martes, 10 de febrero de 2015

SISTEMA FOTOVOLTAICO (FV)

Los sistemas fotovoltaicos

Sirven para generación eléctrica. Estos se componen de una serie de elementos tales como paneles fotovoltaicos, cables, cajas de conexión, fusibles, inversor y si no está conectado a red se necesitará incluir controlador de carga y baterías.

Principios

Están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. La energía solar fotovoltaica es energía eléctrica (-voltaica) obtenida directamente de los rayos del sol (foto-) gracias al efecto fotoeléctrico de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamada capa fina. También están en fase de laboratorio métodos orgánicos.

Los sistemas fotovoltaicos son dispositivos formados por metales sensibles a la luz que desprenden electrones cuando los fotones inciden sobre ellos. Convierten energía luminosa en energía eléctrica en corriente continua. Están formados por células elaboradas a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos, siendo capaces de generar cada una de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V.

Paneles Fotovoltaicos

  • Celdas mono y policristalinas

Las celdas fabricadas de bloques de silicio ('ingots') son las más comunes. La experiencia comprobó una vida útil con más de 40 años sin ningún mantenimiento. Se distinguen entre placas compuestas de celdas monocristalinas (izquierda) y policristalina (derecha). En la práctica la diferencia entre ambas es mínima. La mayor eficiencia de las monocristalinas puede tener importancia cuando el espacio disponible es reducido. Frecuentemente con placas policristalinas se puede conseguir más energía por el mismo precio.

Aunque el silicio es muy abundante (por ejemplo en arena), la cantidad con suficiente pureza (99.9999%) es limitada y consecuentemente caro.

El argumento de que la energía (eléctrica) necesaria para producir las placas solares es mayor a la que ellas generan durante su vida (tiempo de retorno energético). Ya no aplica puesto que las placas de silicio fabricadas hoy con procesos modernos y celdas más finas necesitan menos de dos años para producir la energía que fue utilizada para su propia fabricación. En países de alta radiación como es Chile el tiempo de retorno todavía es más corto.

  • Placas solares de capa fina

Para reducir los costos de producción y salir de la posible escasez de silicio se empezaron a investigar e invertir en placas de otros materiales. A parte de paneles solares de capa fina (thin film solar cells) con silicio (amorfas), se logró una importante reducción de los costos usando otros elementos, pero son algo menos eficiente de los mono y policristalinos.

Los más importantes son módulos de capa delgada de cobre, indio y selenio (CIS) o de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) y módulos de capa delgada a base de cadmio y telurio (CdTe).

Modernos procesos como por ejemplo tecnologías de imprenta resultan en capas ultra finas usando menos materia prima.

  • Celdas flexibles
Las nuevas formas de producción permiten producir celdas flexibles que abren posibilidades que la rigidez de los paneles tradicionales no permitieron. La idea es que estas celdas cada vez más se incorporen en la ropa, mochilas, sombrillas, etc. A parte de aplicaciones especiales sirven para cargar aparatos de poco consumo. Así se puede evitar un celular descargado, alimentar otros aparatos portátiles o tener luz en la playa una vez que se va el sol.

  • Capas transparentes

Un desarrollo práctica es la recién empezada producción de ventanas con capas finas semi-transparentes. Es una válida alternativa arquitectónica para incluirlas en edificios. Con estas se puede reemplazar los vidrios polarizados, muros de cortina y usar la energía generada para apoyar la climatización de los edificios.

  • Celdas orgánicas

Celdas orgánicas ya se puede tejer en la ropa, por ejemplo para cargar aparatos de telecomunicación. De interés especial es la Celda Grätzel de material simple similar a la fotosíntesis con características muy prometedoras. Con esta invención el Prof. Grätzel ganó el Premio Tecnológico del Millenium en el 2010. Actualmente están preparando una primera producción industrial. A causa del uso de materiales simples, se espera en el futuro una importante reducción de los precios. Contario de las celdas cristalinas, tienen la ventaja que la eficiencia aumenta con la temperatura.

  • Celdas de concentración

Concentrar la luz con sistemas ópticos es otro desarrollo para aumentar la relativamente baja eficiencia de las celdas fotovoltaicas y reducir los costos. Aunque se logró mejorar la eficiencia por un factor de 10 en los sistemas instalados, la necesidad de guiarlos hacia el sol y el control de la alta temperatura generada causaron sistemas sofisticados con un mantenimiento alto y costoso. Nuevas tecnologías que eviten las desventajas están bajo desarrollo.

Inversiones masivas en estas nuevas tecnologías (en gran parte asegurado por programas gubernamentales) permitieron instalaciones de parques solares de gran tamaño, con el resultado de que la empresa First Solar (EEUU) con sus placas tipo CdTe se convirtió en el 2009 temporalmente en el productor fotovoltaico más grande del mundo.

Inversores

La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.

Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada.

Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores. (Fuente: Wikipedia).

Reguladores de carga

Dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobredescargas profundas.

El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil. También genera alarmas en función del estado de dicha carga.

Los reguladores actuales introducen microcontroladores para la correcta gestión de un sistema fotovoltaico. Su programación elaborada permite un control capaz de adaptarse a las distintas situaciones de forma automática, permitiendo la modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones especiales.

Para ello, consideran los valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga, y capacidad del acumulador.

Existen dos tipos de reguladores de carga, los lineales y los conmutados.

Sistemas de regulación de los controladores son: Igualación, Carga profunda y Carga Final o Flotación.

Indicadores de Estado: Desconexión del consumo por baja tensión de baterías, alarmas de señalización.

Protecciones típicas:

  • Contra sobrecarga temporizada en consumo
  • Contra sobretensiones en paneles, baterías y consumo.
  • Contra desconexión de batería.

Indicadores de Estado/Señalizadores

  • Indicadores de tensión en batería.
  • Indicadores de fase de carga.
  • Indicadores de sobrecarga/ cortocircuito.

Parámetros a calcular, dimensionamiento

  • Tensión nominal: la del sistema (12, 24, 48)
  • Intensidad del regulador: la intensidad nominal de un regulador ha de ser mayor que la recibida en total del campo de paneles FV

Parámetros importantes que determinan su operación:

  • Intensidad Máxima de Carga o de generación: Máxima intensidad de corriente procedente del campo de paneles que el regulador es capaz de admitir.
  • Intensidad máxima de consumo: Máxima corriente que puede pasar del sistema de regulación y control al consumo.
  • Voltaje final de carga: Voltaje de la batería por encima del cual se interrumpe la conexión entre el generador fotovoltaico y la batería, o reduce gradualmente la corriente media entregada por el generador fotovoltaico (I flotación). Vale aproximadamente 14.1 para una batería de plomo ácido de tensión nominal 12V.

Las Baterías

La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.

Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.

Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías

Normalmente el banco de baterías y los módulos fotovoltaicos trabajan conjuntamente para alimentar las cargas. Durante la noche toda la energía demandada por la carga la provee el banco de baterías (en caso de no estar conectados a red).

A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos superada la energía promedio demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda sino que además, todo exceso se almacenara en la batería que empezará a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche anterior. En la noche, la generación es nula y todo el consumo lo afronta la batería.

Tipos de Baterías

  • Baterías de plomo – ácido de electrolito líquido. Las de plomo - antimonio, plomo - selenio y plomo - calcio son las más comunes.
  • Baterías selladas Gelificadas: Estas baterías incorporan un electrolito del tipo gel con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una jalea.
  • Electrolito absorbido: El electrolito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio microporoso o en un entramado de fibra polimérica.
  • Níquel – Cadmio: El electrolito es alcalino. Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal. Bajo coeficiente de autodescarga. Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura. De muy elevado costo.
Tanto las baterías electrolito absorbido como las Gelificadas no requieren mantenimiento en forma de agregado de agua, no desarrollan gases evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida de servicio.

La unidad de construcción básica de una batería es la celda de 2 Volts. Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto.

En general, la tensión de una celda varía entre 1,75 Volts y 2,5 Volts, siendo el promedio alrededor de 2 Volts, tensión que se suele llamar nominal de la celda.

Cuando las celdas de 2 Volts se conectan en serie las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose de esta manera, baterías de 4,6,12 Volts.

Si las baterías están conectadas en paralelo las tensiones no cambian, pero se sumaran sus capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo baterías de igual tensión y capacidad.

Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (número de veces en que la batería puede ser descargada y cargada a fondo antes de que se agote su vida útil).

La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas.

Los ciclos de vida en una batería dependerán de la profundidad de descarga llegando a 2.500 ciclos y mas si la profundidad de descarga es de un 20 % (es decir que la batería estará con un 80 % de su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es del 50 % (batería con 50 % de su carga)


Esquema sistema conectado a Red: Paneles, inversor, medidor, autoconsumo o inyección a la red.

Esquema sistema aislado: Paneles, inversor, controlador de carga, baterías, autoconsumo

Esquema general

Estaciones de bombeo

Un sistema de bombeo FV es similar a los sistemas convencionales excepto por la fuente de potencia. Un sistema FV típico consiste en un arreglo de módulos FV, un controlador, un motor y una bomba. Se emplean motores de corriente alterna (CA) y el de corriente continua (CC). Las bombas pueden ser centrífugas o volumétricas. Generalmente el agua se almacena en un tanque. 

Las bombas comunes disponibles en el mercado han sido desarrolladas pensando en que hay una fuente de potencia constante. Por otro lado, la potencia que producen los módulos FV es directamente proporcional a la disponibilidad de la radiación solar. Es decir, a medida que el sol cambia su posición durante el día y al variar la disponibilidad de potencia también cambia la disponibilidad de potencia para la bomba. Por esta razón se han creado algunas bombas especiales para la electricidad fotovoltaica las cuales se dividen desde el punto de vista mecánico en centrífugas y volumétricas. 

Esquema general de un sistema de bombeo solar

Ley 20.571 Net Metering 

Permite a clientes regulados que dispongan, para su propio consumo, de equipamiento de generación de energía eléctrica por medios renovables no convencionales o de instalaciones de cogeneración eficiente, el inyectar energía que generen a la red de distribución a través de sus respectivos empalmes. Para su implementación se requiere la elaboración de un reglamento que defina los siguientes requisitos:
  • Exigencias de conexión a las redes de distribución e inyección de los excedentes de energía a éstas.
  • Medidas que deberán adoptarse para los efectos de proteger la seguridad de las personas y de los bienes y la seguridad y continuidad del suministro.
  • Especificaciones técnicas y de seguridad que deberá cumplir el equipamiento requerido para efectuar las inyecciones.
  • El mecanismo para determinar los costos de las adecuaciones que deban realizarse a la red
La capacidad instalada permitida por cada usuario final y por el conjunto de varios usuarios en una misma red de distribución o en cierto sector de ésta, considerando que por usuario final o cliente nunca podrá exceder de los 100 kW.

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