A condiciones estándares de prueba

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

Cor

rien

te (

Am

pere

s)

Voltaje (Volts)

MÓDULO DE 55 W-p; AM1.5 1000 W/m2; 25ºC.

EL MÓDULO FOTOVOLTAICO

Características eléctricas bajo condiciones NTC

UNAM

Vm Vca

Icc

ImPmax

Corriente

Voltaje

Icc Corriente de Corto circuito (P = 0 watts): Es la corriente máxima que puede generar el Módulo bajo una intencidad luminosa de 1000 W / m2

Vm Voltaje de Operación Im Corriente de Operación

Voltaje y corriente para los cuales el Módulo genera la maxima potencia

Vca Voltaje a circuito Abierto (P = 0 watts): Voltaje maximo que puede generar el Módulo

Pmax potencia maxima

Parámetros Parámetros de un Módulo Fotovoltaicode un Módulo Fotovoltaico

UNAM


Pm

= ---------------- Pi x Aa

Eficiencia del MóduloDonde

= Eficiencia del Módulo

Pi = potencia incidente 1000 W/m2

Aa = Superficie del Modulo,

Largo x Ancho m2

Pm = Potencia maxima

Ejemplos :

Módulo SIEMENS M55 Pi = 1000 W/m2

Pm = 53 W, Im = 3.05 A, Vm = 17.4 V , Area = 0.43m2 = 12.42 %

Módulo KIOCERA K55 Pi = 1000 W/m2

Pm = 51 W, Im = 3.02 A, Vm = 16.9 V , Area = 0.44m2 = 11.60 %

UNAM


CURVAS I-V (IRRADIANCIA) CURVAS I-V (TEMPERATURA)

U N A M

Pote

ncia

(W)

V o l ta je ( v )

Cor

rient

e (A

)

I r r a d ia n c ia ( W /m 2 )V

ca (v

)C o m p o r t a m i e n t o d e V c a , e I c c d e u n M ó d u l o F o t o v o l t a i c oe n f u n c i ó n d e l a I n t e n s i d a d l u m i n o s a .

UNAMV

alor

es n

orm

aliz

ados

Icc,

Vca

, Pm

(%)

Temperatura del módulo

Relación empírica: Tm= 20.4 + 1.2 TaTa: temperatura ambiente en ºC. Si Ta=34ºC, Tm=62ºC

Efecto de la temperatura de operación del módulo sobre las características eléctricas

14.2715.4417(V)VmVoltaje a máxima

Potencia

18.92021.6(V)VocVoltaje a circuito abierto

3.083.073.05(A)IscCorriente de corto circuito

2.822.812.8(A)ImCorriente a máxima Potencia

40.243.447.5(W)PmPotencia máxima

(± 10%)

121212(V)Voltaje nominal de la batería

604525(°C)TjTemperatura de la unión

Valores típicos de funcionamiento a 1kW/m2

I amp

V 0 5 10 15 20 25

1. 0

2. 0

3. 0

Celda Fv sin Sombrear

Celda Fv 25 % Sombreada




Efecto de sombreado sobre Efecto de sombreado sobre Módulos FVMódulos FV

Módulo con una celda Sombreada

I amp

V 0 5 10 15 20 25

1. 0

2. 0

3. 0

Celdas Fv sin Sombrear

Celdas Fv 25 % Sombreadas




Efecto de sombreado sobre Efecto de sombreado sobre Módulos FVMódulos FV

Módulo con tres celdas Sombreadas

EFECTO DE LA TEMPERATURA

En el voltaje: reducción de 2.2 mV/ºC/celdaEn la potencia: reducción del 0.35%/ºC

UNAM

Módulos Fotovoltaicos Conexiones Serie -

ParaleloConexión Paralelo

AUMENTO DE CORRIENTETres módulos Conectados en paralelo

Diodo de bloqueo

Diodo de paso

Conexión Serie

AUMENTA EL VOLTAJE

Tres módulos Conectados en serie

9 amp

UNAM

12 V 12 V12 V

12 Volts

36 V

24 V

12 V

0 V

36 Volts

12 V

Diodo de bloqueo

U N A M

D I A G R A M A E S Q U E M A T I C O D E C O N E X I O N E N T R E M Ó D U L O S

E N S E R I E : L O S V O L T A J E S D E C A D A M O D U L O S E S U M A NE N P A R A L E L O : L A C O R R I E N T E D E C A D A M O D U L O S E S U M A N

+-

-

-

-

-

-

-

-

-

+ +

+++

+ + +

V = V 1 + V 2 + V 3 + V 4

I 1

I 2

I 3

D io d o s d e p a s o

-

-

-

+

+

+

V 1 V 2 V 3 V 4 I 1

I 1 + I 2

I 1 + I 2 + I 3

C O N E X I Ó N S E R I EC

ON

EX

ION

PA

RA

LE

LO

D io d o d e B lo q u e o

A R R E G L O : 4 M ó d u lo s e n S e r i e y 3 e s t r u c tu r a s d e é s t a s e n p a r a l e lo .N o m e n c la t u r a : 4 S x 3 P

Factores principales para el rendimiento de los sistemas FV.

Orientación del Arreglo FV . UNAM

ORIENTACION NORTE-SUR

La cara de los módulos deben de estar hacia el SUR (NO MAGÉTICO)La Declinación Magnética es la desviación del Norte Verdadero y el Norte Magnético(detectado por una Brújula).La Declinación se expresa en Grados ESTE u OESTE desde el SUR MAGNÉTICO

Brújula

NORTE magético

NORTE verdadero

DECLINACIÓN

S

Nm

Ejemplo: Declinación Mag. 13º E.El Sur Verdadero está a 13º E del Sur magnético. Si el captador se orienta con una brújula, el Sur verdadero estará a 167º.

270º O

180º S 167º S verdadero

Inclinación del Arreglo FV .

MÁXIMA GENERACION: RAYOS PERPENDICULARES AL ARREGLO.

ES NECESARIO SEGUIDOR SOLAR CON 2 MOVIMIENTOSSE PUEDEN TENER: ARREGLOS FIJOS Y MÓVILES

EN ARREGLOS FIJOS IMPLICA UTILIZAR UN CRITERIO DE SELECCIÓN PARA ÁNGULO DE INCLINACIÓN QUE GARANTICE MÁXIMA GENERACIÓN.

EN EL HEMISFERIO NORTE EL SOL SE DECLINA MAS TIEMPO HACIA EL SUR DURANTE EL AÑO; ASÍ LOS ARREGLOS SE INCLINAN, RESPECTO A LA HORIZONAL, VIENDO HACIA EL SUR.

REGLA DE MANO: GENERACIÓN ANUAL MÁXIMA, INCLINCACIÓN IGUAL A LA LATITUD DEL LUGAR.

PARA ABREVADEROS: LA INCLINACIÓN DEBE GARANTIZAR LA MÁXIMAGENERACIÓN DE ENERGÍA (MÁX. PROD. DE AGUA) EN EL MES CON MAYORDEMANDA DE AGUA (EPOCA DE ESTIAJE)

SUR

Potencia W-P Primavera Verano Otoño Invierno AnualTm = 48ºC 4.7 4.3 4 4.2 4.3 Recurso

50 199 182 170 178 18260 239 219 204 214 21975 299 274 255 267 27422 87 80 75 78 80

Energía Eléctrica generada por

Módulos Fotovoltaicos


Sonora Sn. Cristobal Tonalá UnidadesHrs - Pico 8 3.8 5.5 Al DíaPot. C/ Módulo 44 44 44 WattsEnergía 352 167.2 242 W - h

Arreglo FV 5 Módulos 220 220 220 WattsEnergía Total 1 760 836 1 210 W - h

Módulo FotovoltaicoIrradiancia : 1000 W/ m2; AM1.5

Tm = 25ºC Pp = 55 W

Tm = 62ºC Pp = 44W

Maxima Generación por día (por año) = Rayos perpendiculares a los Módulos

Estimación de la energía generada por un arreglo Fotovoltaico


Celda Solar P 1 .5 W

Módulo FV.

Panel FV

Arreglo Fotovoltaico

Términos empleados en Sistemas Fotovoltaicos


UNAM

ALGUNAS APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FV

REEPLAZANDO TECNOLOGÍA

Sistemas Fotovoltaicos

Diagrama de conexión directa

Tableros de distribución o carga de Corriente Directa (CD)

ArregloFotovoltaico

Sistema de Generación de Energía Eléctrica

Sol

UNAM

Sistemas Fotovoltaicos

Diagrama con controlador de carga

ArregloFotovoltaico

Sistema de Control de Energía


Sol

Seguidor de máxima potencia

Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD)

UNAM

Sistemas FotovoltaicosDiagrama Con Sistema de

AlmacenamientoArreglo

Fotovoltaico



Sistema de Almacenamiento deEnergía


Sol

Banco de Baterías

Controladorde Carga

UNAM

Sistemas FotovoltaicosDiagrama típico de un

Sistema

Sistema de Almacenamiento de Energía

Tableros dedistribución de carga

ArregloFotovoltaico


Sol

Banco de Baterías

CD/ CA

Sistema de Acondicionamiento de Energía

Inversor


Controlador

de Carga

UNAM

Sistemas FotovoltaicosDiagrama típico, alimentando

cargas de CD y CA

ArregloFotovoltaico

DC =AC



Sistema de Almacenamiento de Energía

Sistema de Acondicionamiento De Energía

Sol

Banco de Baterías

Inversor

Controladorde Carga

Tableros de distribución decarga en Corriente Alterna (CA)


UNAM

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