MSC. ING. JORGE LUIS ROJAS ROJAS

INGENIERÍA ENERGÉTICA

Módulo: II Unidad: II Semana: 3

10/04/2015

ENERGÍA SOLAR

1.ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA

2.ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas

ORIENTACIONES

En esta tercera sesión se tratara el tema de la

energía proveniente del sol, tales como la

energía solar fotovoltaica y la energía solar

térmica.

Empezaremos por las definiciones, luego con

el recurso y finalmente con la aplicación

energética.

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CONTENIDO 1. Definición de energía solar fotovoltaica.

2. Descripción del recurso.

3. Tecnologías de conversión de energía.

4. Aplicaciones.

5. Definición de la energía solar térmica.

6. Descripción del recurso.

7. Tecnologías de conversión de energía.

8. Aplicaciones.

MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas

MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas

¿Por qué usar energía

fotovoltaica? • Es importante que la planeación energética se

realice con miras a lograr un desarrollo sustentable, esto se puede lograr con una visión clara del futuro que queremos.

• Existen dos elementos que sustentan su utilización: “La necesidad de proteger el medio ambiente y la necesidad de crecer económicamente”

¿Qué es la Energía Solar

Fotovoltaica?

La energía fotovoltaica es la transformación directa

de la radiación solar en electricidad. Esta

transformación se produce en unos dispositivos

denominados paneles fotovoltaicos. En los paneles

fotovoltaicos, la radiación solar excita los

electrones de un dispositivo semiconductor

generando una pequeña diferencia de potencial. La

conexión en serie de estos dispositivos permite

obtener diferencias de potencial mayores.

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La energía solar fotovoltaica se basa en la

captación de energía solar y su

transformación en energía eléctrica por

medio de celdas fotovoltaicas.

Existen dos elementos que sustentan la

utilización de la energía fotovoltaica: "La

necesidad de proteger el medio ambiente y

la necesidad de crecer económicamente"

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

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Las aplicaciones de la energía solar

fotovoltaica se basan en el aprovechamiento

de efecto fotovoltaico, este, se produce al

incidir la radiación solar sobre un material

denominado semiconductor. La energía

recibida provoca un movimiento caótico de

electrones.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

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Son dispositivos formados

por metales sensibles a la luz que

desprenden electrones cuando los fotones

inciden sobre ellos. Convierten energía

luminosa en energía eléctrica.

CELDAS O CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

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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,

utilizando como materia

prima la radiación solar.

CELDAS O CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

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Los paneles captan la energía solar transformándola

directamente en eléctrica en forma de corriente

continua, que se almacena en acumuladores, para

que pueda ser utilizada fuera de las horas de luz.

Estas células interconectadas y montadas entre dos

láminas de vidrio que las protegen de la intemperie

constituyen lo que se denomina un módulo

fotovoltaico.

PANEL SOLAR

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GENERADOR SOLAR: conjunto de paneles

fotovoltaicos que captan energía luminosa y la

transforman en corriente continúa a baja tensión.

ACUMULADOR: Almacena la energía producida

por el generador. Una vez almacenada existen dos

opciones:

-Sacar una línea de éste para la instalación (utilizar

lámpara y elementos de consumo eléctrico).

-Transformar a través de un inversor la corriente

continua en corriente alterna.

ELEMENTOS DEL PANEL SOLAR

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REGULADOR DE CARGA: Su función es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser irreversibles. Debe asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficacia.

INVERSOR (opcional): Se encarga de transformar la corriente continua producida por el campo fotovoltaico en corriente alterna, la cual alimentará directamente a los usuarios.

ELEMENTOS DEL PANEL SOLAR

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• Temperatura de trabajo de los módulos.

• Eficiencia de la conversión con baja radiación

• Uso de módulos de diferentes características

• Pérdidas por reflexión y suciedad en los módulos

• Sombreados parciales de la instalación

• Eficiencia de los convertidores electrónicos,

transformadores, baterías, etc.

• Pérdidas en el cableado, en los contactos y en los

sistemas de protección (fusibles),

magnetotérmicos, diodos, etc.

Factores que afectan al rendimiento de

los sistemas fotovoltaicos

MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas

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Principales fabricantes de módulos solares

en el mundo

Compañía

Sharp

BP Solar

Kyocera

Shell Solar

Sanyo

Astropower

RWE Schott

Isofotón

Mitsubishi

Photowatt

( MW)

123.07

73.8

60

57.5

35

29.7

29.5

27.38

24

17

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El módulo fotovoltaico Un grupo de celdas, solares, asociadas

eléctricamente entre sí y encapsuladas

en un único bloque se llama módulo

fotovoltaico, y constituye el elemento

básico con que se construyen los

generadores FV.

El módulo más característico está

constituido por entre 30 y 36 celdas ,

todas de igual tamaño y de iguales

características I-V, conectadas en serie y

encapsuladas entre una lámina de vidrio

que cubre la cara posterior. El módulo

presenta dos bornes de salida, positiva y

negativa y a veces una intermedia para

permitir la instalación de diodos de

protección.

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Constitución de un panel solar

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Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

Autónomos o

Remotos

Interactuando con

la Red Eléctrica

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Los sistemas autónomos son el mercado que estimuló la producción industrial de módulos Fotovoltaicos y dio credibilidad a la energía, al demostrar que pese a su costo, son la opción más económica en algunas aplicaciones terrestres:

Electrificación rural

Estaciones repetidoras

Bombeo Rural

Protección catódica

Señalización…..

Sistemas autónomos

Aplicaciones de

sistemas fotovoltaicos

autónomos en

Electrificación Rural

Telecomunicaciones

y medición remota

de señales.

Aplicaciones

marinas y

señalización

Sistemas conectados a la red

CARGA

Un “Sistema Conectado” implica que un

sistema de potencia; conformado por un

generador independiente y su carga asociada,

cuenta también con una acometida de la red

eléctrica

Cargas

Generador FV Inversor Medidor

Bidireccional Red

Eléctrica

Tipos de sistemas conectados a

la red

Estaciones Centrales.- Son plantas de gran capacidad (de hasta varios MW) Operadas por la compañía suministradora. La interconexión con la red siempre es trifásica debido al rango de potencia.

Generadores dispersos.- Son generadores de baja capacidad (1-10KW) instalados en inmuebles residenciales , comerciales o institucionales.

Estaciones de apoyo a la red.- Son similares a una estación central, su objetivo es proporcionar alivio térmico a subestaciones yo líneas de distribución que se encuentren cerca del límite de su capacidad.

SISTEMA CONECTADO A RED

Estaciones Centrales y de apoyo

a la red

INSTALACION FOTOVOLTAICA AUTÒNOMA

TIPOS DE SISTEMAS CONECTADOS A

LA RED

Generadores dispersos.

Son generadores de baja

capacidad (1-10KW)

instalados en inmuebles

residenciales ,

comerciales o

institucionales.

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TIPOS DE SISTEMAS CONECTADOS A LA

RED

Estaciones Centrales

Son plantas de gran

capacidad (de hasta varios

MW) Operadas por la

compañía suministradora.

La interconexión con la red

siempre es trifásica debido

al rango de potencia.

MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas

TIPOS DE SISTEMAS CONECTADOS A LA

RED

Estaciones de apoyo a la red.

Son similares a una estación central, su objetivo es proporcionar alivio térmico a subestaciones y o líneas de distribución que se encuentren cerca del límite de su capacidad.

Aspectos Económicos

Aunque el costo de los sistemas FV no ha llegado a la

madurez suficiente para competir en el mercado, si

consideramos los siguientes aspectos, ésta tecnología

estaría muy cerca de ser económicamente competitiva.

El valor de la energía

El valor de la capacidad de transmisión

Ahorro en Pérdidas

Valor de la potencia reactiva

Confiabilidad

Valor Ecológico

Política Tarifaria

Rentable

Una inversión que pone en valor un espacio no productivo, como la

cubierta de su nave o un terreno que no rinde.

Ofrece una rentabilidad de entre el 10% y el 15%.

Segura

Una inversión que genera ingresos recurrentes, previsibles y garantizados

por la ley sin ningún esfuerzo de gestión por su parte.

Sencilla

Una inversión que no necesita apenas mantenimiento, sin emisiones ni

consumos, que funcionará en silencio durante más de 25 años.

Sostenible

Cada kWh producido con la instalación evita la generación del mismo

kWh con centrales contaminantes. No se generan emisiones de CO2,

Nox, Sox.

LA INVERSIÓN EN ENERGÍA SOLAR

FOTOVOLTAICA

Impacto ambiental • La conversión de la energía solar a

eléctrica se realiza de manera limpia,

directa y elegante, y no tiene partes

móviles por eso es la mas compatible con

el entorno ecológico.

• Sin embargo hay que mencionar que

algunos de los materiales con los que se

fabrican las celdas son tóxicos, pero como

se usan cantidades mínimas no

representan riesgo.

Seguridad y Normatividad

En Peru no hay normas o regulaciones que

aseguren el buen funcionamiento de los

sistemas FV y que permitan un desarrollo

ordenado para que las instalaciones sean

seguras, eficientes y cubran las expectativas,

condiciones muy importantes para una

tecnología en vías de ser económicamente

competitiva.

• Contribuye a la reducción de emisión

de gases de efecto invernadero y

especialmente de CO2, ayudando a

cumplir los compromisos adquiridos

por el Protocolo de Kioto y a proteger

nuestro planeta del cambio climático.

IMPACTO MEDIO AMBIENTAL

Al no producirse ningún tipo de combustión, no se generan

contaminantes atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen

efectos como la lluvia ácida, efecto invernadero por CO2, etc.

El Silicio, elemento base para la fabricación de las células

fotovoltaicas, es muy abundante, no siendo necesario explotar

yacimientos de forma intensiva.

Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita pistas,

cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos, y su

impacto visual es reducido. Tampoco tiene unos requerimientos

de suelo necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar

entre 10 y 15 m2).

Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos.

Además, no precisa ningún suministro exterior (combustible) ni

presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).

Es inagotable.

VENTAJAS

• JAPÓN: Actualmente, es el principal país productor de

energía fotovoltaica a nivel mundial, el segundo puesto lo

ocupa ALEMANIA.

• ESPAÑA: Es uno de los países europeos con niveles más

altos de radiación solar y tiene un elevado mercado

potencial interior en sistemas conectados a la red. Pero,

por contra, en la implantación de energía solar se

encuentra por detrás de países nórdicos como Suecia,

Holanda o Alemania.

• actualmente España es considerada, junto con Estados

Unidos, Israel y Australia, como uno de los grandes

inversores mundiales en el desarrollo de la energía solar

para producir electricidad.

PRODUCTORES MUNDIALES DE EF

Tradicionalmente este tipo de energía se utilizaba para el suministro

de energía eléctrica en lugares donde no era rentable.

Electrificación de viviendas rurales

Suministro de agua a poblaciones

Bombeo de agua / riegos

Naves ganaderas

Pastores eléctricos

Telecomunicaciones: repetidores de señal, telefonía móvil y rural

Tratamiento de aguas: desalinización, cloración

Señalizaciones (marítima, ferroviaria, terrestre y aérea) y alumbrado

público

Conexión a la red

Sistemas de telecontrol vía satélite, detección de incendios

APLICACIONES

APLICACIONES

APLICACIONES

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

CENTRAL TERMICA DE TORRE CENTRAL

La Energía Solar Térmica o Energía Termosolar consiste en el

aprovechamiento de la energía del sol para producir calor que puede

aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente

destinada al consumo de agua domestico, ya sea agua caliente sanitaria,

calefacción, o para energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse

para alimentar una maquina de refrigeración por absorción, que emplea

calor en lugar de electricidad para producir frio con el que se puede

acondicionar el aire de los locales.

¿QUE ES?

VENTAJAS • La energía solar es una excelente fuente de energía alternativa porque no

hay contaminación al usarse.

• El único costo asociado al uso de la energía solar es el costo de fabricación de los componentes e instalación. Tras la inversión inicial no hay costos adicionales asociados a su uso.

• Los sistemas de energía solar pueden ser diseñados para ser flexibles y expandibles. Esto significa que tu primer proyecto solar puede ser pequeño y puedes aumentar en el futuro la capacidad de tu sistema para adaptarlo a tus necesidades. Al empezar con un proyecto relativamente pequeño puedes reducir el gasto inicial.

• Un sistema de energía solar para generación eléctrica en el hogar puede potencialmente eliminar hasta 18 toneladas de emisiones de gases de invernadero al ambiente cada año.

• La energía solar opera con sistemas silenciosos. No hay contaminación por ruido.

• Una gran ventaja de la energía solar es su uso en ubicaciones remotas. Es la mejor forma de proveer electricidad a lugares aislados en todo el mundo, donde el costo de instalar líneas de distribución de electricidad es demasiado alto.

DESVENTAJAS • Los grandes proyectos de generación de energía solar a escala comercial pueden

requerir grandes cantidades de tierra. Sin embargo, un sistema para una casa

habitación no tiene este problema.

• Los costos iniciales de instalación de un sistema de energía solar pueden ser

altos comparados con otras alternativas. Sin embargo, como se señaló en el

apartado de ventajas, no existen costos posteriores, por lo que la inversión

iniciales recupera rápidamente. Para algunas familias los costos iniciales pueden

ser un obstáculo importante, por lo que en muchos países existen apoyos

gubernamentales y esquemas de financiamiento.

• En algunos lugares la luz solar no tiene la intensidad o no es suficientemente

constante para proporcionar un flujo de energía permanente. Este prácticamente

no es un problema en México, ya que nuestro país cuenta con una excelente

captación de luz solar en prácticamente todo su territorio.

Calentar el agua común es simple, práctico y

económico: Usar la radiación solar para calentar tiene dos grandes ventajas:

• Los sistemas normales se pueden fabricar fácilmente de materiales

comunes y así cuestan poco en relación a otras técnicas para aprovechar

la energía del sol. El mantenimiento es mínimo y tienen una vida como

cualquier otro sistema para calentar agua.

• Quizás lo más importante: convertir la radiación solar en calor es muy

eficiente. Bajo condiciones ideales se puede convertir más de 80% de la

energía solar disponible. Este alto rendimiento es aproximadamente cuatro

veces mayor que el de paneles solares fotovoltaicos para generar

electricidad!

COLECTORES

• Hay muchas formas de aprovechar la energía solar. La más conocida y

usada es captar el calor del sol pasando agua por tubos de cobre con una

capa negra bien aislados que absorben la radiación al máximo.

Frecuentemente se conocen como colectores solares planos o paneles

solares térmicos (vs. paneles solares fotovoltaicos) donde se colocan los

tubos bajo vidrio que calientan el agua para hogares, hoteles, hospitales,

lavanderías, y otros fines. En estos sistemas se consigue bajo el sol

temperaturas del agua alrededor de 70 grados, más que suficiente para el

uso normal (para una ducha caliente solamente se usa una temperatura

entre 35 y 45 grados).

PRINCIPIOS Sistemas normales para calentar el agua se puede clasificar en cuatro principios, lo que permite adaptarlos a los

requerimientos y situaciones individuales.

• Principio pasivo. En esto se usa el efecto que el agua caliente sube por si misma. Así no requiere ninguna

bomba, pero el tanque de agua debe ser colocado arriba del panel solar para captar y guardar el agua caliente.

• Principio activo. Diferente al anterior, se usa una bomba para mover el agua caliente. Tiene la ventaja que se

puede colocar el tanque en cualquier lugar, por ejemplo en el sótano, mientras los paneles son montados en el

techo.

• Principio directo. Aquí el agua de uso fluye directamente por el sistema y es calentado sin otro intermedio. Pero

que pasa por ejemplo en el altiplano, donde la temperatura puede ser debajo del punto de congelamiento en las

noches? El agua se congela y los tubos pueden romperse. En estos casos se usan los sistemas indirectos.

• Principio indirecto. En esto, el liquido que fluye por los paneles es tratado similarmente al agua en los

radiadores de los carros con anticongelantes (por ejemplo glicol). No potable y venenoso para el consumo, esto

requiere separar el liquido que pasa pos los paneles del agua potable con un intercambiador de calor,

normalmente dentro del tanque de agua.

El sistema directo pasivo

Es el más simple y domina el mercado en Perú. Existen varias

empresas nacionales que producen estos calentadores con

paneles planos o los equipan con tubos al vacío. Sobre todo en

Arequipa, donde, con su radiación muy favorable, ya existe una

'cultura' de usar termas solares desde años. Solo en esta ciudad

se estima que más de 35.000 sistemas son instalados.

EL SISTEMA ACTIVO DIRECTO

Elimina la necesidad de colocar el tanque arriba del colector y permite posicionarlo en

cualquier lugar. Para lograrlo, hay que añadir una pequeña bomba que fuerza la

circulación entre los paneles o los tubos y el tanque. Un controlador evita que el agua

circule cuando el panel no produce calor, normalmente durante la noche. La gráfica

muestra este sistema. Además, en este ejemplo se usa una pequeña placa solar

fotovoltaica para alimentas la bomba con electricidad independiente de la red. Este

sistema puede ser muy favorable por razones de diseño y de la vista arquitectónica -

estética. La obvia desventaja es la necesidad de una bomba manejada por un

controlador que añade algo de complejidad y aumenta los costos iniciales.

EL SISTEMA ACTIVO INDIRECTO

Es el sistema que se usa en zonas donde la temperatura puede congelar el agua. Aunque es más sofisticado y necesita una atención mayor (por ejemplo una renovación de los líquidos anticongelantes) todavía es muy rentable. Este sistema domina los mercados en el norte de Europa, donde, aparte de calentar el agua y a pesar de una radiación muy reducida, apoya frecuentemente la calefacción de las casas enviando el calor a través de radiadores a las habitaciones. Este sistema requiere un intercambiador de calor normalmente colocado en el tanque. Recientemente se empezó con la

producción de estos sistemas en el Perú.

10/04/2015

1.J. lebrún Madge. El poder del gas, el

impacto de la energía en desarrollo

mundial. (Autor-editor). Lima 2008.

2.Balance Nacional de Energía 2010 (BNE-

2010).Ministerio de Energía y Minas.

3.V. Daniel Hunt. Diccionario de energía. Ed.

Mc. Laughin research corporation. Ed.

Marcombo. S.A. Barcelona 1984.

BIBLIOGRAFÍA

MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas

GRACIAS

62 10/04/2015

LA SIGUIENTE SESIÓN DESARROLLAREMOS

TECNOLOGIAS DE PROSPECCION

10/04/2015

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63

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