Sistemas solares fotovoltaicos, tipos, aplicaciones, fabricación, diseño y com posición - JUAN SEBASTIANGONZALEZ - Ecosistemas soluciones ...
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D i p l o m a d o en Energía Solar Fotovoltaica
Universidad del Valle
EcoSistemas Soltec
Sistemas solares fotovoltaicos, tipos,
aplicaciones, fabricación, diseño y
com posición
JUAN SEBASTIAN GONZALEZ
Ultimas noticias Tesla Cybertruck
$39,900 Dólares
• En el mundo Buen momento para el 0-100 en 2.9 segundos
mercado energético solar Autonomía 400 a 800 km
residencial:
Incendios forestales en
California han generado
apagones, lo que hace muy Mustang Mach-E
atractivo los sistemas solares $44,000 dólares
con baterías. PG&E esta 0-100 en 3.5 segundos
realizando apagones de Autonomía 320 a 480 km
precaución afectando a mas de
3 millones
• En Colombia
Después de 19 meses, los
paneles solares de Guatapé
(EPM) obtienen una mejora en Buses eléctricos en Colombia.
eficiencia del 11% debido a Celsia pondrá 120 buses
reducción en temperatura eléctricos para el SITP de
Bogotá y en Medellín empiezan
EPM perderá 43 millones de a rodar 17 de los 64 buses
dólares por problemas de eléctricos
Hidroituango. Pierden
obligación de energía firme.
Tenían dos contratos por cargo
de confiabilidad para 2018 y
2021.
Objetivos
PANE LES S O LARES F O T O V O LT A I C O S S IS T EM A S S O LARES F O T O V O LT A I C O S
• Tip o s d e t e c no lo g í a s • T i p o d e s is t e m a s ( f i j o s , u n e j e ,
• As p e c t o s t é c n i c o s d os ejes )
• D is t r i b u c i ó n d e l a s c e l d a s • Inv er so res
• Fo r m a s d e f a b r ic a c ió n • C o ntr o l a d o res
• Costo s • Es t r u c t u r a s
• V e n t a j a s y d es v e n t a j a s • Cab lead o
• Ef i c i e n c i a • Costo s
• Corrientes y voltajes • Pr i n c i p a l e s p r o d u c t o r e s
• Pr i n c i p a l e s f a b r i c a n t e s • S is t e m a s i n y e c t a d o s
• Fa b r ic a c ió n d e u n p a n e l • S is t e m a s a u t ó n o m o s
b ás ic o • S is t e m a s h í b r i d o s
• Fu t u r o • Er r o r e s c o m u n e s
• Mantenimiento
• Pr e c a u c i o n e s y r i e s g o s
• I n t e g r a c ió n c o n o tr as t e c no lo g í a s
APLI C A C I O NE S Y M O D ELO S D E
O T RA S T EC N O LO G IA S S O LA RES
NE G O C I O S
Sistemas de energía solar fotovoltaica
Conectado a la red Aislado
Hibrido
PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS
Los paneles solares son la principal parte funcional de los sistemas fotovoltaicos Compuestos por celdas usualmente conectadas en serie Aproximadamente 0.5 V por celda 60 o 72 celdas por panel Capacidad comercial entre 290 W – 400 W
Tecnologías
Celdas fotovoltaicas
Nuevas Capa delgada
Tipo “wafer”
tecnologías (Thin Film)
Tándem, multi-
Cristales de sílice Convencionales Emergentes
uniones
“Celdas Negras”
Monocristalinas
Punto cuántico
Policristalinas
Cobre – Indio
concentrada
Fotovoltaica
Perovskite
Orgánicas
Cadmio -
Telurio
PERC
III-V
Futuro
Celdas Monocristalinas
Tecnología mas antigua
Se crean a partir de un cristal único
Construcción a partir del proceso
de Czochralski
Lingotes de 1-2 metros
200-300 mm diámetro
Se cortan con espesor de 0.2-0.75 mm
Eficiencias de mas de 20% (~23%)
Celdas Monocristalinas Ventajas Desventajas Mayor eficiencia comercial Mas costoso, pero competitivo Larga vida util Desperdicio alto de material en construccion Menor efecto negativo de la temperatura
Celdas Policristalinas Su estructura es diferente en cada celda Hecho a partir de silice que se funde para formar lingotes Eficiencia cercana al 20% (17-19%)
Celdas Policristalinas
Ventajas Desventajas
Mas facil de fabricar y menos desperdicios Menor eficiencia, igualmente alta
Costos menores Necesitan mayor superficie
Menos esteticosCeldas de capa delgada (amorfas) Mayor cantidad de opciones y aplicaciones Diferentes materiales, tipos y formas de construccion • Silicio amorfo • Telururo de cadmio (CdTe) • Seleniuro de cobre, galio e indio (CGIS) • Célula solar sensibilizada por colorantes (DSC) Eficiencias del 7 – 13%
Celdas de capa delgada
Ventajas Desventajas
Produccion sencilla y barata (solo 1% del silice Baja eficiencia
utilizado en mono)
Pueden ser flexibles Requieren grandes superficies
Buen desempeño en poca luz Degradacion mas rapida y garantia mas
cortaCual tipo de panel es mejor?
$ Costos
Eficiencia
Lugar y area disponible
Garantia
Impacto ambiental
Gustos del clienteOtras tecnologias
Organicas Perovskite
• Utilizados principalmente integrados con
edificios
• Bajo costo
• Baja eficiencia
• Pueden ser de colores o transparentes
• Construccion a base de polimeros
• Clase de material con propiedades de
superconductividad y magnetoresistencia
• Promesa del future, alta eficiencia y bajo
costo.Otras tecnologias Fotovoltaica concentrada - CPV PERC – Passive emitter and Rear Cell Eficiencias pueden llegar hasta 40%
Otras tecnologias III - V Bifaciales Eficiencia de 44.7% a 297 Soles en el NREL Costos de 400 veces el costo de celdas comerciales
Construccion de una celda solar casera
Mercado global
Produccion mundial de celdas
Porcentaje de la produccion
Aproximadamente
95% de la
produccion es
Mono o
Policristalino de
siliceEvolucion de costos y
eficienciaCurva de aprendizaje
Tasa de aprendizaje:
Cada vez que la
produccion acumulada
se duplico, el precio cayo
en 24% por los ultimos
38 aniosEvolucion de los costos de las dos principales tecnologias
Dimensiones y uso de silice
Cada vez se utiliza menos
silice y el espesor de las
celdas se reduceEficiencia de las celdas
Eficiencia de los paneles de silice cristalinos
Aspectos tecnicos de los paneles
Caracteristicas de voltaje y corriente ideales de una celda solar MPP: Maximum Power Point Punto de maxima potencia Sistemas MPPT: Maximum Power Point Tracking Sistema para regular voltaje y corriente para mantener el punto maximo de funcionamiento (optimizadores de potencia)
Conexiones en serie y paralelo
Paralelo:
• Mismo voltaje
• Mayor corriente
Serie:
• Misma corriente
• Mayor voltajeConexiones en serie y paralelo
Efecto del circuito en serie:
El voltaje real es menor al ideal
Efecto del circuito en paralelo:
La corriente real es menor a la idealEfecto de la radiacion en la potencia Mayor radiacion, mayor potencia de salida Kumari et al, 2011
Efecto de la temperatura en la
potencia
La potencia
disminuye a altas
temperaturas debido
a una caida en el
voltaje
Kumari et al, 2011
La potencia de los panels solares se mide en condiciones de
laboratorio: 25C, 1000 W/m2Caracteristicas fisicas
Vidrio
• 3 – 4 mm
• Resistencia a granizo de 25 mm
diametro a 100 km/h
• Alta transmisividad
• Bajo contenido de hierro
• Covertura anti-reflejoCaracteristicas fisicas
Estructura de aluminioCaracteristicas fisicas
Pelicula de EVA
• EVA: acetate de vinilo etileno
• Encapsular las celdas y mantiene en
posicionCaracteristicas fisicas
Parte posterior
• Proteccion mecanica y aislante
electrico
• Mezcla de polimeros (PP, PET)Caracteristicas fisicas
Conectores MC4Principales marcas – Tier 1 Mayor produccion
China domina la instalacion y produccion Tier 1 para el tercer cuarto del 2019
1. LONGi Solar – China
2. Jinko Solar – China
3. Hanwha Qcells – Corea
4. JA Solar – China
5. Canadian Solar – China/Canada
6. Risen Energy – China
7. Trina Solar – China (Ganador subasta
en Colombia)
8. First Solar – Estados Unidos
9.GCL Systems – China
10.Talesun – China
Solar review de la base de datos de BloombergEficiencias por marcas • SunPower (22.8%) • LG (21.7%) • REC Solar (21.7%) • Panasonic (20.3%) • Silfab (20.0%) https://news.energysage.com/what-are-the-most- efficient-solar-panels-on-the-market/
Fabricantes para observar • Sunpower – Celdas de mayor eficiencia – 22.8% • SolarWatt – Mejor garantia – Hasta 30 anios • Panasonic – Buena eficiencia y productor confinable – principal proveedor de Tesla • Kyocera – Pionero por mas de 40 anios • AE Solar – mayor innovacion en el 2018
https://www.enfsolar.com/pv/panel
https://www.wholesalesolar.com/solar-panelsSistemas solares fotovoltaicos
Clasificacion de los sistemas
por tamano
Residencial Comercial Gran escala
(< 15 kW) (< 1 MW) (>1 MW)Clasificacion de los sistemas
por tipo
Inyectado Aislado
Hibrido (off-grid)
(on-grid)Otras partes de los sistemas de energía solar fotovoltaica • Inversores • Controladores • Estructuras y anclaje • Cableado • Sistemas de seguimiento solar • Baterías
Tipos de inversores Inversor string Microinversores • Solucion mas usada. • Se conecta un inversor a cada • Se conectan varios strings (series de panel. paneles) al inversor. • Puede venir integrado al panel. • No es la mejor opcion si se generan • Permite monitoreo especifico. sombras o los paneles estan ubicados en • Soluciona el problema de los distintas direcciones. inversores string. • “Capta tanta electricidad como el panel menos eficiente”
Tipos de inversores
Inversores centrales Inversores hibridos Optimizadores de potencia
• Similares al los • Utilizados en sistemas • Regulan el voltaje y
invesores string pero hibridos. corriente para
para una mayor • Integran un sistema de encontral el punto de
cantidad de paneles. inversor/cargador. maxima potencia.
• Son usados en campos • Son bidireccionales • Pueden ser ser
solares a gran escala intependientes para
cada panes o string.
• Puede venir integrado
con el inversorMercado y marcas
Principales marcas
Crecimiento del Mercado de inversores
para solar fotovoltaicaCuales son mejores?
Las eficiencias son altas, pero los costos aun podrian reducirseControladores • Se utilizan es sistemas aislados de la red. • Controlan la carga de las baterias. • Dos tecnologias principals: • PWM • MPPT PWM – Pulse-Width Modulation MPPT – Maximum Power Point Tracking • Mas antiguos • Varia voltaje y amperaje para encontrar el punto de • Los paneles no trabajan a su maxima potencia maxima potencia • La potencia la impone la bateria y su estado de • Hasta un 30% mas eficiente carga • Perdidas 25-30% • Sujeto al voltaje de los paneles
Estructuras
https://ecofastensolar.com/rockit/
https://www.magerack.com/rail-less-mounting-system/magemount_ii-2/
https://unirac.com/roofmount/rmdt/
Importante: tipo de techo o terreno
https://www.terrasmart.com/ground-mounts-tf3/Sistemas de rastreo solar
AL-Rousan, et al (2018)
Costos
Un eje: 50% mas del Proyecto con ejes fijos
IEA (2016). Technology perspectives
Dos ejes: 100% mas del proyecto con ejes fijosVentajas Mayor generacion con el mismo panel Desventajas Mayores costos de instalacion Mayores costos de mantenimiento
Cableado
Conectores MC4 Importante: Para evitar esto
Material del cableado
Aislamiento: condiciones del lugar,
expuesto a humedad y radiacion solar
Tener en cuenta que hay corriente alterna
y corriente directa
Regulacion nacional e internacionalBaterias Profundidad de descarga
Carga minima que debe
Conceptos mantener la bateria –
Capacidad (tamano de la bateria): composicion quimica
Energia total que una bateria puede
almacenar - kWh
Eficiencia de ida y vuelta
Potencia: Energia que puede ser
usada como porcentaje de
Cuanta electricidad puede entregar la
la energia que puede
bateria instantaneamente
guardar
• Capacidad alta + Potencia baja = baja Garantia y vida util
cantidad de energia por largo tiempo
*1 ciclo: una carga y descarga
• Capacidad baja + Potencia alta = alta Puede ser por ciclos* o por de la bateria. Normalmente 1
cantidad de energia por poco tiempo anios por dia
“5000 ciclos o 10 anios al 70%
de su capacidad original”Tipos de baterias
Bateria de plomo y acido Bateria de ion litio Bateria de agua salada
Corta vida de uso y baja Mas livianas y compactas Facil de reciclar
profundidad de carga
Mayor costo, ciclo de vida y Utiliza electrolitos de agua salada
Menos costosas profundidad de carga
Gran escala
Tesla Power Pack
Hornsdale, Australia
100 MW, 129 MWh
(5 kW, 13.5 kWh Tesla Power Wall)El mercado de las baterias
Algunas empresas automotrices estan entrando al negocio de
las baterias como BMW y Mercedes BenzEfecto de las baterias en la red
Algunos ejemplos de baterias
Tesla Powerwall Sonnen Eco LG Chem Resu
13.5 kWh - $6700 5 – 15 kWh - $10000-$20000 9.3 kWh - $6000-$7000Otras tecnologias de almacenamiento
Otras tecnologias
Moller, et al (2017)Otras tecnologias
Hidraulica bombeada Solar concentrada terminca - CSP
Fuente: Consumers Energy - Ludington, Michigan Marruecos - Ourazazate NoorOtras tecnologias Aire comprimido Flywheel
Volviendo a los sistemas solares
Costos de los sistemas
Mantenimiento y monitoreo
Fin de vida de los sistemas solares
Reusar: reparacion de
paneles solares
Reciclar: tratamiento de Reducir: reduccion de
los paneles materialesModelos de negocio e innovación
Modelos P2P – Compra y venta entre Manejo de residuos: baterías, paneles
prosumidores usados, otros componentes
Agregación de fuentes distribuidas de
generación Nuevas tecnologías de
almacenamiento
Energía como un servicio:
Mantenimiento y monitoreo
Parques solares comunitarios
Pronostico
Modelos de leasing o rentingGracias * Algunos textos fueron transcritos de otro idioma, por lo cual pueden presentar errores ortográficos.
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