Reporte_de_pr_cticas_UDG_CUCEI

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Universidad de Guadalajara
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS
Reporte 3. Construcción de paneles fotovoltaicos.
Johana Yaredt Arredondo Garay [218340275]
Sofia Alejandra Martinez Ramirez [214130217]
Ingeniería Fotónica | Sistemas de Conversión de Energía
16 de junio de 2021
Resumen
Es notable actualmente el crecimiento de las instalaciones fotovoltaicas en Europa, Norte América
y otras regiones del mundo. Los datos estadísticos recientes demuestran un mercado progresivo de
instalaciones cuyos paneles solares forman parte de la estructura física en las edificaciones (paredes,
techos, pasillos, balcones, etc.). También se ha incrementado su aplicación como fuente de energía en
sitios rurales desprovistos del servicio de energía eléctrica. Las aplicaciones de los sistemas con paneles
fotovoltaicos son diversas: suministro de energía para viviendas, accionamientos de bombas centrífugas,
sistemas de telemetría, satélites espaciales, centrales fotovoltaicas con conexión a la red eléctrica, etc. En
la mayoría de las aplicaciones comentadas anteriormente no es posible disponer de la energía necesaria
para satisfacer la demanda de la carga cuando se cuenta con una única celda fotovoltaica, razón por la
cual en este trabajo se desarrolla un modelo sencillo de celda fotovoltaica.
I. Interconexión de celdas
fotovoltaicas.
La interconexión de los sistemas de generación
fotovoltaicos dispersos con la red eléctrica debe ser
en todo momento segura para los equipos y las
personas en ambos lados del punto de conexión.
Así mismo, el sistemas fotovoltaico no debe causar
perturbaciones indeseables en la red de distribución.
A continuación se describen las características
técnicas que deben cubrir los SFVI de hasta 30 kWp
para su conexión a la red.
I. Configuración Eléctrica
Las dos configuraciones típicas factibles para
la instalación de SFV (Sistema Fotovoltaico) de
hasta 30 kWp interconectados con la red eléctrica
de distribución; enfocadas básicamente al GFV
(Generador Fotovoltaico) son:
a) GFV aterrizado.
b) GFV flotante.
Ambos modos de operación involucran ventajas y
desventajas en su aplicación. Sin embargo, cuando
los sistemas están diseñados adecuadamente pueden
operar de manera segura y eficiente con cualquiera
de las dos configuraciones.
En esta especificación se establecen las
características generales de cada configuración
eléctrica.
Figura 1: Módulo, rama y arreglo fotovoltaico
1
ROBERTO CARLOS BARRAGÁN CAMPOS
Lo que han puesto en todos los reportes es una introducción, no un resumen.
Figura 2: Diagrama de bloques de un SFVI
Los diagramas de las figuras 1 Y 2 muestran
SFVI en los que la salida de c.d. del GFV es de
dos hilos; sin embargo, en ambos casos es posible
una configuración con derivación central, es decir
con salida de c.d. a tres hilos (positivo, negativo y
neutro).
I.1. GFV aterrizado
La figura 1 muestra el diagrama eléctrico de
un SFVI donde el circuito de salida del GFV se
encuentra conectado a tierra.
I.2. GFV flotante
En la figura 2 se muestra el diagrama eléctrico
de un SFVI en el que el circuito de salida del
arreglo FV opera en modo flotante. Un número de
variantes a este circuito es posible, particularmente
la utilización de un monitor de aislamiento no es
indispensable. Es posible el uso de fusibles como
dispositivos de sobrecorriente.
I.3. Punto de Interconexión
El SFVI debe conectarse del lado de la carga,
preferentemente en el interruptor general de servicio
del inmueble.
Es posible conectar la salida del SFVI en otro
punto del sistema eléctrico del inmueble cuando el
SFV se encuentre a una distancia considerable del
interruptor general de servicio, siempre y cuando se
cumpla lo siguiente:
a) La suma de las capacidades de los dispositivos
de sobrecorriente de los circuitos que alimenta un
bus o conductor no debe exceder de 120 por ciento
de la capacidad de transporte de corriente del bus
o conductor.
b) Todos los interruptores que van a ser alimentados
con corriente en ambos sentidos dentro del sistema
eléctrico deben estar especificados para operación
bidireccional.
I.4. Tensión de Interconexión
La conexión eléctrica del SFVI se debe
realizar en la red de distribución de baja tensión,
dependiendo de la tensión de servicio.
Las tensiones de distribución para servicio
doméstico son 127 V para sistemas monofásicos
a 2 hilos; 120 V/240 V para sistemas monofásicos a
3 hilos y 220 V/127 V para sistemas trifásicos de 4
hilos
I.5. Número de Fases
El número de fases en la salida del subsistema de
acondicionamiento de potencia del SFVI depende
de las características de la carga del usuario y por
consecuencia, del servicio que se proporcione al
usuario.
Normalmente se proporciona un servicio monofásico
a 2 hilos a consumidores no mayores de 5 kW;
servicio monofásico a 3 hilos o bifásico a 3 hilos a
consumidores entre los 5 kW y 10 kW y servicio
trifásico a consumidores mayores de 10 kW.
I.6. Transformador de Interconexión
La interconexión del SFV con la red de
distribución se debe realizar mediante un
transformador que garantice el aislamiento
galvánico del SFVI, independientemente de la
configuración del GFV
Si el diseño del inversor incluye un transformador
(como es el caso de los inversores de alta frecuencia),
no es necesario un transformador externo para
proveer aislamiento eléctrico con la red.
2
II. Partes de un panel fotovoltaico.
Figura 3: Panel Fotovoltaico
-Cubierta frontal
-Capas encapsuladas
-Marco de apoyo
-Protección posterior
-Caja de conexiones eléctricas
-Células fotovoltaicas
La parte mas importante de un módulo fotovoltaico
es el conjunto de células fotovoltaicas que son las
encargadas de la transformación de la radiación
solar en energía eléctrica. El resto de elementos que
forman parte de un panel solar tienen la función de
proteger y dar firmeza y funcionalidad al conjunto.
I. Cubierta frontal
La cubierta frontal del panel fotovoltaico tiene
una función principalmente protectora ya que sufre
la acción de los agentes atmosféricos. Se utiliza
el vidrio templado con bajo contenido en hierro,
ya que presenta una buena protección contra los
impactos y es muy buen transmisor de la radiación
solar.
Es necesario la presencia de la cubierta para
proteger las células fotovoltaicas, dependiendo de
la calidad del cristal protector puede hacer bajar el
rendimiento del panel solar.
I.1. Capas encapsuladas
Las capas encapsades son las encargadas de
proteger las células solares y sus contactos. Los
materiales empleados (etil-vinil-acetileno o EVA)
proporcionan una excelente transmisión a la
radiación solar, así como una nula degradación
frente las radiaciones ultravioletas.
El EVA es un copolímero termoplástico de
etileno y acetato de vinilo, que actúa como aislante
térmico y transparente para dejar pasar los rayos
solares hasta las células fotovoltaicas. Aporta
cohesión al conjunto del panel al rellenar el volumen
existente entre las cubiertas frontal y trasera,
amortiguando así las vibraciones e impactos que
se pueden producir.
Los problemas más importantes que presentan
los copolímeros como la EVA son su excesiva
plasticidad (cuando se estiran, no recuperan su
posición original), gran adherencia al polvo, lo que
provoca una disminución en la transmisividad a
la radiación solar, y su baja vida útil, que suele
condicionar la vida útil de todo el módulo.
Otras características que presentan estos
copolímeros son:
-Buena resistencia al clima ya los agentes químicos.
-Baja absorción de agua
-Fácil de pegar
-Fácil de cortar
-No es tóxicoreciclable
I.2. Marco de apoyo
El marco de apoyo es la parte que da robustez
mecánica al conjunto. El marco de apoyo de un
panel solar permite su inserción en estructuras que
agruparán a módulos.
El marco, normalmente, es de aluminio aunque
también puede ser de otros materiales. De todos
modos, es importante que se construya con un
material resistente a las diferentes situaciones
climatológicas.
I.3. Protección posterior
Su misión de la protección posterior del
panel fotovoltaico consiste,fundamentalmente, en
proteger contra los agentes atmosféricos, ejerciendo
una barrera infranqueable contra la humedad.
3
Normalmente, se utilizan materiales 24 acrílicos,
Tedlar o EVA. A menudo son de color blanco, ya
que esto favorece el rendimiento del panel debido al
reflejo que produce en las células.
I.4. Caja de conexiones eléctricas
De la caja de conexiones eléctricas salen dos
cables, uno positivo y el otro negativo. Es el lugar
por donde se da una continuidad en el circuito
eléctrico.
Algunos módulos fotovoltaicos tienen una toma
de tierra, que deberá utilizarse en instalaciones de
potencia elevada.
I.5. Células fotovoltaicas
Las células fotovoltaicas son los elementos más
importantes del panel fotovoltaico. Se trata de unos
dispositivos semiconductores capaces de generar
electricidad a partir de la radiación solar.
III. Circuitos internos de un panel
FV.
A continuación se describen en detalle las
expresiones matemáticas que caracterizan el
circuito.
Figura 4
El valor de la máxima intensidad solar
producida se ajusta en función al número de celdas
en paralelo según la relación:
Figura 5
El componente D23 simula el diodo en
antiparalelo de la celda, al cual, conjuntamente
con la resistencia paralelo R2, se le aplica una
polarización a través de una fuente de voltaje
controlada por voltaje, E2. Esta fuente produce
en la resistencia R2 un voltaje determinado por la
expresión:
Figura 6
donde: VIN+- VIN-: voltaje de entrada de la
fuente dependiente E2, que depende de la intensidad
solar Kfactor (0<Kfactor <1): se utiliza para
hacer ajustes de la curva de datos comerciales de
la tensión a circuito abierto y la intensidad de
cortocircuito. Nserie: grupo de paneles fotovoltaicos
colocados en serie. La resistencia equivalente
conectada en paralelo es:
Figura 7
La fuente de corriente dependiente IE2 genera la
corriente equivalente al circuito paralelo de la celda,
igual a:
Figura 8
Considerando la fuente de entrada I1 constante
al valor determinado por el factor indicado en la
Figura 2, se puede determinar la corriente generada
por la celda fotovoltaica como:
Figura 9
El voltaje generado en los terminales de salida
es:
4
Figura 10
Examinando las dos últimas ecuaciones se puede
apreciar que el parámetro Kfactor es determinante
en la corriente de cortocircuito y en el voltaje a
circuito abierto de la celda fotovoltaica.
IV. Tipos de paneles FV según el
número de celdas y características
eléctricas.
En el mercado actual podemos encontrar estos
tres tipos de paneles fotovoltaicos: Monocristalinos,
Policristalinos y Amorfos. Los primeros se fabrican
a partir del silicio puro fundido y dopado con
boro. Los Policristalinos se fabrican de la misma
forma que los monocristalinos, pero disminuyendo
el número de fases de cristalización. Los paneles
de capa fina sin embargo, se producen de forma
diferente, depositando en forma de lámina delgada
sobre un sustrato como vidrio o plástico.
.1. Paneles Monocristalinos
Los paneles monocristalinos tienen una
eficiencia mayor que los policristalinos (en
condiciones STC). Su rendimiento de laboratorio es
cercano al 24%, y su rendimiento comercial oscila
entre 17 y el 20%. Este es un factor importante
cuando no disponemos de mucha superficie para
instalar paneles, ya que así podemos conseguir
mayor potencia con el mismo espacio. Su vida
útil también suele ser mayor que la de los paneles
Policristalinos y generalmente se comportan mejor
con radiación difusa. Estos factores hacen que su
precio sea ligeramente superior a los policristalinos.
.2. Paneles Policristalinos
Los paneles Policristalinos tienen un
rendimiento de laboratorio cercano al 19%, y su
rendimiento comercial oscila entre 13 y el 15%. A
pesar de tener un rendimiento menor, los paneles
policristalinos tienen un menor precio que los
monocristalinos y un mejor comportamiento a altas
temperaturas, con lo que bajo estas condiciones
pueden generar más energía que el resto de paneles.
.3. Paneles de Capa Fina
Los paneles de capa fina (thin film)
generalmente tienen un rendimiento de laboratorio
cercano al 13%, y su rendimiento comercial
oscila entre 7 y el 9%.. Estos paneles se crearon
básicamente para reducir costos de producción y
salir de la posible escasez de silicio, haciendo que se
empezara a investigar en celdas de otros materiales.
Por lo tanto, una de sus principales ventajas, es que
a pesar de necesitar mayor espacio para generar
la misma energía que los paneles policristalinos o
monocristalinos, su precio es mucho menor y muy
atractivo. Además, tienen un buen comportamiento
a temperaturas altas, y su aspecto estético es muy
atractivo, lo que hace que se usen constantemente
en aplicaciones para arquitectura.
Los paneles de capa fina más importantes son
los de capa fina de cobre, indio y selenio (CIS) o
de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) y por último
los paneles de capa fina a base de cadmio y telurio
(CdTe).
Actualmente existe un importante aumento de
demanda de paneles de capa fina transparentes y
semi-transparentes debido a la atractiva integración
arquitectónica en fachadas. Estos paneles también
están disponibles en diferentes colores, lo que
aumentan enormemente sus posibilidades de
integración en diferentes ubicaciones.
V. Pérdidas por acoplamiento o
desajustes eléctricos.
La pérdida de acoplamiento es un término
utilizado para describir cualquier pérdida de
potencial de energía a través de una articulación
física en dos conductores. Cualquier pérdida de
acoplamiento se expresa en términos de la unidad
de medida de la fuente de energía original.
VI. Resistencia característica de
módulos fotovoltaicos.
La resistencia característica de una célula solar
es la resistencia de la célula solar en su punto de
máxima potencia. Si la resistencia de la carga es
igual a la resistencia característica de la célula
solar, entonces, la potencia máxima se transfiere
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a la carga y la célula solar funciona en su punto
de máxima potencia. Es un parámetro útil en el
análisis de células solares, en especial cuando se
examina el impacto de los mecanismos de pérdidas
parasitarias. La resistencia característica se muestra
en la siguiente figura.
Figura 11
La característica de resistencia de una célula
solar es la inversa de la línea de la pendiente,
que se muestra en la figura anterior, que, después
de Green1, se puede definir como VMP dividido
por IMP para la mayoría de las células puede ser
aprobado por VOC dividido por ISC :
Figura 12: Formula 1
Las células solares de silicio comercial son
típicamente de corriente muy alta y baja tensión.
Una celda solar cuadrada de 156 mm (6 pulgadas)
tiene una corriente de casi 9 amperios y un voltaje
de punto de potencia máximo de 0.6 voltios dando
una resistencia característica de alrededor de 0.067 .
Como consecuencia, las conexiones a una sola célula
requieren resistencias en el intervalo miliohm
VII. Descripción de hoja de datos de
un panel FV.
.1. Funcionamiento General
El funcionamiento del sistema consiste en captar
mediante paneles solares, y transformar los rayos del
sol (fotones) en energía eléctrica. Con un dispositivo
denominado inversor, se transforma la corriente
continua de 12 o 24 voltios en corriente alterna
de 220 voltios, la cual se distribuye a través de la
red eléctrica de la casa, donde están conectados los
artefactos de consumo.
.2. Datos Técnicos
Hoja de datos de un Panel Solar Fotovoltaico
CORA 250W
Figura 13: Datos Técnicos
.3. Propiedad Técnicas
Figura 14: Propiedades Técnicas
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.4. Rendimiento Eléctrico
Figura 15: Rendimiento Eléctrico
Referencias
[1] Bhubaneswari Parida, A review of solar
photovoltaic technologies, 15th Ed. Renewable
and Sustainable Energy Reviews (2011), pp
1625-1636.
[2] Martin A. Green, Solar cell efficiency tables
(version 50), Progress in Photovoltaics (2017),
pp 668-676.
[3] E.E. Granda, Modelado y simulación de celdas y
paneles solares, Vol. 35. Congreso Internacional
de Ingeniería Electrónica (2013), pp 17-22.
[4] O.B. Garcia, Celdas solares orgánicascomo
fuente de energía sustentable, Acta Universitaria
(2012), pp 36-48.
7
	Interconexión de celdas fotovoltaicas.
	Configuración Eléctrica
	GFV aterrizado
	GFV flotante
	Punto de Interconexión
	Tensión de Interconexión
	Número de Fases
	Transformador de Interconexión
	Partes de un panel fotovoltaico.
	Cubierta frontal
	Capas encapsuladas
	Marco de apoyo
	Protección posterior
	Caja de conexiones eléctricas
	Células fotovoltaicas
	Circuitos internos de un panel FV.
	Tipos de paneles FV según el número de celdas y características eléctricas.
	Paneles Monocristalinos
	Paneles Policristalinos
	Paneles de Capa Fina
	Pérdidas por acoplamiento o desajustes eléctricos.
	Resistencia característica de módulos fotovoltaicos.
	Descripción de hoja de datos de un panel FV.
	Funcionamiento General
	Datos Técnicos
	Propiedad Técnicas
	Rendimiento Eléctrico