Sin t

1
UNAM
PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN Y TECNOLOGÍAS
FOTOVOLTAICAS
EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de
Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal
34 62580 Temixco, Morelos Tel [phone]
e-mail asj_at_mazatl.cie.unam.mx
Sandia National Laboratories
2
Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio
anual Captador Horizontal
Unidades de Hora-Pico 1 H-Pico 1,000 W-hr/m2
3
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.
UNAM
El concepto de EFICIENCIA
? Ps / Pe
POTENCIA ENTRADA
CELDA SOLAR
POTENCIA SALIDA
4
EN DONDE SE LLEVA A CABO DICHO EFECTO? EN
UNIONES ENTRE MATERIALES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y
GASES.
UNAM
MÁXIMAS EFICIENCIAS EN SÓLIDOS SEMICONDUCTORES,
COMO EL SILICIO, ARSENURO DE GALIO TELURO DE
CADMIO, SELENURO DECOBRE/INDIO.
MONOCRISTAL, POLICRISTAL
SILICIO
GRUESOS
SILICIO
SEMICONDUCTORES
AMORFO
GaAS
DELGADOS
MONOCRISTAL, POLICRISTAL
CdTe
CuInSe2
5
RESEÑA HISTORICA DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
UNAM
.
PROGRESO DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA
1839
Descubrimiento del Efecto Fotovoltaico por
E.Becquerel
1870s
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 la
generación de electricidad.
1970s
La crisis mundial petrolera y el aumento en los
costos de la energía propiciaron el
interés 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
usd
usd 10-
usd 7-
usd 1-2/Watt..?
2,000/Watt
100/Watt
12/Watt
9/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
6
UNAM
ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA
Diseño en homounión
Estatus
Silicio monocristalino (gruesa)
TIPO DE
Disponible comercialmente
Silicio policristalino (gruesa)
TECNOLOGÍA
Silicio amorfo (película delgada)
Películas delgadas monocristalinas
Aplicación espacial
Arsenuro de Galio (GaAs)
Diseño en Heterounión
Estatus
Películas delgadas policristalinas
TIPO DE
Cobre-Indio-Diselenio
Disponibles comercialmente
TECNOLOGÍA
Telenuro de Cadmio
Diseño de unión múltiple
Estatus
a-SiC/a-Si/a-SiGe a-SiC/a-Si
Disponible comercialmente
TIPO DE
a-Si/a-SiGe a-Si/poli-Si
Bajo Desarrollo
TECNOLOGÍA
Aplicación espacial
a-Si/CuInSe GaAs/GaSb
Disponible comercialmente
Módulos Planos
CONFIGURACIÓN
DE MÓDULOS
Módulos con concentrador
Disponible comercialmente
7
(No Transcript)
8
(No Transcript)
9
LABORATORIO DE PRUEBAS EN ARIZONA
Módulos de concentración
Módulos de silicio amorfo
Módulos de concentración
10
LUZ SOLAR
UNAM
Voltaje fotogenerado
Corriente eléctrica fotogenerada
11
UNAM
FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA SOLAR
UNAM
Voltaje medible
LUZ SOLAR
0.6
Acumulación de electrones
Acumulación de huecos
12
UNAM
PROCEDIMIENTO PARA MEDIR Vca e Icc DE UNA CELDA
SOLAR
13
UNAM
DIAGRAMA PARA MEDIR Iop y Vop DE UNA
CARGA
APERÍMETRO (Impedancia0)
POTENCIA LUMINOSA ( Pi )
VOLTÍMETRO Vop 0.54 volts
2.5
0.54
(-)
Area 100 cm2
()
Iop 2.5 A
Carga
I
Icc
PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Pm Im Vm
I1
Im
Rectángulo de Area Máxima
I2
Vca
V
v1
v2
Vm
14
Comportamiento eléctrico de una celda solar
15
PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE UNA CELDA SOLAR
I
UNAM
ICC
PM
VOLTAJE A CIRCUITO ABIERTO VCA MÁXIMO VOLTAJE
GENERADO POR LA CELDA.
IM
CORRIENTE A CORTO CIRCUITO I CC MÁXIMA CORRIENTE
GENERADA POR LA CELDA.


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

VCA
VM







16
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
17
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-p HETEROUNIONES Histórica CdS tipo-n / CuxS
tipo-p BARRERA SCHOTTKY Unión rectificadora
metal/semiconductor UNION M/I/S Unión
rectificadora metal/aislante/semiconductor. UNION
S/I/S Unión rectificadora semicond/aislante/semi
cond. Celda típica
SILICIO AMORFO
UNAM
18
(No Transcript)
19
Origen de la Celda Solar de Silicio
UNAM
20
Celdas Solares
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
21
CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO
POLICRISTAL
MONOCRISTAL
22
CARACTERISTICAS Valores típicos a 1kW/m2 y 25C
DIMENSIONES mm
1 Celda 101 x 101
½ Celda 101 x 50.5
¼ Celda 50.5 x 50. 5
23
(No Transcript)
24
(No Transcript)
25
(No Transcript)
26
Módulos Fotovoltaicos

UNAM
Interconexión de celdas FV.
Sección de un Módulo Fotovoltaico
27
Sección de un Módulo Fotovoltaico
Sello de goma Vidrio Celda Solar Estructura
28
Construcción de un módulo Fotovoltaico
Celda Solar
P
1 .5 W

Ensamble del marco
Módulo
Fotovoltaico
P

40 W
gt
Laminado
Conexión entre celdas
29
Información Técnica que deben tener los Módulos
Caja de Conecciones
STC _at_ 1000 Wm2 - AM 1.5 - T
25ºC
CELL
P
64.5 W
MAX
MODEL TYPE
MSX64
V
21.4 V
OC
MAX. SYS. OPER. VOLT.
I
4.02 A
600 V
SC
MIN. BYPASS DIODE IF
V
5 A
PMAX
17.2 V
I
5 A
3.75 A
SERIES FUSE
PMAX
AT 800 W/m2 - AM 1.5 - T
49ºC
CELL
P
46.7 W
WILL PRODUCE
PMAX
I
3.06 A
w
PMAX
630 Solarex Court
Frederick, MD,21701, USA
30
Módulos Fotovoltaicos
UNAM
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 circuito
Im Corriente de Operación
Vm Voltaje de Operación
Vca Voltaje a circuito Abierto
Pmax potencia maxima
31

Módulo Fotovoltaico
UNAM
Modulo de Silicio Monocristalino
Modelo SP75 (PC-J4)
Marca SIEMENS
Características Eléctricas STC 1000 W/m2 25ºC
Vca
21.7 V
Vm
17 V
Pmax 75 W
4.8A
4.4 A
Icc
Im
Características Físicas
36
Nº de Celdas
120.1 cm
52.8 cm
Largo
Ancho
Espesor
3.4 cm
peso
5.8 Kg
32
Modulos Fotovoltaicos
Voltaje, Corriente y Potencia Generados
Sol
(-)
APERÍMETRO
VOLTÍMETRO
(Impedancia0)
volts
()

3.0
15.8
Iop 3.0 A
Carga
I
Modulo FV. SIMENS PCJ4
33
Curva de rendimiento (I VS V)
Define todos los puntos de operación
MÓDULO DE 55 W-p AM1.5 1000 W/m2 25ºC.
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
34
Parámetros de un Módulo Fotovoltaico
UNAM
35
Eficiencia del Módulo
UNAM
Donde
? Eficiencia del Módulo
Pm Potencia maxima
Pm ? ----------------
Pi x Aa
Pi potencia incidente 1000 W/m2
Aa Superficie del Modulo, Largo
x Ancho m2
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
36
CURVAS I-V (IRRADIANCIA)
CURVAS I-V (TEMPERATURA)
37
(No Transcript)
38
UNAM
Efecto de la temperatura de operación del módulo
sobre las características eléctricas
Relación empírica Tm 20.4 1.2 Ta Ta
temperatura ambiente en ºC. Si Ta34ºC, Tm62ºC
39
Valores típicos de funcionamiento a 1kW/m2
40
Efecto de sombreado sobre Módulos FV
Módulo con una celda Sombreada
41
Efecto de sombreado sobre Módulos FV
Módulo con tres celdas Sombreadas
I amp
Celdas Fv sin Sombrear
Celdas Fv 25 Sombreadas
3. 0
Celdas Fv 50 Sombreadas
Celdas Fv 75 Sombreadas
2. 0
Celdas Fv 100 Sombreadas
1. 0
V
0 5 10 15
20 25
42
EFICIENCIA EN CELDAS SOLARES COMERCIALES
DE SILICIO PARA APLICACIÓN TERRESTRE
UNAM
Módulo con 15 eficiencia
Generación de 150 Watts
1,000 Watts
Superficie de 1m x 1 m
43
Módulos Fotovoltaicos Conexiones Serie -
Paralelo
UNAM
Conexión Paralelo AUMENTO DE CORRIENTE Tres
módulos Conectados en paralelo
Conexión Serie AUMENTA EL VOLTAJE Tres módulos
Conectados en serie
12 V
9 amp
36 V
12 V
12 V
12 V
Diodo de bloqueo
Diodo de paso
Diodo de bloqueo
24 V
12 Volts
36 Volts
12 V
0 V
44
(No Transcript)
45
(No Transcript)
46
Inclinación del Arreglo FV .

• MÁXIMA GENERACION RAYOS PERPENDICULARES
• AL
  ARREGLO.
• ES NECESARIO SEGUIDOR SOLAR CON 2 MOVIMIENTOS
• SE PUEDEN TENER ARREGLOS FIJOS Y MÓVILES

EN ARREGLOS FIJOS IMPLICA UTILIZAR UN CRITERIO
DE SELECCIÓN PARA ÁNGULO DE INCLINACIÓN QUE
GARANTICE MÁXIMA GENERACIÓN.
SUR
REGLA DE MANO GENERACIÓN ANUAL MÁXIMA,
INCLINCACIÓN
IGUAL A LA LATITUD DEL LUGAR. PARA ABREVADEROS
LA INCLINACIÓN DEBE GARANTIZAR LA
MÁXIMA GENERACIÓN DE ENERGÍA (MÁX. PROD. DE AGUA)
EN EL MES CON MAYOR DEMANDA DE AGUA (EPOCA DE
ESTIAJE)
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.
47
Energía Eléctrica generada por Módulos
Fotovoltaicos
48
Estimación de la energía generada por un arreglo
Fotovoltaico
Módulo Fotovoltaico Irradiancia 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
49
Términos empleados en Sistemas Fotovoltaicos
Celda Solar
P
1 .5 W

Módulo FV.
Arreglo Fotovoltaico
Panel FV
50
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FV
UNAM
51
REEPLAZANDO TECNOLOGÍA
52
Sistemas Fotovoltaicos Diagrama de conexión
directa
UNAM
Arreglo Fotovoltaico
Sol
Tableros de distribución o carga de Corriente
Directa (CD)
Sistema de Generación de Energía Eléctrica
53
Sistemas Fotovoltaicos Diagrama con controlador
de carga
UNAM
54
Sistemas Fotovoltaicos Diagrama Con Sistema de
Almacenamiento
UNAM
55
Sistemas Fotovoltaicos Diagrama típico de un
Sistema
UNAM
56
Sistemas Fotovoltaicos Diagrama típico,
alimentando cargas de CD y CA
UNAM
Tableros de distribución de carga en Corriente
Directa (CD)
Arreglo Fotovoltaico
Sol
Tableros de distribución de carga en Corriente
Alterna (CA)
Controlador de Carga

Sistema de Control de Energía
Sistema de Generación de Energía Eléctrica
DC AC
Banco de Baterías
Inversor
Sistema de Almacenamiento de Energía
Sistema de Acondicionamiento De Energía