Sistemas de Generación Fotovoltaica PDF

Sistemas de Generación Fotovoltaica Rafael J. Moreno Sáez Dpto. Tecnología Electrónica Integración de Energías Renovables Grado en Ingeniería de la Energía GRADO EN INGENIERÍA DE LA ENERGÍA INTEGRACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES...

Sistemas de Generación Fotovoltaica Rafael J. Moreno Sáez Dpto. Tecnología Electrónica Integración de Energías Renovables Grado en Ingeniería de la Energía GRADO EN INGENIERÍA DE LA ENERGÍA INTEGRACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES Departamento de Tecnología Electrónica Universidad de Málaga Francisco J. Sánchez Pacheco 1 Contenidos 1. Sistema de generación de energía fotovoltaica. El inversor fotovoltaico 2. Topologías y principales características de los inversores fotovoltaicos conectados a la red eléctrica 3. Diseño de instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 2 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción El sol, el astro rey siempre ha sido venerado por todas las civilizaciones F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 3 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción El sol en números… F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 4 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción El sol en números:  Esfera de gas bajo permanente fusión nuclear  Distante 150 x 106 km de la tierra  Temperatura de la superficie ≈ 6000 K F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 5  1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción de  Principal fuente radiaicón electromagnética  La luz emitida tarda 8m 19” en llegar a la tierra (@ 300E6 m/s)  Considerado como un cuerpo negro a 6000 K, irradia en el rango de los 250nm a los 2500 nm  Al nivel del mar, la energía proporcionada por el sol es de 1353 W/m2 @ 500 nm (AM1,5) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 6 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción Irradiancia del sol en la superficie de la tierra F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 7 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción Funcionamiento de la célula solar F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 8  1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción Estructura de la célufa FV Basada en una unión semiconductora de tipo p-n F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 9 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción Si de tipo n: exceso de electrones Si de tipo p: exceso de huecos F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 10 EFECTO FOTOVOLTAICO Fuente ABB 11 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción Espectro de la radiación incidente E= incident foton energy h= Planck constant c= speed of light λ=radiation wavelength Energy gap (Eg) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 12 1. Sistemas de generación de Energía Fotovoltaica Introducción With doped silicon, E required is 10%) - PR = Performance ratio, considerando la temperatura, pérdidas en el cableado, suciedad, seguimiento del MPPT, pérdidas del inversor. - Pmp = Potencia pico del generador - CEM = 1 kW/m2; Ta= 25ºC; AM=1,5 F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 134 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Energía generada por el GFV Energía generada por el sistema FV en AC (EAC) - PAC = Potencia generada en AC durante un período de tiempo (año) en horas (kWh) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 135 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Energía generada por el GFV El PR se define como el cociente entre la productividad final o “Final Yield (YF)”, y la productividad de referencia o “Reference Yield (YR)” El Final Yield (YF) es l a energía útil anual producida por el sistema en un cierto período de tiempo, EAC, por unidad de potencia instalada, expresada en kWh/kWp El Reference Yield (YR) se define como la irradiación solar anual incidente en el plano del generador fotovoltaico Ga(α,β), expresada en kWh/m2, respecto de la radiación nominal G* de 1 kW/m². F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 136 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Energía generada por el GFV Performance Ratio (PR) (según EN 16339) Considera:  Las pérdidas energéticas asociadas a los rendimientos de conversión DC/AC  Pérdidas por seguimiento del punto de máxima potencia del inversor  El rendimiento de las células solares es inferior al que indica el valor de su potencia nominal, ya que no trabajan a STC (Tc >> 25 ºC) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 137 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Energía generada por el GFV. Valores usuales de PR F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 138 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Referencias bibliográficas IDEA: Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica. Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 139 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Referencias web http://valentin.de/calculation/pvonline/pv_system/en http://www.pvsyst.com/en/ http://www.pvsyst.com/en/publications/scientific-publications http://www.hmsistemas.es/shop/catalog/calculadora_consumos.php?os Csid=7e538b05744befd4b0d04b1193cd13cd F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 140 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Inversor fotovoltaico F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 141 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Balance de generación Potencia DC (W) Potencia AC (W) ═ ≈ Pérdidas DC Pérdidas AC Energía DC (Wh) Energía AC (Wh) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 142  3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Estimación de la potencia generada en AC a la salida del inversor: — PAC = Potencia de AC generada a la salida del inversor (W). — PDC,MPP = Potencia pico DC instalada — ηinv = Rendimiento del inversor F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 143 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Energía generada por el sistema FV en AC (EAC) - PAC = Potencia generada en AC durante un período de tiempo (año) en horas (kWh) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 144 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor fotovoltaico F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 145 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  El número de inversores y la potencia dependen de la potencia total de la instalación  La potencia de entrada en DC del inversor depende de la potencia fotovoltaica generada  Se admite que la potencia de entrada del inversor en DC sea:  El factor de dimensionamiento del inversor sería:  Admitiéndose: F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 146 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  La tensión de entrada del inversor es la suma de las tensiones de los PFV conectados en serie  Es conveniente tener en cuenta la temperatura de funcionamiento F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 147 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  Número máximo de PFV conectados a un inversor (considerando condiciones STC  El inversor requiere una tensión mínima de entrada para un funcionamiento correcto  Un aumento notable de la temperatura ambiente producirá una disminución de la Voc, pudiendo afectar el rendimiento del inversor F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 148 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Consideraciones iniciales  Número máximo de strings conectados a un inversor (considerando condiciones STC F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 149 Inversor fotovoltaico. Topologías de conexionado 150 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Tipos de conexionado Modelo de inversor centralizado F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 151 Conexión Centralizada o Inversor Central (10kW – 1MW)  Uso en plantas homogéneas  mismas características (orientación e inclinación, tecnología,…)  Un solo inversor  Trifásica (3ϕ)  Alta Eficiencia  Mucha dependencia del inversor Grandes Plantas FV  Uno o varios propietarios  Vender Electricidad al Sistema 152 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Tipos de conexionado Modelo de inversores conectados al string F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 153 Conexión Hileras, String o Ramas (1,5kW – 5kW)  Uso en plantas heterogéneas  distintas características (orientación, tecnología,…)  Un Inversor por cada Hilera  Monofásico (1ϕ)  Pequeñas instalaciones  Viviendas unifamiliares  Pequeños negocios  Comunidades de vecinos 154 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Soladin 600  Convierte la corriente continua generada por los paneles solares en corriente alterna estándar a 230 V/50 Hz, hasta 600 Wp  En el caso de que la línea eléctrica sea cortada, se apagará automáticamente  Seguidor MPP dinámico que permite alcanzar un 99 % del MPP en la salida  Rango de entrada, capaz de suministrar hasta 600 Wp, con una franja en el voltaje desde 45 a 125 V CC  Admite configuraciones con paneles de 36, 54 así como también 72 células  El rango de corriente de entrada va desde 0 a 8 A DTE. GIE Integración de Energías Renovables F. Sánchez Pacheco 155 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Soladin 600 ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS: Potencia nominal: 550W Voltaje de entrada solar: 40-125 VCC Voltaje máximo: 155 VCC Voltaje de salida a red: 230V ( Programable ) Potencia máxima de salida: 2.25A Frecuencia de red: 50 Hz. Eficacia: 91-93% F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 156 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Sunny Island ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS: Salida de Ca (equipo consumidor / red aislada)  Rango de tensiones de salida CA 230 V / 202 V – 253 V  Frecuencia nominal / rango de frecuencia (ajustable) 50 Hz / 45 Hz-65 Hz  Potencia asignada (a Unom,fnom / 25 °C / cos ϕ = 1) 4600 W  Potencia de CA a 25 °C durante 30 min / 5 min / 3 s 6000 W / 6800 W / 11000 W  Intensidad asignada / corriente de salida máxima (pico) 20 A / 120 A  Coeficiente de distorsión no lineal de tensión de salida / factor de potencia a potencia asignada < 4 % / -1... +1 Batería de entrada de CC  Tensión asignada de entrada / rango de tensión de CC 48 V / 41 V-63 V  Corriente de carga máx. de la batería / corriente de carga asignada 110 A / 100 A  Tipo de batería / capacidad de la batería (rango) FLA, VRLA / 100 Ah... 10 000 Ah Regulación de carga Procedimiento de carga IUoU con carga completa y de compensación automáticas Rendimiento / consumo característico  Rendimiento máx. 95%  Consumo característico sin carga / en espera < 26 W / < 4 W  Rango de temperatura de servicio -25 °C... +60 °C F. Sánchez Pacheco 157 DTE. GIE Integración de Energías Renovables 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Soladin 1500 web Grid output (AC) specifications Grid voltage 230 V +15%/-20% Nom. output power 1575 VA Max. output power 1575 VA Max. output current 7.6 A Frequency 50/60 Hz Power factor > 0.99 Standby power < 0.5 W EU efficiency 95.0 % Max. efficiency 95.6 % Solar input (DC) specifications PV power range 1300-2000 Wp Start-up power < 5 W Operating voltage range 80-375 V MPP voltage range at nom. power 150-300 V Nom. voltage 220 V Max. voltage 375 V Number of inputs 1 MPP tracker and 1 set AmphenolDC connections Efficiency MPP trackers (static/dynamic) 99.9 % / 99.7 % Nom. input current 11A DC protection surge arresters, class III according to IEC 61643-1 Number of panels 6-8 F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 158 Conexión Multi-Hilera, MultiString (> 10kW)  Evolución de Conexión en Hilera  Uso en plantas heterogéneas  Trifásica (3ϕ) y  Monofásica (1ϕ)  Formado por :  Convertidor dc/dc por hilera  Bus DC  Inversor Central  Buen Rendimiento  Convertidor dc/dc realizan MPPT  Pérdidas de convertidores se propagan 159 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR)  3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Inversor fotovoltaico. Topologías de conexionado  Inversores distribuidos (de baja potencia) F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 160 Conexión Modular (100W - 350W)  1 Inversor (μicro-inversor) en cada panel  Permite mucha versatilidad, características muy distintas (orientación, inclinación, tecnología…)  Cada módulo tiene su MPPT  Monofásico (1ϕ)  Fácil Ampliación  Sin cableado en c.c.  Muy caro 161 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) Inversor Modular 162 dte. Sistema Conectado a Red (SFCR) 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Conexionado y protecciones Estructura del conexionado del sistema FV F. Sánchez Pacheco DTE. GIE Integración de Energías Renovables 163 3. Diseño de instalaciones FV conectadas a red Dimensionado del Inversor FV. Referencias: - Planning and Installing. Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers. DTE. GIE Integración de Energías Renovables 164