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Septiembre de 2019

PROGRAMA DE FORMACÍON SOBRE TECNOLOGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Y SUS APLICACIONES

Módulo II:

Recurso Solar y Elementos de un Sistema

Fotovoltaico

Mónica Andrea Botero Londoño

[email protected]

Septiembre de 2019

mailto:[email protected]

CONTENIDO

3

1. Introducción

2. Principios de la radiación solar

• Movimiento aparente del sol

• Irradiancia en la superficie de la tierra

• Insolación

3. Instrumentos para medir la radiación

4. Fuentes de información sobre radiación solar

5. Efecto fotovoltaico

6. Tecnologías de celdas solares

7. Módulos fotovoltaicos

CONTENIDO

4

1. Introducción




• Insolación






PRINCIPALES FUENTES DE ENERGÍA

FUENTE EFECTO PRODUCTOTECNOLOGÍA

ENERGÉTICA

RADIACIÓN

SOLAR

Evaporación Lluvias Energía hidráulica

Viento OlasEnergía eólica

Energía de olas

Fotosíntesis

Biomasa vegetal Combustión

Carbón, gas, petróleo Combustión

Biocombustibles: Aceites,

hidrocarburos, etc.Combustión

Residuos orgánicos de biomasa animal

o vegetalBiogás por digestión anaeróbica

Biomasa vegetal con alto contenido en

azúcaresEtanol por fermentación alcohólica

Residuos sólidos agrícolas y urbanos

Gasificación

Pirólisis

Combustión

Energía solar térmica

Energía solar fotovoltaica

ATRACCIÓN

GRAVITACIONALMareas Energía mareomotriz

CALOR INTERNO Aguas termales Vapor en superficie Energía geotérmica

1. Energía Solar Térmica (Colectores)

2. Energía Solar Fotovoltaica

ENERGÍA SOLAR

ENERGÍA SOLAR

• No agota los recursos naturales

• Durante su operación, no emite gases de efecto invernadero, ni otros gases tóxicos

• Inagotable y limpia: energía verde

• Reducción de líneas de transmisión

• Incremento de la independencia energética regional y nacional

• Diversificación y seguridad del abastecimiento energético

• Aceleración de la electrificación rural en los países en desarrollo

• Varía diariamente, estacionalmente durante el año, y es afectada por variaciones

meteorológicas, fuera del control del hombre

Fuente REN 21 2019

INCREMENTO ANUAL DE LA CAPACIDAD DE

ENERGÍAS RENOVABLES

CAPACIDAD GLOBAL TOTAL DE ENERGÍA FV

Fuente:REN 21 2019

CONTENIDO

1

0

1. Introducción




• Insolación






Es un reactor de plasma gigante que transforma parte de su

masa en energía

0.73% de la materia setransforma en energía enforma de rayos γ.

EL SOL

INTERIOR DEL SOL

Applied photovoltaics. S.R. Wenham M.A. Green M.E. Watt R. Corkish . Second Edition. ARC Centre for Advanced Silicon Photovoltaics and Photonics. 2007.

Temperatura 8×106 K - 40×106 K

Región de reacciones de fusión HHe

Capa de iones de Hque absorbe radiación

Fotósfera

Transferencia de calor

por convección

Espectro de un cuerpo negro a diferentes temperaturas

ESPECTRO SOLAR

Energía

𝐸 = ℎ𝑓 =ℎ𝑐

𝜆

El sol emite radiación electromagnética que no requiere medio material ya que puede propagarse en el vacío

CONTENIDO

1. Introducción




• Insolación






PLANO ECLÍPTICO E INCLINACIÓN DEL EJE DE

ROTACIÓN DE LA TIERRA

17

1.017AU 0.983AU

Unidad astronomica1011m

1AU

MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL

Declinación solar (): ángulo del eje de rotación respecto al sol

HEMISFERIO NORTE:

HEMISFERIO SUR:

Equinoccio de primavera

Equinoccio de otoño

Solsticio de verano

Solsticio de invierno

Photovoltaics: System Design and Practice. H. Häberlin. 2012, John Wiley & Sons, Ltda

Fuente: youTube

n: número del día (1 a 365)Cambios de en un día generalmente son 0.5o y se ignoran

Solar Technologies for Buildings. U. Eicker. 2003 John Wiley & Sons Ltd

ángulo del eje de rotación respecto al sol

DECLINACIÓN SOLAR ()

DECLINACIÓN SOLAR ()

Declinación solar en el transcurso de un año en función del número de días(dy en año): 1 de enero = día 1;31 de diciembre= día 365

23.45º (junio 21)

-23.45º (diciembre 21)

EquinoccioSeptiembre 23

EquinoccioMarzo 21

ÁNGULO HORARIO ()

Caracteriza las fluctuaciones de irradiación diarias debido a la rotación de la Tierra.

Se define como la diferencia entre coordenada de la longitud local (localización en estudio) y la latitud a la que se encuentra el sol.

Solar Technologies for Buildings. U. Eicker. 2003 John Wiley & Sons Ltda

Permite conocer la trayectoria del sol

Ángulo horario (ws):

ÁNGULO HORARIO Y DURACIÓN DEL DÍA

latitud Ángulo de declinación

La variación de ωs se puede calcular para cada país de acuerdo a la latitud.


A partir del ángulo horario se puede obtener las horas del día:

26

• Azimut (s) y elevación ( s) cambian a lo largo del año

DIAGRAMAS DE POSICIÓN DEL SOL

Se usan para ilustrar la altura del sol y los ángulos de azimut a lo largo del año en una ubicación determinada

coordenadas cartesianas o polares.


s

s

DIAGRAMAS DE POSICIÓN DEL SOL EN

COORDENADAS CARTESIANASSTUTTGART

Solar Technologies for Buildings. U. Eicker. 2003 John Wiley & Sons LtdPVsyst

21 Dic

21 Junio

horas

BOGOTÁ

DIAGRAMAS DE POSICIÓN DEL SOL EN

COORDENADAS CARTESIANAS

ANTÁRTIDA

PVsyst

DIAGRAMAS DE POSICIÓN

DEL SOL

EN COORDENADAS POLARES

Sur

PVsyst

http://suncalc.net/#/7.1185,-73.1194,2/2018.07.28/13:29

COORDENADAS EN EL HORIZONTE

http://suncalc.net/#/7.1185,-73.1194,2/2018.07.28/13:29

PASO DE LOS RAYOS A TRAVÉS DE LA

ATMÓSFERA


Absorción y dispersión de la irradiancia reducen la potencia solar que llega ala superficie de la tierra.

Dependiendo del ángulo de elevación o el zenith los rayos deben atravesarmás atmosfera (masa relativa de aire- AM)

𝐴𝑀 =ൗ

𝑑𝑎𝑡𝑚𝑐𝑜𝑠𝜃𝑧

𝑑𝑎𝑡𝑚=

1

𝑐𝑜𝑠𝜃𝑧

Radiación extraterrestre

Superficie de la tierra

MASA DE AIRE

Cuando z= 0La masa de aire es 1 o AM1. Se esta recibiendo radiación directamente

z= 60 AM2

AM1.5Equivalente a un ángulo z de 48.2°, se haconvertido en el estándar para el trabajofotovoltaico.


𝐴𝑀 =1

𝑐𝑜𝑠𝜃𝑧

MASA DE AIRE EN CUALQUIER

UBICACIÓN

longitud de la sombra proyectada por un poste vertical de altura h


DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL La distribución espectral de la luz solar fuera de la atmósfera (Air Mass Zero o AM0) y en AM1.5 se

muestran en la Figura.

AM0 es esencialmente invariable y su densidad de potencia total, integrada en todo el espectro, se

conoce como la constante solar

CONSTANTE SOLAR


En promedio, a la superficieterrestre llega una radiación de1000 W/m2 distribuidosespectralmente así:3% de UV,57% de V y40% de IR.

IRRADIANCIA SOLAR

La radiación global que llega a un punto sobre la superficie terrestre tiene 3componentes: directa, difusa y reflejada (o albedo)

Rad. Directa: es la que llega sin cambio de dirección y sin interactuar connada. Es la más importante en un día soleado

Rad. Difusa: es producto de los choques de la radiación directa con loscomponentes atmosféricos. Es la radiación típica en los días nublados.

Rad. Reflejada (o albedo): es la que llega procedente de la reflexión de laradiación directa en los elementos del entorno.

COMPONENTES DE LA IRRADIANCIA

CONTENIDO

1. Introducción




• Insolación






Gn

IRRADIANCIA EN LA SUPERFICIE DE LA TIERRA

Irradiancia en superficie de la tierra cielo despejado

irradiancia fuera de la tierra

para un día específico

(distancia del sol)

factor de turbiedad de la atmósfera (depende de la ubicación geográfica)

altura sobre el nivel del mar

ángulo de elevación del sol

h

APROXIMACIONES EN CONDICIONES PARTICULARES, POR TANTO:

MEDICIONES DE DATOS METEOROLÓGICOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO SON MUY IMPORTANTES

IRRADIANCIA GLOBAL HORIZONTAL

Irradiancia global horizontal (W/m2) – es la que se mide usualmente

Irradiancia difusa

Irradiancia directa

La irradiancia directa y difusa en la horizontal se suministra en muchos registros de datos meteorológicoscomo valores de hora medidos.

Si la irradiancia se determina mediante procedimientos estadísticos, al principio sólo se obtiene lairradiancia global. La proporción de irradiancia difusa se correlaciona directamente con el índice declaridad por hora.


Relación entre irradiancia extraterrestre horizontal (Geh) e irradiancia horizontal en lasuperficie de la tierra (Gh) para una hora o totalizada para un periodo de un día o un mes

• Siempre < 1

• Se requiere calcular a partir de mediciones (porque no se puede calcular Gh conecuaciones de formaprecisa)

44

ÍNDICE DE CLARIDAD


Photovoltaics: System Design and Practice. H. Häberlin. 2012, John Wiley & Sons, Ltd

IRRADIANCIA EN SUPERFICIES INCLINADAS


IRRADIANCIA MEDIDA EN BURGDORF EN UN DÍA DE

INVIERNO

Planohorizontal

un día de invierno (7.12.2002) en Burgdorf

CONTENIDO

5

4

1. Introducción




• Insolación




6. Características y tipos de celdas solares

7. Modulos fotovoltaicos.

• Es la integralde la irradianciaenun periododetiempo:Wh/m2

• Sepuedecalcular fuerade laatmósfera(extraterrestre)o enla superficiede latierra• Varíaen lamismaproporciónque varíala irradiancia(G)• Normalmente se expresa en periodos de un día promedio en un mes: Wh/m2/día o

kWh/m2/día

INSOLACIÓN (h)


Los diseñadores de sistemas fotovoltaicos a menudo necesitanestimaciones de la insolación que se espera que caiga sobresuperficies inclinadas.

Para la mayoría de los propósitos, los valores medios diarios deinsolación son suficientes y los días "característicos" cerca de lamitad de cada mes se usan a menudo para definir los valoresmensuales promedio.

ESTIMACIÓN DE LA INSOLACIÓN


MAPAS DE H PARA DIFERENTES MESES

MóduloII

N

S

Winter

solstice

23.45°

N

Dec. 21 = –23.45°

June 21 = 23.45° S

Summer

solsticeN

S

Sept. 23 = 0°

Autumnal equinox

Vernal equinox

March 21

= 0°N

S

Sun


• Enambientes urbanos es poco probable tener un generador PV sin objetosalrededor

• Las sombras reducen la irradiancia “vista” por el generadorPV

• Consecuencia:

–Reducción de potenciaeléctrica

–Reducción de la energía eléctrica ($)

SOMBRAS


CONTENIDO

6

1

1. Introducción




• Insolación




6. Tecnologías de celdas solare

7. Módulos fotovoltaico

INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA RADIACIÓN

SOLAR

• Medidor de brillo solar• Pirheliómetro• Piranometro• Celda de referencia

MEDIDOR DE BRILLO SOLAR

PIRHELIÓMETRO

La luz del sol entra en el instrumento a través de una ventana y es dirigida sobre una termopila, que

convierte el calor en una señal eléctrica .

Mide radiación solar directa.

Para obtener este tipo de radiación resulta necesario mantener el instrumento apuntando al sol, generalmente se usa con un seguidor.

Handbook of Solar Energy:Theory, Analysis and Applications. G.N. Tiwari, A. Tiwari. 2016. Springer

66

PIRANOMETRO

Mide la radiación solar global recibida de todo el hemisferio en una superficie horizontal

Medición de la radiaciónsolar:

• Piranómetro:

–Tensión (V) proporcional a G (W/m2):1kW/m25mV

– Semiesferade doblevidrio

– calibracióncada 2años

–Algunos tienen un agente secador (reemplazaranualmente)

Handbook of Solar Energy:Theory, Analysis and Applications. G.N. Tiwari, A. Tiwari. 2016. Springer

–Celdassolares de silicio calibradaso en lo posible de la mismatecnología

–Corrientede cortocircuito (Isc) es proporcional a la irradiancia (G)

–Solo tieneencuentala irradianciade parte del espectro

–Se monta en el plano delgenerador

–Mas económicas que los piranometros

CELDA DE REFERENCIA


PIRANÓMETRO VS. CELDA DE REFERENCIA

SiemensM1Rmono-c-SI reference cell and a heated and ventilated Kipp&Zonen CM 11

pyranometer


CONTENIDO

7

0

1. Introducción




• Insolación






FUENTES DE INFORMACIÓN DE RADIACIÓN SOLAR

71

• Sinmediciones

–Mapas de (IDEAM, Atlas global BancoMundial)

–Bases de datos(NASA)

–Software (PVsyst, Homer,…)

• Conmediciones–Medición de irradiancia y temperaturaambiente (1 año) con piranómetro o celda dereferencia

• Resultadosesperados (paradimensionamiento):

–Irradiación de un día promedio de cada mes (kWh/m2/día) horizontal–Irradiación de un día promedio de cada mes (kWh/m2/día) en el plano del generador

–Índice de claridad (Irradiacióndifusa)

72

• Mapas de IDEAM:http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html

• Mapas del Banco Mundial:

http://globalsolaratlas.info/

• Base de datos NASA:

https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/


http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html

http://globalsolaratlas.info/


Software PVsyst : www.pvsyst.com

Permite importar datos meteorológicos de varias bases de datos (meteonorm7.2,NASA-SSE, PVGIS TMY, NREL).

- Irradiación global horizontal (kWhm2/mes)- Irradiancia difusa horizontal- Temperatura - Velocidad del viento- Promedios

http://www.pvsyst.com/

CONTENIDO

7

7

1. Introducción




• Insolación






ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

Amorfo Monocristal Policristal

The Science and Engineering of Materials Sixth Edition, D. R. Askeland, P. P. Fulay, W. J. Wright. Cengage Learning. 2011.

CELDA SOLAR

Photovoltaic Solar Energy Generation. A. Goetzberger V.U. Hoffmann. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005

La celda solar es un dispositivo fabricado para convertir luz solar directamente

en electricidad, mediante el fenómeno físico denominado efecto fotovoltaico,

observado inicialmente por Henri Becquerel en 1839.

P

N

fotónFlujo de electrones

GENERACION

DE

PORTADORES

GENERACION

DE

VOLTAJE

RL

ABSORCION DE

RADIACION

IPh

CELDA SOLAR

SEMICONDUCTORES

Tabla periódica abreviada de los elementos

Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. A. Luque, S. Hegedus. John Wiley & Sons Ltd. 2003

NIVELES DE ENERGÍA EN SOLIDOS

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE ESTRUCTURA DE BANDAS

Conductores Semiconductores Aislantes

Banda de valencia llena

Superposición de la banda de conducción


Banda de conducción vacía

Brecha de energía prohibida


Banda de conducción vacía

Brecha de energía prohibida

ESPECTRO SOLAR

Energía

𝐸 = ℎ𝑓 =ℎ𝑐

𝜆

El sol emite radiación electromagnética que no requiere medio material ya que puede propagarse en el vacío

BANDAS DE ENERGÍA EN MATERIALES

SEMICONDUCTORES

EC

EG

_h Electron

EV+Hole

Banda de

valencia

Banda de

conducción

Energía del electrón

Conduction band(electrons free to move)

Valence band

(electrons fixed in lattice)

Band gap

(EG = band gap energy)

EC

EV

Difference h- EG converted into heat


ESTRUCTURA DE BANDA DE SEMICONDUCTORES

GAP DIRECTO GAP INDIRECTO

ESTRUCTURA DE BANDA DE SEMICONDUCTORES

Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. A. Luque, S. Hegedus. John Wiley & Sons Ltd. 2003


BANDAS DE ENERGÍA EN MATERIALES

SEMICONDUCTORES

SILICIO

The Science and Engineering of Materials Sixth Edition, D. R. Askeland, P. P. Fulay, W. J. Wright. Cengage Learning. 2011.

SILICIO DOPADOIm

ágen

es t

om

adas

de:

htt

ps:

//w

ww

.are

atec

no

logi

a.co

m/e

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rici

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eles

-so

lare

s.h

tml.

Feb

rero

8 d

e 2

01

9

ARSÉNICOANTIMONIO

BORO ALUMINIO

GALIOINDIO

https://www.areatecnologia.com/electricidad/paneles-solares.html

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE LA CELDA SOLAR

HOMOJUNTURA

HETEROJUNTURA

TIPOS DE DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS

PROCESOS QUE AFECTAN EL TRANSPORTE ELÉCTRICO EN

CELDAS SOLARES

CIRCUITO EQUIVALENTE CELDA IDEAL

Iph

ID

CIRCUITO EQUIVALENTE CELDA REAL

• Rs: resistencia serie,pérdidasóhmicas = uniones metal-semicondutor, metal-metal

• Rp: resistencia paralelo,corriente de fuga

o

OCsc

o

MM

P

VIFF

P

VI

)(P incidenteradiación de Potencia

celda la de salida de Potencia

o

Variación de la Eficiencia máxima enfunción del Gap del Semiconductor

LÍMITE TEÓRICO DE LA EFICIENCIA

AM1

CONTENIDO

9

9

1. Introducción




• Insolación






Clasificación de las celdas solares

1a Generación

Silicio cristalino

2a Generación

Silicio amorfo

CdTe

CIGS

GaAs

3a Generación

Cu2ZnSnS4 -película delgada

Multijuntura

Orgánicas

DSSC

Perovskita

TECNOLOGÍA – PRIMERA GENERACIÓN

La primera celda solar de Si fue desarrollada en 1954 por el

laboratorio Bell, la cual tenia una eficiencia del 6%,

evolucionando rápidamente a 10%.

ESTRUCTURA TÍPICA DE UNA CELDA SOLAR DE Si TIPO PERL

PERL (PASIVATED EMITTER REAR LOCALY CELL)

Eficiencia del 24.5% - 1995

PRODUCCIÓN - SILICIO MONOCRISTALINO

CZOCHRALSKI ZONA FLOTANTE

TECNOLOGÍA – SEGUNDA GENERACIÓN

Ventana óptica

MATERIALES ABUNDANTES EN LA NATURALEZA Y DE MENOR COSTO

TECNOLOGÍA – SEGUNDA GENERACIÓN

SnS

CZTScapa absorbente capa buffer ZnS:In

MATERIALES ABUNDANTES EN LA NATURALEZA Y DE MENOR

COSTO

• Gap adecuado ( 1.1 – 1.6 eV)

• Alto coeficiente de absorción

(>104 cm-1)

• Gap adecuado (>2 eV)

• Bajo coeficiente de absorción

(103 cm-1)

• Muy delgada ( 50- 80nm)

CONDICIONES IMPORTANTES

EVAPORACIÓN

SUBLIMACIÓN EN ESPACIO CERRADO

SPUTTERING

Imagen: http://www.semicore.com/what-is-sputtering

CuInGaSeZnO

Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. T. Markvart, L. Castafier. Elsevier,2006

A Bernal-Condia et al 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1159 012020

SIMULACIÓN DE EFICIENCIAEN CELDAS SOLARES DE CZTSSe

Configuración de la celda:

ZnO/buffer/CZTSSe

CdS ZnS

Variando

el espesor14 nm 21 nm

12.9% 25.9%

OTRAS TECNOLÓGIAS

TANDEMBIFACIALES PEROVSKITE

https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html. Fecha de descarga septiembre 2019

https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

Tomado de: ©Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report, updated: 14 March 2019

EFICIENCIAS COMERCIALES

En los últimos 10 años

Eficiencia promedio de los módulos de

Silicio 12% 17%CdTe 9% 16%

5%7%

PRODUCCIÓN ANUAL DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA POR

TECNOLOGÍA A NIVEL MUNDIAL (EN GWP)

* Los números de producción de 2017 reportados por diferentes analistas varían en cierta medida.Se estima que la producción total de módulos fotovoltaicos es de alrededor de 97.5 GWppara el año 2017

Tomado de: ©Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report, updated: 14 March 2019

1. Corriente de corto-circuito, Isc

2. Voltaje de circuito abierto, Voc

3. Eficiencia del dispositivo, η4. Factor de llenado, FF

ocscocsc

mm

VI

P

VI

VIFF max

in

ocsc

in

mm

P

VIFF

P

VI ..

116

CARACTERÍSTICA I-V

PARÁMETROS IMPORTANTES

EFECTO DE LA IRRADIANCIA

STC 1 kW/m2 - AM1.5 - 25 oC

Celdas PV Si cristalinas

25%

20%

15%

10%

5%

0%

-5%

-10%

-15%

-20%

-25%

-30%

807060100-20 -10 20 30 40 50

Cell temperature in ºC

Ch

an

ge

in

% r

efe

rre

d t

o2

5°C

ISC

VOC

Pmax

ISC

Pmax

VOC

118

EFECTO DE LA TEMPERATURA


CONTENIDO

1

1

9

1. Introducción




• Insolación






MÓDULO FOTOVOLTAICO

Las celdas unidas en un módulo permiten obtener los valores de voltaje y corrientes deseados mediante

la conexión eléctrica de éstas en serie-paralelo.

Proporcionan una protección frente a los agentes atmosféricos, un aislamiento eléctrico adecuado y una

consistencia mecánica que permite su manipulación práctica.

• Típicamente, formados por un conjunto de Ns celdas conectadas

en serie.

• Suponiendo que las Ns celdas son iguales y operan a la misma

irradiancia (G) y temperatura(T):

–La corriente del módulo es la misma corriente de la celda

–Las curvas I-V corresponden a las curvas de una celdaescaladas en tensión

(multiplicadas por Ns)

22

MÓDULO FOTOVOLTAICO

https://www.youtube.com/watch?v=jUbhmk9rIj8

FABRICACIÓN DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

https://www.youtube.com/watch?v=jUbhmk9rIj8

12

8

• Bastidas, J. D., Franco, E., Petrone, G., Ramos-Paja, C. A., & Spagnuolo, G. (2013). A modelof photovoltaic fields in mismatching conditions featuring an improved calculation speed. Electric Power Systems Research, 96, 81–90.https://doi.org/10.1016/j.epsr.2012.10.020

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REFERENCIAS

REFERENCIAS

12

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Mónica Andrea Botero L.- [email protected]

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