El sistema fotovoltaico

Fundamentos sobre energía solarfotovoltaicaJosé Antonio Villarejo MañasDpto. Tecnología ElectrónicaJose.Villarejo@upct.es

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

Naturaleza de la luz solarRadio del sol 0,695·10 9 mTemp. Fotosfera 6000 ºCDistancia Tierra 1,496·10 11 m250020001500(w/m 2 )/μmDensidad energíaen la tierra(esperada)1000500SOLRts 1.49610 1100.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2λ en μm(w/m 2 )/μm2.5 . 10 82 . 10 81.5 . 10 81 . 10 85 . 10 7Radiación del cuerponegro a 6000kRf 2 /Rts 200.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2λ en μm

Naturaleza de la luz solarAM: Air MassθAM1cos( )AM 1.5 corresponde a θ=48.2ºhAM12(s/h)s

Naturaleza de la luz solarLongitud de onda de la luz

Naturaleza de la luz solarLongitud de onda de la luz

Naturaleza de la luz solarLongitud de onda de la luz

Naturaleza de la luz solarLongitud de onda de la luzN723985

Naturaleza de la luz solarRadiación sobre la superficie de la tierraDensidad energía esperada (cuerpo negro 6000K)Densidad energía fuera de la atmósfera AM0Densidad energía fuera de AM1.5*(w/m 2 )/μm250020001500100050000.5 1 1.5 2 2.5λ en μmAM “Air mass”*Radiación solar al nivel del mar a 40º latitud norte a medio día (AM 1.5)

Naturaleza de la luz solarRadiación sobre la superficie de la tierra(w/m 2 )/μm2500200015001594 W/m 21353 W/m 21000970 W/m 2 λ en μm50000.5 1 1.5 2 2.5Densidad energía esperada (cuerpo negro 6000K)Densidad energía fuera de la atmósfera AM0Densidad energía fuera de AM1.5*

Naturaleza de la luz solarAbsorción de la radiación por la atmósfera(w/m 2 )/μmAbsorción debida CO 225002000Densidad energía fuera de la atmósfera AM0Densidad energía fuera de AM1.5*1500100050000.5 1 1.5 2 2.5λ en μmAbsorción debida O 2 y H 2 OAbsorción debida al ozono (0,3μm)

Naturaleza de la luz solarRadiación Global= Directa + DifusaRadiación difusaRadiación directaRadiación difusa como consecuencia dela dispersión generada por las partículasde la atmósfera ~ 10% día claroRadiación difusa comoconsecuencia de la existenciade nubes

Naturaleza de la luz solar

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

Efecto FotoeléctricoEfecto fotoeléctrico

Fundamentos sobre SemiconductoresIntroducciónLa mayor parte de las células fotovoltaicas están construidas abase de semiconductores.Un semiconductor es un material cuyas propiedades eléctricasdependen de la temperatura o de la energía que incida sobre él.El comportamiento de los semiconductores se puede explicarmediante dos teorías:EnlacesTeoría de Bandas

Fundamentos sobre SemiconductoresMaterialesSemiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si)Compuestos IV: SiC y SiGeCompuestos III-V:Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSbTernarios: GaAsP, AlGaAsCuaternarios: InGaAsPCompuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTeSon materiales de conductividad intermedia entre la de los metales y la delos aislantes, que se modifica en gran medida por la temperatura, laexcitación óptica y las impurezas.

Fundamentos sobre SemiconductoresSemiconductores intrínsecosSiSiSi0 ºKSiSiSiSiSiNo hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que loselectrones de la banda de valencia no pueden saltar a labanda de conducción.Si

Fundamentos sobre SemiconductoresAl aumentar la temperatura se pueden romper enlacesSiSiSi300 ºKSiSiSi½ +½ +SiSiSi

Fundamentos sobre SemiconductoresAl romperse el enlace se genera un par electrón-huecoSiSiSi300 ºKSiSiSi½ +ELECTRÓN½ +HUECOSiSiSi

Fundamentos sobre SemiconductoresContinuamente se están generando pares E-HSiSiSi300 ºK½ +½ +GENERACIÓNSiSi½ +SiSi½ +SiGENERACIÓNSi

Fundamentos sobre SemiconductoresContinuamente se están recombinando pares E-HSiSiSiempre se están rompiendo(generación) y reconstruyendo(recombinación) enlaces. La vidamedia de un electrón puede ser delorden de milisegundos omicrosegundos. SiSiSi½ +½ +SiRecombinación300 ºK½ +Si½ +SiRecombinaciónSi

Fundamentos sobre Semiconductores-Movimiento de electrones dentro de un campo eléctrico+-SiSiSi+-+-+-SiSiSi+-+-SiSiSi+-+

Fundamentos sobre Semiconductores-Movimiento de huecos dentro de un campo eléctrico+-SiSiSi+-+-+-SiSiSi+-+-SiSiSi+-+

Fundamentos sobre Semiconductores--------Movimiento de cargas dentro de un campo eléctricoSiSiSiSiCorriente de electronesSiCorriente de huecosSiSiSiSi++++++++

Fundamentos sobre SemiconductoresSemiconductores extrínsecosSiSiSi0º KSiSiAlSiSiA 0ºK, habría una “falta de electrón”adicional ligado al átomo de AlSiSiIntroducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III

Fundamentos sobre SemiconductoresIntroducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo IIISiSiSi300º KSiSiAl -SiA 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al estáncubiertas con un electrón Si procedente Si de un átomo Si de Si, en el quese genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Si hay máshuecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.

Fundamentos sobre SemiconductoresSemiconductores extrínsecosSiSiSi0º KSiSiSbSiSiA 0ºK, habría un “electrón extra”adicional ligado al átomo de SbSiSiIntroducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo v

Fundamentos sobre SemiconductoresSiSiSi300º KSiSiSb +SiA 300ºK, todas los “excesos” de electrones de los átomos de Sbabandonan del átomo Si y generan Si un electrón “libre”. Si El Sb es undonador y en el Si hay más electrones que huecos. Es unsemiconductor tipo N.

Fundamentos sobre SemiconductoresEfecto de la luz sobre un semiconductorLos fotones pueden aumentar laenergía de los portadores igual que lohace la temperaturaSiSiSiSiSiSiSiSiSiAmperímetro0.00A

Fundamentos sobre SemiconductoresEfecto de la luz sobre un semiconductorVaría la resistenciaSiSiSiSiSiSiSiSiSiAmperímetro2.00A 1.00A

Fundamentos sobre SemiconductoresEfecto de la luz sobre un semiconductorVaría la resistencia¿Podría extraerse la energíade los fotones que incidensobre el semiconductor?SiSiSiSe necesitaría un campoSi Si Sieléctrico interno que“empujara” los portadoresen la dirección adecuadaSiAmperímetroSiSi2.00A 1.00A

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

La unión PNSilicio tipo P300ºK 0ºKGeneración térmicaAceptador Ionizado• Ambos son neutros• Compensación decargas e iones300ºK 0ºKGeneración térmicaAl AlAl AlAl AlAl AlAl AlAl AlAl AlAl AlAl AlAl AlSilicio tipo NSb Sb + Sb Sb + Sb+Sb+Sb+Donador IonizadoSb+Sb+Sb+Sb+Sb+

La unión PNCorrientes de difusiónSilicio tipo PAl-Al-Al-Al-Al-Al-Al-Al-Al-Al-Al igual que un gas en una habituación tiendo a ocupar todo el volumende la misma, los portadores en el cristal tienden a ocupar todo el volumendel cristal, por tanto se moverán hacia el lugar donde su“concentración” sea menor

La unión PNSilicio tipo PSilicio tipo NAl -Al - Al -Al - Al -Al -Al - Al -Sb +Sb+Sb +Sb+Sb+Sb+Sb+Sb+Barrera que impide la difusión¿Qué pasaría si no existiera labarrera que impide la difusión?

La unión PNSilicio tipo PSilicio tipo NAl - Al - Al - Al - Sb +Al - Al - Al - Al - Sb+Sb +Sb+Sb+Sb+Sb+Sb+-E+Aparece un campo eléctrico en la zona decontacto (unión metalúrgica) de las zonas

La unión PNSilicio tipo PSilicio tipo NAl - Al - Al - Al - Sb +Al - Al - Al - Al - Sb+Sb +Sb+Sb+Sb+Sb+Sb+-E+F d menor concentraciónFEqF e debida al campo E

La unión PNSilicio tipo PSilicio tipo NAl - Al - Al - Al - Sb +Al - Al - Al - Al - Sb+Sb +Sb+Sb+Sb+Sb+Sb+-E+F d menor concentraciónFEqF e debida al campo E

La unión PNSilicio tipo PSilicio tipo NAl - Al - Al - Al - Sb +Al - Al - Al - Al - Sb+Sb +Sb+Sb+Sb+Sb+Sb+-E+FEq

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

Funcionamiento de las CélulasSolaresEfectos de la luzContacto parte superiorcortocircuitofotóntipo Ntipo PFEqPar electrón-hueco (eh)Contacto parte inferior

Funcionamiento de las CélulasSolaresEfectos de la luzfotóntipo Ntipo PFEqNo todos los pares e-h son recolectados muchos se recombinan

Funcionamiento de las CélulasSolaresEfectos de la luzfotónSuperficie texturizadatipo Ntipo PFEqNo todos los fotones generan pares electrón-huecoREFLEXIONES

Funcionamiento de las CélulasSolaresRespuesta espectralNo todos los fotones generan pares electrón-huecofotónLa energía de un fotón depende de su frecuenciaVelocidad de la luzEfhConstante de Planck6,6261·10 -34 J·s cfEchLongitud de ondaLos fotones de mayor energía son los demayor frecuencia o de forma equivalentelos de menor longitud de onda

Funcionamiento de las CélulasSolaresEficiencia CuánticaEficiencia cuánticaLa eficiencia cuántica es una media de la corriente que segenera por cada fotón1.0Sólo los fotones que superendicha energía Eg serán útiles0.80.6QEtípicaQEidealGenerar un par e-h necesitauna energía Eg diferente paracada semiconductor0.40.20.0300 500 700 900 1100Longitud de onda en nm

Funcionamiento de las CélulasSolaresEficiencia CuánticaEficiencia cuánticaLa eficiencia cuántica es una media de la corriente que segenera por cada fotónEjemplo: Si1.0Eg=1,1 eV (*)0.8QEtípicaQEidealF1,1 qhelectrón14min 2,656·100.60.4 1120nm0.20.0300 500 700 900 1100Longitud de onda en nmEg será un factor muy importante en las prestacionesfinales de la célula(*) 1 eV= 1,602·10 -19 Julios

intensidad (mW/m 2 -mm)Funcionamiento de las CélulasSolares¿Cuál será en semiconductor más adecuado para construir unacélula solar?160Energía (eV)4.0 3.0 2.5 2.0 1.7 1.5 1.3 1.1 1.0 0.9180Si140120100Fotones utilizados8060Se utilizan muchos fotones de poca energía40200300 500 700 900 1100 1300 1500Longitud de onda (nm)

intensidad (mW/m 2 -mm)Funcionamiento de las CélulasSolares¿Cuál será en semiconductor más adecuado para construir unacélula solar?160Energía (eV)4.0 3.0 2.5 2.0 1.7 1.5 1.3 1.1 1.0 0.9180GaAs140120100Fotones utilizados8060Se utilizan menos fotones de más energía40200300 500 700 900 1100 1300 1500Longitud de onda (nm)

Funcionamiento de las CélulasSolaresintensidad (mW/m 2 -mm)Tipo-NTipo-PFrontal (1.9 eV gap)Tipo-NCell #2(1.4 eV gap)Tipo-PTipo-NCell #3(1.0 eV gap)Tipo-PTipo-NCell #4(0.6 eV gap)Tipo-PCargaSolución: Utilizar variascéluas con diferentes“gaps”-+-+-+-+180Cada célula atrapa la luzque deja pasar laanterior160140120100806040200300 500 700 900 1100 1300 1500Longitud de onda (nm)

Eficiencia de las células (%)Funcionamiento de las células solaresCélulas MonouniónBasadas en SiMateriales III-VOtrasSi y GaAs estánmuy cerca de suslímites teóricos353025201510Record para celulas (II-V) multiunión: 32%MonocristalinosGeSiCIGSeCISeInPGaAsCdTeCIGSSeCISCu 2 Sa-SiLímites teóricos sinconcentraciónCGSeCdS50.5 1.0 1.5 2.0 2.5Gap (eV)

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

Fuente defotocorrienteDiodoResistenciaparaleloCargaCircuito equivalente¿Donde se queda la energía?Resistenciaserie

Circuito equivalenteR SI cellI L I D+R PI RP V cellIcellILIDIRP-Fotones que inciden sobre la célulaFotocorrienteCoeficiente de absorciónEficiencia cuánticaPropiedades del semiconductor

Densidad de corriente (mA/cm 2 )Circuito equivalenteR SI cellI L I D+R PI RP V cellIcellILIDIRP-50403020100-20I en oscuridad-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6-10tensión (V)-30-40I cell iluminada-50

Densidad de corriente (mA/cm 2 )Circuito equivalenteR SI cellI L I D+R PI RP V cellIcellILIDIRP-50IDI0eqVn·K· T 140302010I en oscuridad0-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6-10-20tensión (V)-30-40I cell iluminada-50

Circuito equivalenteR SI cellI L I D+R PI RP V cellIcellILIDIRP-IcellILI0eq(VcellIcell·Rn·K· Ts)1 Vcell IRPcell·RS

Circuito equivalenteR SI cellI L I D+R PI RP V cellIcellILIDIRP-R PR S0-50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60-50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-10-15-20-25-30-3510 Ω20 Ω50 Ω100 Ω10 6 Ω-10-15-20-25-30-3520 Ω10 Ω5 Ω2 Ω0 Ω-40-40

Circuito equivalenteI cell [A]P cell [W]C. de cortocircuito I SCTensión de circuito652.5Punto de máximapotencia (MPP)241.532110.50 0.2 0.4 0.6Vcell [V]0abierto V OC

Circuito equivalenteI cell [A]6P cell [W]2.55V OC·I SC241.532111V mp·I mpFF=0.50.50.60 0.2 0.4 0.6Vcell [V]Vcell [V]00

Efectos de la temperaturaI cell [A]P cell [W]62.5580ºC20ºC241.532110.50 0.2 0.4 0.6Vcell [V]La temperatura reduce la tensión de circuito abierto yla potencia que se puede extraer de la célula

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

Interconexión de célulasLa tensión máxima de una célula de silicioes 600mV, para obtener una determinadatensión las células deberán conectarse enserieLa corriente de cortocircuito de una célulacon una radiación de 1kW/m 2 es de30mA/cm 2 . Para corrientes elevadastambién se conectarán en paralelo

Interconexión de célulasCaso IDEAL todas las células son idénticas1 2 32Una célula18I panel [A]I cell [A]P cell [W]62.55241.531210.50 0.2 0.4 0.6 0Vcell [V]P panel [W]303415129633·I SCcell 12·P cell2418124·V OCcell 60 0.8 1.6 2.40V panel [V]

Interconexión de célulasCaso REAL las células no son idénticasIII 1I 2+V-I SC21V OCV

Interconexión de célulasCaso REAL las células no son idénticas+IV 1-I SC+V OCVV 2-

Interconexión de célulasCaso REAL las células no son idénticasComo el panel está en cortocircuito no puededar energía a exteriorLa célula sombreada actúa como cargaLa energía generada en las células nosombreadas se disipará en la célulasombreadaSi existen muchas células podría destruirse lacélula sombreadaLos diodos de “by-pass” protegen las célulassombreadas de sobrecalentamientosCélula sombreada

Interconexión de célulasDiodos de “bypass”I CI L -I CSin sombras I C =I L no circulandocorriente por el diodo de bypassLa célula al sombrearse reduce sucorrienteEl desequilibrio de corriente circularápor el diodo, la célula no produciráenergía, consumiráI L

Interconexión de célulasCuando hay muchas células se poneun diodo de bypass por cada grupoSe pueden poner diodos en seriepara evitar circulaciones de corrientede un módulo a otroEl número de células real suele sermayor que el dibujado

Interconexión de célulasGeneradores fotovoltaicosEl panel plano y la asociación de varios paneles es la forma más habitual deformar un generador fotovoltaico¿Existen otras tipos de generadores?

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

Concentración Solar1 Sol = 1000W/m 2CorrientePotenciaP 1solTensión

Concentración Solar2x1 Sol = 2x1000W/m 2CorrientePotenciaP 2sol ≈2xP 1solP 1solTensión

Concentración SolarVentajas de la concentraciónAumentando la radiación solar, podemosobtener mayor energía con el mismotamaño de célulaDisminuyendo el número de células o sutamaño puede reducirse el coste de lainstalación para una misma potencia

Concentración Solar¿Cómo tener varios soles?1000 W/m 2 en un área “A”1000 A/A’ W/m 2 en un área “A’ ”

Concentración Solar¿Cómo tener varios soles?

Concentración SolarTipos de concentradoresClasificaciónÓptica Etapas Seguimiento•Lentes de Fresnel•Espejos•Combinaciones•Una Etapa•Dos Etapas•Un Eje•Dos EjesGran parte de esta tecnología ha sido “heredada” de la energía solartérmica de alta temperatura ( Hornos solares, centrales térmicas, etc).

Concentración SolarLentes de FresnelGrosor deseadoLente de FresnelClasificaciónÓptica•Lentes de Fresnel•Espejos•CombinacionesLente voluminosa, tienepérdidas y necesita grancantidad de materialLentes planas no afectan alos rayos perpendiculares

Concentración SolarLentes de FresnelMuy utilizadas en la industria tanto comocolimadores como concentradores.Como aplicación histórica ya que fueronel motivo de su descubrimiento debencitarse los faros.

Concentración SolarEspejosClasificaciónCanalEspejo parabólicoÓpticaCélula•Lentes de Fresnel•Espejos•CombinacionesCélula

Concentración SolarEspejosClasificaciónÓptica•Lentes de Fresnel•Espejos•CombinacionesCilindroparabólicos

Concentración SolarEspejosClasificaciónÓptica•Lentes de Fresnel•Espejos•CombinacionesParaboloides

Concentración SolarMixtosClasificaciónÓptica•Lentes de Fresnel•Espejos•CombinacionesCombinados

Concentración SolarMixtosClasificaciónEtapas•Una Etapa•Dos Etapas2 etapas (espejos+cpc)

Concentración SolarSeguimiento en un ejeClasificaciónSeguimiento•Un Eje•Dos EjesVálidos para concentraciones inferiores a x40Mediante el seguimiento de un eje no pueden seguirse los cambiosconsecuencia de la declinación de la tierra. Seguimiento diario

Concentración SolarSeguimiento en dos ejesClasificaciónSeguimiento•Un Eje•Dos EjesRecomendados para grandes concentracionesMediante el seguimiento con dos ejes apuntamos un punto en el espacio.El sistema estará perfectamente orientado en cualquier fecha del año.

Concentración SolarVentajas de la concentraciónClasificaciónSeguimiento•Un Eje•Dos EjesRecomendados para grandes concentracionesMediante el seguimiento con dos ejes apuntamos un punto en el espacio.El sistema estará perfectamente orientado en cualquier fecha del año.

Concentración SolarProblemas de los concentradoresSólo puede concentrarse la radiación directaEl seguimiento solarCélulas trabajando con mucha energíaCélulas bajo una gran radiación solar

Concentración SolarProblemas térmicosCorrienteLa eficiencia disminuye con latemperaturaLas células solares utilizadasen concentradores necesitaránsistemas auxiliares derefrigeración (disipadores)TensiónTemperaturafríocaliente

Concentración SolarProblemas con las sombrasNecesitamos “pistas”para “recoger” laelectricidadCuanto mayores seanlas pistas menosperdidas por resistenciaCuanto mayores seanlas pistas más pérdidaspor sombra

Concentración SolarProblemas con las sombrasModelo de una célulaIRpRsSi los contactos son muydelgados R S será muygrandeSi los contactos son muyanchos “I” será máspequeñaHay que llegar a un compromiso o buscar células especiales

Concentración SolarCélulas especialesCélula convencionalLos contactos causarángran cantidad depérdidas por sombra.

Concentración SolarCélulas especialesCélula contactos enterrados• Insertando los contactosen hendidurasrealizadas alsemiconductor sereduce el áreasombreada• Son más difíciles defabricar

Concentración SolarCélulas especialesCélulas con microlentes• Las microlentes desvíanlos rayos solares paraevitar que incidan sobrelos contactos• Hace de la célula un“pequeño” concentrador

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

El sol visto desde la tierraSolsticioveranoEquinoccioprimaveraSolsticioinviernoSolCorte perpendicular a la eclípticaPlano de la eclípticaEquinoccioOtoño

El sol visto desde la tierra23.5ºEje perpendicularal plano de laeclíptica23.5º“Rayos” solares paralelos a la eclípticaPlano de la eclípticaSolsticio de veranoSolsticio deinvierno

El sol visto desde la tierraSolsticioveranoEquinoccioprimaveraSolsticioinviernoSolCorte perpendiculara la eclípticaPlano de la eclípticaEquinoccioOtoño

El sol visto desde la tierra23.5º90ºEl sol forma un ángulo de 90º con el eje de giro de la tierra

El sol visto desde la tierraLos seguidores de un eje siguen el solen su movimiento diarioVerano (solsticio)T. CáncerT. Capricornio23.5ºPrimavera-Otoño(equinoccios)Invierno (solsticio)Un eje adicional permite seguir elmovimiento del sol con las estaciones

El sol visto desde la tierraVerano (solsticio)T. CáncerT. Capricorniolatitud23.5ºPrimavera-Otoño(equinoccios)Invierno (solsticio)

El sol visto desde la tierraPosición del sol a medio día solarVerano (solsticio)zenitPrimavera-Verano(equinoccio)δInvierno (solsticio)EstelatitudδNorteSurLatitud de Murcia: 37’5º NorteOeste

El sol visto desde la tierraEl sol durante los equinociosEl eje de giro forma un ángulode 90º con la posición del solT. CáncerT. CapricorniolatitudEquinocciosEl sol sale exactamente por eleste y se esconderá tambiénexactamente por el oeste

El sol visto desde la tierraEl sol durante los equinociosGiro de latierrazenitPrimavera-Verano(equinoccio)Estelatitud90ºNorteSurLatitud de Murcia: 37’5º NorteOeste

El sol visto desde la tierraEl sol durante los solsticiosT. CáncerlatitudVerano (solsticio)23.5ºLos ejes de rotación no sonperpendiculares a la posición delsolT. Capricornio23.5ºEl sol no sale exactamente por eleste y ni se esconderáexactamente por el oesteInvierno (solsticio)

El sol visto desde la tierraEl sol durante el solsticio de inviernoGiro de latierrazenitInvierno (solsticio)Estelatitudδ90ºNorteSurOeste

El sol visto desde la tierraInclinación de los panelesDependerá de la aplicaciónVeranozenitδPrimavera-Verano(equinoccio)InviernoDiciembreEstelatitudδJunioLatitud +10NorteSurLatitud - 20AnualLatitud - 10Oeste

Contenido1. Naturaleza de la luz solar2. Efecto Fotoeléctrico3. Fundamentos sobre semiconductores4. La unión PN5. Funcionamiento de las células solares6. Circuito equivalente de una célula solar7. Interconexión de células8. Concentración Solar9. El sol visto desde la tierra10.El sistema fotovoltaico

El sistema fotovoltaicoConstitución general de un sistema fotovoltaicoGeneradorfotovoltaicoAcondicionamientoDePotenciaCargas CACargas CCRedGeneradorauxiliarAcumuladores

El sistema fotovoltaicoConstitución general de un sistema fotovoltaico No todos los elementos tienen que existir en unainstalación:• En una instalación conectada a red solo existen el generador y elacondicionamiento de potencia• En una instalación aislada normalmente no exista la red como carga Los equipos mencionados son tecnologías maduras, bienconocidas, sin embargo suelen ser los responsables delos fallos de las instalaciones. Los paneles fallan en rarasocasiones Las condiciones de operación que imponen el sistemafotovoltaico no son tenidas en cuenta en los diseñoshaciendo fallar las instalaciones

El sistema fotovoltaicoGenerador auxiliarGeneradorfotovoltaicoCargas CAAcondicionamiento ComplementaDeal fotovoltaico Cargas en CC losmomentosPotenciade insuficiente radiaciónRed Con frecuencia está constituido por ungrupo termoeléctrico alimentado pordiesel o gasolinaGeneradorauxiliarAcumuladores

El sistema fotovoltaicoAcumuladoresCargas CA Adapta los diferentes Acondicionamientoritmos de producción y de demandaGeneradorDeCargas CC En la mayoría de losfotovoltaicoPotenciasistemas está constituido por unacumulador electroquímico, o batería, de plomo ácidoRed Con menor frecuencia se utilizan baterías Niquel-Cadmio. En ocasiones se almacena el producto final “bombeo”GeneradorauxiliarAcumuladores

El sistema fotovoltaicoCargas Equipos de corriente continua:iluminación, enlaces Acondicionamiento detelecomunicaciones, Generadorelectrónica fotovoltaico en general.alimentación DePotenciade Equipos de alterna: motores eléctricos,iluminación, etc. Las instalaciones conectadas a red sebasan en la probabilidad de que alguienesté consumiendo la energía que se estáinyectando en ese instanteGeneradorauxiliarAcumuladoresCargas CACargas CCRed

El sistema fotovoltaicoAcondicionamiento de Potencia Actúan como interfaces entre consumidores yproductores. Realizan tareas de control y protección. Suelen ser equipos de electrónica de potencia.Reguladores de Carga, convertidores CC/CC yconvertidores CC/CA

La bateríaNecesidad de almacenar energíaNaturaleza variable de la radiación solar Variación día-noche Variación duración de los días (estaciones) Variación debida a condiciones atmosféricas: nubesObjetivo del acumulador Almacenar energía cuando la producción fotovoltaicaexcede a la demanda, para utilizarla en la situacióncontraria Incluso con la radiación máxima pueden existir picos decarga que superen la generación

La bateríaPosibles sistemas de almacenaje de energíaPosibles acumuladores de energía Volantes de inercia (Energía Cinética) Depósitos de agua (Energía Potencial) Energía electroquímica: Baterías Otros: pilas de combustible, supercondensadores, etc.¿Por qué baterías? Tamaño de las instalaciones Disponibilidad en el mercado:Niquel-CadmioBaterías plomo-ácido y

Acondicionamiento de potenciaDiodos de Bloque

Acondicionamiento de potenciaDiodos de BloqueEVITA LA DESCARGADE LA BATERÍA

Acondicionamiento de potenciaObjetivoReguladores de CargaProtegen las baterías contra descargas profundas y sobre cargasRegulador de Carga SerieCargas

Acondicionamiento de potenciaObjetivoReguladores de CargaProtegen las baterías contra descargas profundas y sobre cargasRegulador de Carga SerieCargas

Acondicionamiento de potenciaObjetivoReguladores de CargaProtegen las baterías contra descargas profundas y sobre cargasRegulador de Carga ParaleloCargas

Acondicionamiento de potenciaObjetivoConvertidores CC/CCPueden formar parte del regulador de carga como adaptador de impedancias,o modificar la tensión para adecuarla a su uso. Ejemplo: entrada de losinversores, alimentación a distintas tensiones, etc.ConvertidorCC/CA

Acondicionamiento de potenciaAdaptador de impedanciasI[A]654.5A4350W108W2124V0 10 20 30P cell [W]1251007550250V gen [V]12VLa potencia vendrá impuesta porla tensión de la batería

Acondicionamiento de potenciaAdaptador de impedanciasI[A]654.5A4350W108W2124V0 10 20 30P cell [W]1251007550250V gen [V]V OUT =V IN·dV IN dV OUTd=0,512VV IN =24VSe extrae la máxima potencia

Acondicionamiento de potenciaInversoresFuente de tensiónGENERADORDCACFuente de corrienteDCAC¡No funcionan igual!

Acondicionamiento de potenciaInversores: Trabajando como fuente de tensiónSuministra energía según demandaEl generador solar actúa comocargador de bateríasDCACNormalmente alimentado desdebateríasPueden utilizarse inversores depropósito general

Acondicionamiento de potenciaInversores: Trabajando como fuente de corrienteLa tensión de salida del inversor laimpone la redEl controlador del inversor regularála cantidad de corriente “inyectada”DCACSe buscará obtener el mayorrendimiento posible del sistemafotovoltaicoDeben incluir: Seguimiento delpunto de máxima potencia,protección por funcionamiento enisla

Acondicionamiento de potenciaInversores: Seguimiento del punto de máxima potencaCaracterística I-VFuncionamiento óptimoPotenciaPunto defuncionamiento noóptimo

Acondicionamiento de potenciaInversores: Seguimiento del punto de máxima potencaCaracterística I-VEnergía perdidaPotencia

Acondicionamiento de potenciaTipos de inversoresInversores para conexión redNo autónomosAutónomos—Conmutados a frecuencia de Red—Construidos con tiristores—Necesitan la Red para funcionar—Inyección de armónicos elevada—No es una solución habitual

Acondicionamiento de potenciaTipos de inversoresInversores para conexión redNo autónomosAutónomos— Funcionan con transistores— Podrían funcionan en ausencia dered— Buena calidad de la corriente desalida en los conmutados a altafrecuencia— Son la solución más utilizada

Acondicionamiento de potenciaTipos de inversoresInversores para conexión redNo autónomosAutónomosFILTROEMIFILTROEMII/V Control DC/AC PWMV/I/fTransformador de baja frecuencia

Acondicionamiento de potenciaTipos de inversoresInversores para conexión redNo autónomosAutónomosFILTROEMIFILTROEMII/V Control del inversor DC/DC PWM+DC/AC NoAutonomoV/I/fTransformador de alta frecuencia

Otras aplicacionesSeñalización marina

Otras aplicacionesVehículos solares

Otras aplicacionesAviones solares

Otras aplicacionesVehículos espaciales