Modulo 2.1 Recurso Solar y Fundamentos
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CONTENIDO 1. RECURSO SOLAR
2. EFECTO FOTOVOLTAICO. BREVE TEORIA DE SEMICONDUCTORES
3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION
4. CONDICIONES DE MEDIDA ESTANDAR STC
5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA
6. TIPOS DE CELULAS
7. MODULO FOTOVOLTAICO
POTENCIA ELECTRICA Y ENERGIA …
� Potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado y se expresa en Joules por segundo. Un Joule/seg equivale a un (1) Watt. Por ejemplo, en una red de 110Vac/60Hz todos los aparatos utilizados consumen los mismos 110Vac al ser conectados, pero cada uno necesita una cantidad diferente de electrones (Amperios) para poder funcionar. Esa relación de voltaje y corriente es la potencia y se expresa en W.
� Energía es el tiempo durante el cual un elemento consume una potencia P, expresada en Watts. Normalmente ese tiempo se mide en una hora y se expresa en Watt-hora (Wh).
� Por ejemplo, un computador portátil que consume 65W y que se utiliza constantemente durante 3.5 horas consume 227,5Wh = 65W x 3.5 horas.
La radiación incidente sobre un plano horizontal (perpendicular a los rayos del sol) fuera de la atmosfera recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1373 W/m2 (potencia).
La potencia que llega a la superficie terrestre depende del espesor de la atmosfera que tiene que atravesar ese rayo de sol. En promedio, la potencia que llega al nivel del mar, al medio día, con un cielo claro es de 1000 W/m2.
1. EL RECURSO SOLAR
Flujo energé,co entre el sol, la atmosfera y el suelo
ABSORCIÓN Y DISPERSIÓN DE LA LUZ POR LA ATMOSFERA La radiación electromagné1ca interacciona con las moléculas de los gases componentes de la atmosfera, dando lugar a la absorción y a la dispersión
1. EL RECURSO SOLAR
Componentes de la radiación solar
La irradiancia solar es la intensidad o la potencia de la radiación solar incidente en una superficie de 1 metro cuadrado (kW/m2). La irradiación solar, es la suma de las irradiancias incidentes en una superficie de 1 metro cuadrado durante un intervalo de tiempo dado, normalmente se expresa en una hora (kWh/m2).
Las horas solares pico (HSP) es una unidad hipotética que se utiliza para simplificar y caracterizar el recurso solar con el que se cuenta en un lugar determinado. Para esto se supone una irradiancia constante e ideal del sol de 1000 W/m2.
1. EL RECURSO SOLAR
Bases de datos de radiación solar a nivel mundial
� NASA: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/[email protected]
� PVGIS (EUROPA): http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=en&map=europe
� OTRAS BASES DE DATOS: http://photovoltaic-software.com/solar-radiation-database.php
1. EL RECURSO SOLAR
2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores
� Se basa en la conversión de la energía lumínica proveniente del Sol en energía eléctrica.
� Células solares. Cons1tuidos por materiales semiconductores en los que se ha creado un campo eléctrico ar1ficial
� Silicio: -‐ Abundante en la corteza terrestre (Sílice)
-‐ El átomo (SI) con1ene 14 electrones, de los cuales 4 de ellos se encuentran en su capa 3 (capa de valencia).
-‐ Enlaces covalentes estables y fuertes.
� Material semiconductor por excelencia: silicio.
� Otros materiales o elementos:
- Arseniuro de Galio
- Selenio de Germanio
- Telururo de Cadmio
- Diseleniuro de Cobre e Indio
- Antimonio de Indio
2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores
La teoría cuán1ca describe las diferencias entre conductores (metales) y semiconductores usando diagramas de bandas de energía.
2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores
DOPADO
El Silicio (4 electrones en la capa de valencia) dopado con Boro (3 atomos en la capa de valencia) crea un material 1po p con exedente de cargas posi1vas. Cuando se dopa con Fosforo (5 electrones en la capa de valencia), se crea un material 1po n con excedente de cargas nega1vas.
2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores
Células solares: Cons1tuidas por materiales semiconductores en los que, ar1ficialmente, se ha creado un campo eléctrico constante (mediante una unión p -‐ n). Son Diodos con una gran superficie expuesta al sol.
2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores
Las celdas fotovoltaicas están formadas generalmente por una juntura semiconductora P-‐N, como los diodos. La diferencia es que cuando la unión P-‐N se u1liza como generador fotovoltaico, el sen1do del flujo de los electrones es opuesto (de N a P) al flujo que se genera cuando el diodo se u1liza como un rec1ficador o como una válvula de una sola dirección (de P a N).
2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores
La corriente neta que circula por el exterior vendrá dada por la suma algebraica de las dos componentes de corriente (Corriente fotogenerada y corriente de diodo)
3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION
La forma de representación de una célula solar fotovoltaica adopta el convenio de signos de considerar posi1vas las corrientes de generación. Con este convenio, el primer cuadrante del plano I – V corresponde al funcionamiento de la célula entregando corriente a una carga bajo tensión posi1va, de esta forma, el disposi1vo opera como generador de energía.
3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION
De que depende la cantidad de electrones que se mueven dentro de la celda fotovoltaica ? ….
3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION
• La resistencia seria de la célula Rs, es una resistencia interna debida a factores como la resistencia del propio semiconductor con que se fabrica la célula.
• La resistencia paralelo Rp, aparece debido a imperfecciones en la calidad de la unión pn, y es responsable de la existencia de fugas de corriente.
3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION
CURVA DE POTENCIA. PUNTO DE MAXIMA POTENCIA
Para cada punto de la curva V – I se 1ene un valor de voltaje y corriente de trabajo.
3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION
FACTOR DE FORMA
EFICIENCIA DE CONVERSIÓN
• Cuan1ficador de la forma de la curva caracterís1ca (fill factor). • Nos da una idea de la calidad del disposi1vo. Mientras mas alto sea el
factor de llenado, mejor es la calidad del disposi1vo.
• Es el cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede entregar a la carga y la potencia de la radiación G incidente sobre el disposi1vo.
3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION
� IRRADIANCIA: 1000 W/m2
� DISTRIBUCION ESPECTRAL: AM 1,5
� INCIDENCIA NORMAL
� TEMPERATURA DE LA CELULA: 25⁰C
En estas condiciones se miden la potencia máxima que puede entregar el modulo (Pmax), la corriente de corto circuito (Icc), y la tensión de circuito abierto (Vac).
4. CONDICIONES DE MEDIDA ESTANDAR
• TONC. Temperatura de Operación Nominal de Célula. Esta se mide bajo condiciones de referencia de 800 W/m2, 20 grados de temperatura ambiente, velocidad de viento de 1m/s, circuito abierto, incidencia normal. Sus siglas en ingles son NOCT.
• COEFICIENTE DE TEMPERATURA PARA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO. Cambio de la corriente de cortocircuito de un disposi1vo por unidad de cambio de temperatura. α
• COEFICIENTE DE TEMPERATURA PARA LA TENSION A CIRCUITO ABIERTO. Variación de la tensión a circuito abierto por unidad de cambio de temperatura. Β
• COEFICIENTE DE VARIACION DE LA MAXIMA POTENCIA CON LA TEMPERATURA. Cambio de la máxima potencia por unidad de cambio de temperatura. γ
5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA. TEMPERATURA NOMINAL DE OPERACIÓN DE LA CELDA.
• Un modulo fotovoltaico es el conjunto más pequeño, completo medioambientalmente protegido, de células interconectadas.
• El 1empo de vida aproximado es de 25 años. • Tiempo ú1l determinado por la duración del
encapsulado que debe ser impermeable al agua y resis1r la fa1ga térmica y la abrasión
7. MODULO FOTOVOLTAICO
BIBLIOGRAFIA
1. Bayod Rújula. Ángel Antonio. Sistemas fotovoltaicos. Universidad de Zaragoza. España.
2. Ministerio de Minas y Energía. UPME. Mapa de radiación solar.
3. Interna1onal Energy Agency. IEA. Technology Roadmap. Smart Grids.
4. Cuaderno de aplicaciones técnicas. Plantas fotovoltaicas. ABB