tema3 celula modulo 2003_1_modi

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urso. Instalaciones F

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entro de Profesorado Linares - Andújar

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Electrónica de Potencia INSTALACIONES

FOTOVOLTAICAS

Mayo 2011

Centro de Profesorado Linares-AndújarPaseo de Andaluces, 58

Linares (Jaén)

Juan D. Aguilar PeñaDepartamento Ingeniería ElectrónicaUniversidad de Jaén

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entro de Profesorado Linares - AndújarTema 3: Célula, módulo, generador

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Abella, M.A; Sistemas fotovoltaicos. S.A.P.T. Publicaciones ( Era solar)

Lorenzo,E; Electricidad solar. Ingeniería de los sistemas fotovoltaicos. Progensa

Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. Serie Ponencias. CIEMAT.

Prof. Aguilar Peña. _mail:[email protected]

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entro de Profesorado Linares - AndújarElectrónica de Potencia

Contenidos

CONTENIDOS. (30h)1.- Introducción Energía Solar2.- Radiación Solar3.- Célula Solar & Módulo Fotovoltaico

4.- Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red5.- Componentes de los Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red 6.- Diseño de Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red

7.- Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos 8.- Componentes de los Sistemas Fotovoltaicos Autónomos 9.- Diseño de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos

Prof. Aguilar Peña. e_mail:[email protected]

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Contenidos

CONTENIDOS: Bloque I (9h)Introducción. Prof. J.D.Aguilar1.- Introducción Energía Solar2.- Radiación Solar3.- Célula Solar & Módulo Fotovoltaico

•Introducción a las prácticas. Descripción de los equipos de medida. Material didáctico y software utilizado.

•Herramientas informáticas

•Conseguir Datos de Radiación Solar y temperatura. Localizar los accesos a las Bases de Datos

•Simulación del comportamiento de una célula, modulo y generador FV


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Electrónica de Potencia

Tema 3: Célula, módulo, generador


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DURACIÓN: 1,5 horas.

Contenidos teóricos Teoría semiconductores

Unión PN La célula solar

Estructura. Funcionamiento Módulo fotovoltaico Partes. Parámetros. Comportamiento eléctrico Métodos de estimación de la potencia

Método Factor de forma constante Método Osterwald Método Araujo-Green

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Semiconductor intrínseco: material puroSemiconductor extrínseco:material impurificado

Ge

Si

GaAs

Intrínsecos

),f( NTtoressemiconduc =ρ

Tipo de material

ConductoresSemiconductores

Aislantes

Resistividad (Ωcm)

1018

105

1016

103

10-3

10-2

10-6 Ag

Al: 2.7x10-16

Au

Cu:1.7x10-16

Polisilicio

Vidrio

Plástico

SiO2: 1016

Ge

GaAsSi: 10-3T∆

T∆



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En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

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Estructura cristalina Carbono-Diamante



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SiSilicio

14 28.086

Semiconductor Energía banda

prohibida. EG (eV)

Carbono (C) 5.47

Silicio (Si) 1.12

Germanio (Ge) 0.66

Estaño (Sn) 0.082

Arseniuro de Galio (GaAs) 1.42

Fosfuro de Indio (InP) 1.35

Seleniuro de Cadmio (CdSe) 1.70



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Fundamentos célula solarBC

BV

EG

E = hf >= EG

BC

BVElectrónHuecoFotón

BC

BV


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Electrón libre

+q

Semiconductor tipo N

Hueco

-q

Semiconductor tipo P



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¿QUÉ DIRECCIÓN TOMAN ESOS ¿QUÉ DIRECCIÓN TOMAN ESOS ELECTRONES/HUECOS GENERADOS?ELECTRONES/HUECOS GENERADOS?

hueco

TIPO NTIPO N TIPO PTIPO P

TIPO NTIPO N

TIPO PTIPO P

huec

os

elec

tron

es

- - - - - - - - -- - - - - - - - -

+ + + + + + + + + ++ + + + + + + + + +

La unión PN permite:La unión PN permite:-Aumentar el balance de Aumentar el balance de electrones/huecos del material, es decir, electrones/huecos del material, es decir, modifica su conductividad.modifica su conductividad.- Hace que los electrones/huecos Hace que los electrones/huecos generados se dirijan hacia una zona generados se dirijan hacia una zona determinada de la célula, donde pueden determinada de la célula, donde pueden ser recolectados con mayor facilidadser recolectados con mayor facilidad

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J.D.Aguilar Peña; http://voltio.ujaen.es/jaguilar 15/10/14 23


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LA CELULA SOLARTipos de célula



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•Silicio monocristalino: se obtiene cortando obleas de un solo cristal de silicio puro; son las más eficientes (entre el 15% y el 20%), pero tienen un coste superior. Durante 2.008 y 2.09 ocuparon el segundo lugar en volumen de mercado, con el 35 y 37% del total respectivamente.

[i] Abella, A. 2005. Sistemas Fotovoltaicos. SAPT Publicaciones Técnicas[ii] ASIF 2009. Hacia la consolidación de la energía solar fotovoltaica en Europa. Informe 2009


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•Silicio multicristalino o policristalino: se elaboran a partir de obleas formadas por muchos cristales de silicio; son menos eficientes (del 10% al 15%), pero también son más baratas. Durante 2.008 y 2.009 continuó siendo la mayoritaria en términos de producción, alcanzando un volumen del 48 y 45%, respectivamente.

[i] Abella, A. 2005. Sistemas Fotovoltaicos. SAPT Publicaciones Técnicas[ii] ASIF 2009. Hacia la consolidación de la energía solar fotovoltaica en Europa. Informe 2009


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•Capa fina o lámina delgada (Thin film, en inglés):

El nombre de Capa Delgada es debido a que estas células son capas finas (5-6 µm) depositadas sobre sustratos baratos y asequibles (plástico o vidrio).

Los materiales más importantes son el silicio amorfo (a-Si), el silicio policristalino en lámina delgada, el Teluro de Cadmio (CdTe), el Seleniuro de Cobre Indio (CuInSe2) conocido como CIS y Arseniuro de

Galio (AsGa)

. Estas células son las más eficientes en utilización de materia prima y energía durante su producción; también son menos intensivas en mano de obra y tienen una mayor capacidad de integración arquitectónica.



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No obstante, debe prevenirse la aparición de problemas de degradación a medio y largo plazo, y tienen una eficiencia más baja (del 7% al 10%), por lo que necesitan el doble de espacio que el polisilicio para producir la misma electricidad. Las tecnologías de Capa fina son las de mayor crecimiento en los últimos tres años; durante 2.007 crecieron un 133%, llegando a alcanzar en 2.009 el 18% del mercado



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Prof. Aguilar Peña 33

N

P

La célula solar

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - - - - - - E

Iph ID(V)

+

-

V

I =

I ph - I

D(V

)

Iph= Corriente fotogeneradaID= Corriente diodo o de oscuridad


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+ + + + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - - - E

N

P

Metal

Dirección rayos solares

Capa antirreflexiva

Si tipo p

Contacto posterior

Si tipo n+

Pérdidas por transmisión

Pérdidas por reflexión

Generación de pares e--h+


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Característica V-I de iluminación

V

IL

Iph

V

ID(V) = Io[exp(eV/KT) -1] ID(V)

V

I

)1(1exp

−−=

CoL KT

eVIII


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FF = Factor de forma = VM·IM/(VOC·ISC) (Adim)

η = eficiencia = PM /(G·AC) (Adim.)Donde:G = Irradiancia incidente (W·m-2)AC = Área de la célula (m2)

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Característica V-I de iluminación



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Efectos extrínsecos en la célula solarCircuito equivalente de la célula solar real

)2(1)(

expP

S

C

SoL R

IRV

KT

IRVeIII

+−

−+−=

I (A

)

V (V)

RS

20mΩ

50mΩ

100mΩ

0Ω

I (A

)

V (V) RP

∞1Ω

250mΩ

500mΩ


C


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Efectos extrínsecos en la célula solar

)2(1)(

expP

S

C

SoL R

IRV

KT

IRVeIII

+−

−+−=

Si:•Los efectos de Rp son despreciables•Corriente generada IL= Corriente cortocircuito ISC•Exp((V+IRS)/Vt)>1

+×−=

Vt

IRVIoII S

SC exp

−=⇒

=

Vt

VIIo

I

IVtV OC

SCO

SCOC expln

+−−=

Vt

IRVocVII S

SC exp1


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Influencia de la temperatura de la célula (TC) a irradiancia (G) constante

)298( 0023,0

Sielpara·0023,0

,

1

−−=

≈ −

CSTCOCOC

C

OC

TVV

KVdT

dV

EL AUMENTO DE TC EMPEORA EL COMPORTAMIENTO DE LA CÉLULA

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Influencia de la irradiancia (G) a temperatura constante de la célula (Tc)

2

121;

G

GIIII SCSCSCL =≈

VOC ≈ independiente de G (primera aproximación)

EL AUMENTO DE G FAVORECE EL COMPORTAMIENTO DE LA CÉLULA

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Condiciones Estándar de Medida (CEM) definidas por la Comisión Electrotécnica Internacional en su norma 60904-1 y recogidas en la

Norma UNE-EN 61215(en inglés: STC – Standard Test Conditions)

• TC= 25ºC (Temperatura de la célula)

• G= 1000 W/m2

• Distribución espectral A.M = 1,5.

•Irradiancia incidente perpendicular.

LA CELULA SOLARCondiciones Estándar de Medida



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entro de Profesorado Linares - AndújarTema 3: Célula, módulo, generador

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50Prof. Aguilar Peña. e_mail:[email protected]

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Proporcionan la potencia del módulo a las condiciones deseadas a partir de los parámetros en STC suministrados por el fabricante.

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Para el cálculo de los valores de operación de un generador fotovoltaico se puede considerar la siguiente expresión para definir la característica I-V del mismo [[i]]:

Donde:IG es la corriente del generador fotovoltaico (A)

VG es la tensión del generador fotovoltaico (V)

Ncp es el número de células en paralelo del módulo fotovoltaico

Ncs es el número de células en serie del módulo fotovoltaico

Nmp es el número de módulos en paralelo del generador fotovoltaico

Nms es el número de módulos en serie del generador fotovoltaico

Isc es la corriente de cortocircuito de una célula del módulo fotovoltaico (A)

Voc es la tensión de circuito abierto de una célula del módulo fotovoltaico (V)

Rs es la resistencia serie de una célula del módulo fotovoltaico (Ω)

Vt es el voltaje térmico (V)

[i] M. A. Green, Solar cells. Operating principles, Technology and System Applications, Prentice-Hall, Nueva Jersey, 1982.

+=

t

mpcp sGocmscsGsccpmpG V

NN RIV NNV I NNI

)( / - )( / exp - 1



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Efecto del problema del punto caliente sobre células de un panel



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Efecto del problema del punto caliente sobre células de un panel



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(Cortesía M.A Ejido. Instituto Energía Solar. Madrid)

Diodo de paso

Diodo de bloqueo

Diodos

Solución: Diodo de paso

Limita descarga de la batería sobre paneles de noche


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VGENERADOR = VMÓDULO *Nms

IGENERADOR = IMÓDULO * Nmp

PGENERADOR = PMÓDULO * (Nmp * Nms)

GENERADOR FOTOVOLTAICO


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Con carácter general, la potencia máxima que puede entregar el generador FV es inferior a la suma de las potencias máximas de

los módulos que lo conforman

GENERADOR FOTOVOLTAICO


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Métodos de estimación de la potencia Método Factor de forma constante Método Osterwald Método Araujo-Green

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74

0

200

400

600

800

1000

1200

0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 0:00:00

tiempo

Irra

dia

nci

a G

(W

*m

-2)

día de febrero

día de agosto

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 0:00:00

tiempo

Tem

pera

tura

am

bie

nte

(ºC

)

día de febrero

día de agosto0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 0:00:00

tiempo

kW

h p

or

kW

pic

o i

nst

ala

do

día de febrero

día de agosto

[ ])(1 ** ccMGFVG TTP

G

GPP −−= γ

ac TGWm

CTONCT +⋅−= −2800

º20

Irradiancia (G)

Tª ambiente (Ta)

Pgenerador (Watios)

La integral del área será la energía producida

GENERADOR FOTOVOLTAICOEstimación de la Potencia Instantánea

Efecto de la Irradiancia y la Temperatura

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entro de Profesorado Linares - AndújarPráctica: Simulación del comportamiento de la célula solar


tema3 celula modulo 2003_1_modi

Engineering