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08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán

Aunque no lo veamos, el Sol siempre está

Julio C. Durá[email protected] – www.tandar.cnea.gov.ar

Departamento Energía SolarGerencia Investigación y Aplicaciones – GAIyANN

Comisión Nacional de Energía Atómica


Energía Solar Fotovoltaica en la Argentina y en el Mundo

Actividades en la CNEAJulio C. Durán

[email protected] – www.tandar.cnea.gov.arDepartamento Energía Solar

Gerencia Investigación y Aplicaciones – GAIyANN



La Energía Solar• Fuente inagotable, esencialmente no contaminante pero intermitente y

de baja intensidad Intermitencia

Acumulación diaria (baterías) Acumulación estacional (H2)

Interconexión a red• Potencia típica al mediodía: 1 kW/m2

• Promedio anual de energía solar: 3 – 4 kWh/(m2.día)

⇒ Conversión directa de la energía solar∗ Conversión Fototérmica∗ Conversión Fotovoltaica

⇒ Conversión indirecta de la energía solar∗ Energía Eólica∗ Energía Hidráulica


• Radiación promedio al Norte del Río Colorado 4,5 kWh/(m2.día)• Eficiencia de conversión de energía solar en electricidad 15%• Factor de ocupación del terreno 50%

• Demanda eléctrica año 2010: 115 × 109 kWh

• Área total requerida: 934 km2

• Resulta un área de ≅ 60% a la que cubre el espejo de agua de la represa Yaciretá (1600 km2 con la cota de 83 msnm), generando 6,7 veces más energía

Ejemplo en Argentina


• Generación directa de electricidad– Celda solar de Si cristalino

• 1958 → Vanguard I, paneles fotovoltaicos con celdas de silicio p-n (eficiencia ≅ 10%)

• Hasta 1973 → usos espaciales y militares• Crisis del petróleo → usos terrestres de FV• Década del ’90, nuevo impulso por

cuestiones ecológicas

Conversión Fotovoltaica


• c-Si

• mc-Si

• a-Si:H

• µc-Si

• GaAs

• CdTe

• Cu(In,Ga)Se2

Materiales de Interés FV


Ventajas• 2o elemento más abundante en la corteza

terrestre (25%)• Características eléctricas, químicas y

mecánicas uniformes• Eficiencia de celdas relativamente alta• Estabilidad en la eficiencia (> 30 años)• Tecnología altamente desarrollada e

industria bien establecida

Celdas de c-Si (mono y poli)

Desventajas• Material relativamente caro• Prop. electrónicas no óptimas (baja absorción de luz)• Tamaño de celdas limitado

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Silicon_Solar_cell_structure_and_mechanism.svg


C irc uito equiva lenteC irc uito equiva lente

IIff = Fuente de corriente que representa la fotogeneración = Fuente de corriente que representa la fotogeneración RRj j = Impedancia no lineal dada por la juntura = Impedancia no lineal dada por la juntura RRss = Resistencias serie = Resistencias serie RRpp = Resistencias paralelo= Resistencias paraleloRRcc = Resistencia de carga asociada al circuito externo= Resistencia de carga asociada al circuito externo


C eldas M ono-juntura y M ulti-C eldas M ono-juntura y M ulti-junturajuntura

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

Dis

trib

ució

n de

ene

rgía

[W

/m2 nm

]

Longitud de onda (nm)

ηηmax teóricomax teórico= 37 % = 37 %

1

( ) ( )m

ii

V I V I=

= ∑ηηmax teóricomax teórico= 56 %= 56 %

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

Dis

trib

ució

n de

ene

rgía

[W

/m2 nm

]

Longitud de onda (nm)

Para energías de Para energías de GapGap optimas optimas

Energía Energía del del Gap:Gap:

++

--


1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 20070

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Par

ticip

ació

n en

el m

erca

do [%

]

Otros CIS CdTe a-Si/µc-Si c-Si cinta c-Si poli c-Si mono

Fuente: Envision – Solar Energy Solutions, en base a datos de Photon International

Distribución de las diferentes tecnologías


39,26%8,29%

9,19%

12,59%

13,39% 17,28%

China Alemania Japón Taiwan EEUU Otros (no Top-10)

Participación en el Mercado FV por Países en el año 2008


Emisión de CO2 en el Ciclo de Vida


Tiempo de Retorno de la EnergíaMódulos de Si


Celdas CIGS flexibles

Nanomateriales

• “Dye-sensitized solar cells”: ánodo fotosensible + electrolito

• Celdas orgánicas• FV con radiación solar concentrada

Nuevas tecnologías


• Sistemas aislados (stand-alone)– Espaciales– Electrificación rural

• Viviendas unifamiliares • Electrificación centralizada en núcleos rurales • Puestos sanitarios, escuelas y centros comunales• Puestos de policía y fronteras

– Aplicaciones agrícolas y ganaderas• Bombeo de agua para riego o ganado • Invernaderos (automatización de ventanas e iluminación)• Electrificación de granjas (iluminación, motores, etc.) • Electrificación de cercas

APLICACIONES (1)


– Telecomunicaciones• Telefonía móvil y telefonía rural vía satélite• Repetidores de radio y televisión• Postes de emergencias en carreteras• Telemetría• Radares• Radioenlaces

– Iluminación pública– Bombeo de agua– Protección catódica

APLICACIONES (2)


– Monitoreo remoto• Climático• Sísmico

– Señalización• Faros y boyas de uso marítimo y aéreo• Señalización vial en ciudades y rutas• Pasos a nivel de ferrocarriles • Plataformas petrolíferas

– Productos de consumo• Relojes• Calculadoras

– Cargadores de baterías– Autos solares

APLICACIONES (3)


• Sistemas interconectados a red– Integrados a edificios (“PV in buildings”)– Centrales de potencia

APLICACIONES (4)

Mercado esencialmente subsidiado

Se espera que sea competitivo en 3-7 años


• Módulo FV– Corriente continua (12/24/48 V) →

36/72... celdas de c-Si conectadas en serie– Watt pico: potencia al ser iluminados con 1 kW/m2

(mediodía solar de un día despejado)– Potencias típicas: 80-200 Wp (320-800 Wh/día)

• Sistema FV– Módulos FV– BOS (“balance of system”): baterías, controladores

de carga, conversores CC-AC, estructuras, sistema de seguimiento

Sistema Fotovoltaico


Sistema FV aislado


Universidad Nacional del Nordeste(gentileza Luis Vera)

Sistema FV conectado a la red


Sistema FV conectado a red en la Argentina 2.250 Wp (gentileza ALDAR S.A. - Argentina)


FV en techos – Colorado – EEUU

Atrio en estación de tren – Alemania

FV en ventanas – Holanda


Capacidad instalada de generación eléctrica por energías renovables acumulada al año 2008

(FV sólo conectado a red)

Total

P . desarro

llo

UE -27

China

EEUU

Alem

ania

EspañaIn

d ia

Japón

0

50

100

150

200

250

300

Cap

acid

ad in

stal

ada

[GW

]

Geotérmica FV (red) Biomasa Hidro (pequeña escala) Eólica

• No incluye hidroeléctrica a gran escala: 860 GW

• Capacidad total mundial: 4700 GW

Fuente: REN21


Fuente: REN21

3,47%2,7%5,79%

5,64%

15,21%25,48%

41,7%

Alemania España Japón California UE (resto) Corea del Sur Resto del Mundo

Capacidad FV instalada al 2008 - sistemas conectados a la red


Instalaciones Anuales 2012: 14 GWD e u ts c h e B a n k F IT T R e s e a r c h , F e b r u a r y 2 0 1 0

Potencia FV Instalada Anualmente


“Grid Parity”


Módulos FVPrecios e Instalaciones Anuales

S i l ic o n s u p p ly p r o b le m


España – Situación Actual

• Marzo 2010: la energía eólica aportó el mayor % de generación de electricidad entre todas las fuentes (21%)

• 2010: las E.R. representaron el 13,2% de la energía total

• 2010: la generación FV representó el 2,1% del total


Escenarios y políticas de promociónEscenarios Futuros• Unión Europea: 20% de E.R. para 2020• Argentina: Ley 26190 – 8% de la matriz energética

(eléctrica) nacional con E.R. en 10 años (2006-2016)Acciones políticas5. Sistemas de primas “Feed in tariff”6. Eliminación de subsidios “directos” e “indirectos” a los

combustibles fósiles7. Mecanismos de cumplimiento obligatorio que aceleren

el mercado FV


Mercado Argentino

0200400600800

100012001400160018002000

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Año

Pote

ncia

(kW

p)

Ventas en Argentina Exportación

Información suministrada por Alejandro Zitzer, Numericon S. A

2010-11: 1,2 MW (San Juan) + 2,8 MW (PERMER)


• Financiado con fondos del Banco Mundial (30 M U$S) y del Fondo Mundial del Medio Ambiente (GEF) (10 M U$S). En operación desde Octubre de 1999.

~5.000 viviendas (~500 kWp) ~1.000 servicios públicos, en su mayoría escuelas

(~500 kWp) Catamarca, Chaco, Chubut, Jujuy, Misiones,

Neuquén, Salta, San Juan, Sgo. del Estero, Río Negro, Tucumán

Proyecto Energías Renovables enMercados Rurales – PERMER


• Licitación en San Juan: 1,2 MW FV

• Licitación ENARSA: 1000 MW FR – 20 MW FV

• Fuentes de Financiación (PICTO, FONARSEC)

• Nuevos proyectos: La Rioja, San Juan,...

Hechos recientes importantes


Conversión Fototérmica1979 Concentrador Fijo a Espejo Facetado1986 Concentrador Cilíndrico-Parabólico1989 Estudio de sitio para una central de potenciaConversión Fotovoltaica1986 Crecimiento de Si monocristalino (Czochralski)1992 Celdas solares de Si1995 Dispositivos solares para satélites1997 Estudios de daño por radiación2001 Plan Espacial Nacional

DEPARTAMENTO ENERGÍA SOLARANTECEDENTES


– I&D en celdas solares (Si y III-V) para aplicaciones espaciales y terrestres

– Técnicas de caracterización de celdas solares– Desarrollo de radiómetros– Asesoramiento tecnológico– Normas Iram– Sistemas FV interconectados a red

Terrestres

FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOSTareas de divulgación


– Misión Aquarius/SAC-D – CNEA-CONAE– Misiones SAOCOM 1A y 1B – CNEA-CONAE– Sensores Solares para satélite brasileño – CNEA-

INVAP– Experimento en satélite de comunicaciones – CNEA-

ARSAT– Evaluación de la posibilidad de proveer los paneles

solares para ARSAT-3 – CNEA-ARSAT

Espaciales

08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. DuránEXPERIENCIA EN EL SATÉLITE SAC-A

Celdas de posicionamiento del satélite y panel para ensayos


MISIÓN ESPACIAL SAOCOM

•Misión SAOCOM - CONAE•RADAR SAR Banda L Polarimetrico•Monitoreo Radar y Sistema Emergencias SIASGE•Masa: 3000 kg•Potencia: 1600 w


Aquarius/SAC-D


• Obtención de nueva información climática a partir de– medición de salinidad– evaluación de la circulación y procesos de mezcla en el océano

• Detección de focos de alta T en la superficie terrestre– obtención de mapas de riesgo de incendios– humedad del suelo para alerta temprana de inundaciones.

OBJETIVO CIENTÍFICO

CARACTERÍSTICAS DE LA MISIÓN

• Peso del satélite: 1.600 kg• Órbita: Heliosincrónica 657 km• Período orbital: 98 min. (eclipses de hasta 20 min.)• Lanzador: Delta II• Fecha estimada de lanzamiento: Junio 2011

Aquarius/SAC-D


– Departamento Energía Solar – GIyA – GAIyANN– Departamento ENDE– Departamento Materiales– Gerencia Química

Grupo de Trabajo


Laboratorio de IntegraciónÁrea Limpia Clase 10.000


Celda

Interconector Sustrato

CELDAS SOLARES

WELDING CARA FRONTAL

SUSTRATO

PEGADO VIDRIO

CLASIFICACIÓN CIC

SOLDADURA POSTERIOR Y ARMADO SUBSTRING

INTERCONECTORES

VIDRIOS

CABLEADO, PEGADO DECOMPONENTES, ETC.

PEGADO SUBSTRINGSAL SUSTRATO

CABLES, TEMORESISTENCIAS, DIODOS DE BLOQUEO,

RESISTENCIAS, BUSES, CONECTORES

PANEL SOLAR

SOLDADURA DEINTERCONECTORES

TERMINALES A BUSES

SOLDADURA DIODO A CARA POSTERIOR

DIODOS DE PASO

INTERCONECTORESTERMINALES

Integración de Panel Solar


IDENTIFICACIÓN Y TRAZABILIDAD• Lista de identificación de partes – Base de Datos• Trazabilidad de las celdas solares• Hojas de Ruta con procedimientos y operadores

Aseguramiento de la Calidad (QA)

INSPECCIONES Y SIMULACIÓN• Inspección visual – Criterios PASA/NO PASA• Verificación eléctrica• Simulación del funcionamiento en órbita


Sistemas de Posicionamiento y Soldadura

Procesos de Soldadura Blanda y “Welding”


Ensayos de TracciónProcesos de Soldadura Blanda y “Welding”

400 600 800 1000 1200 1400 16000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

frecu

enci

a

clase (g)


Interconectores

Plateado de Ko y Fabricación de Interconectores


Pegado de Cubierta de Vidrio en Cámara de Vacío

Sistemas y Dispositivos de Pegado


• Simulador Solar “Close-Match”– AM0, 1367 W.m-2

– 300-1800 nm, Multi-fuente (Xe + W)– Celdas solares triple juntura y

monojuntura calibradas• Carga Electrónica + Sistema de

Adquisición de Datos– Método de 4-puntas– Curva I-V completa

• Base Termostatizada– T = (25/28 +/- 0.5)°C– Soporte por Vacío

Ensayo Eléctrico


Verificación Eléctrica de Cadenas en el Panel Solar

– Lámpara de Xe pulsada (flash profesional)

– Osciloscopio y carga electrónica

Ensayo Eléctrico

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 10 20 30 40 50

Tensión [V]

Cor

rient

e [A

]

EEF Simulación 28ºC Simulación 22ºC


Contenedor de Doble PisoEquipos de Soporte en Tierra (GSE)

• Sensores de choque

• Sensores ambientales (T y HRA)

•Cápsula de vapor

• Bolsa de gel absorbente

• Cobertor de film de 200 µm


Cámara de Ensayos EDRA conectada al Acelerador TANDAR


Cámaras para ciclado térmico


METODOLOGÍA DE DESARROLLOPROGRAMA DE CALIFICACIÓN E INTEGRACIÓN

• Modelos de Desarrollo

– Paneles Solares #1, #2 & #3 – Integración y ensayos (mecánicos y térmicos)

• “Engineering Qualification Model” (EQM) Estructura/mecanismos = FM, parcialmente poblado de celdas solares (20%) – Ensayos ambientales (mecánicos y térmicos) de calificación

• “Flight Model” (FM) – Ensayos ambientales (mecánicos y térmicos) de aceptación (“Protoflight levels”)


Configuración de los Paneles Solares

• 2 Paneles Solares (aprox. 9 m2)

• Celdas Solares ATJ Emcore InGaP-InGaAs-Ge 27.5%

• 143 cadenas de 18 celdas (2574 celdas)

• 2 interconectores por celda

• 1 diodo de paso por celda

• Cubierta de vidrio (100 µm) en cada celda

• 1 diodo de bloqueo por cadena


Paneles Solares del Aquarius/SAC-D en el Laboratorio de Integración

08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. DuránPanel Solar del SAC-D en el “shaker” – LIT – Brasil

08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. DuránManipulación de los paneles para el armado final en Vandenberg, EEUU


INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS FV A LA RED ELÉCTRICA EN

AMBIENTES URBANOS


Sistema FV conectado a la red

4-1

1 Generador solar, 2 Caja de conexión del generador, 3 Inversor, 4 Contador bidireccional de consumo e inyección, 5 Conexión a red, 6 Punto de consumo


Evaluación de superficie en techos de la CABA aptos para sistemas FV

Nota : no se consideraron las superficies de fachadas de edificiosFuente: R. Fernández, “La Energía Solar Fotovoltaica: Sistemas Fotovoltaicos integrados a Red en la Ciudad de Buenos Aires”, Jornadas sobre Energías Renovables para la Ciudad de Buenos Aires en el Marco del Cambio Climático, Defensoría del Pueblo de la C.A.B.A., 27/09/2010

Detalle km2 % Sup. Total

Sup. Total C.A.B.A. 202.04 100.0%Sup. Espacios Verdes 16.9 8.4%Sup. Calles y Avenidas 29 14.4%Sup. Neta 156.1 77.3%Sup. Techos 35 17.3%Considerando 25% (techos al Norte) 4.3%Sup. Neta Paneles Solares 50% (pérdidas por espaciamiento) 4.4 2.2%

Ciudad Autónoma de Buenos Aires


Consumo anual de energía en la CABA y aporte de sistemas FV conectados a Red

AnualDemanda en CABA (MWh) 11927108Rad. Global diaria (kWh/(m2.día)) 4.51Superficie neta paneles solares (m2) 4375000Potencia Sistema FV - 130 W/m2 (MW) 568.8Energía producida sistemas FV (MWh) 922800% de Energía generada con sistemas FV 7.74%Ton CO2 evitadas (0,6 Ton/MWh) 553678

Fuente: R. Fernández, “La Energía Solar Fotovoltaica: Sistemas Fotovoltaicos integrados a Red en la Ciudad de Buenos Aires”, Jornadas sobre Energías Renovables para la Ciudad de Buenos Aires en el Marco del Cambio Climático, Defensoría del Pueblo de la C.A.B.A., 27/09/2010


Posibles Acciones

• Planes iniciadores, por ej. “1.000 Techos” del Senado Alemán en los 90´s

• Planes de estímulos iniciales (subsidios, tarifa, etc.), hasta que la tecnología alcance su “punto de paridad”

• Estudios de “acceso” para optimizar la red• Marco regulatorio eléctrico que permita la inyección y

comercialización de energía desde viviendas


Objetivo Principal

• Instalación y evaluación de sistemas FV distribuidos e interconectados a la red eléctrica en áreas urbanas y periurbanas ⇒ Inyección de energía eléctrica a la red– Edificios públicos (UNSAM, CNEA, escuelas,…)– Conjunto de viviendas unifamiliares


Motivación• Hasta ahora, FV en el país limitado casi

exclusivamente a aplicaciones en áreas rurales aisladas.

• Plan “iniciador”.• Los centros urbanos concentran la casi

totalidad de la demanda eléctrica del país y disponen en su gran mayoría de insolación satisfactoria que permite encarar un programa gradual de generación distribuida (GD) mediante FV.


• Mercado FV Mundial actual– Rápido crecimiento de FV integrado a viviendas en red– Capacidad de producción global superior a 10 GW/año– Precio de los módulos < 2 U$S/W (1 U$S/W??)– 80% Si mono o multicristalino– Participación cada vez más relevante de China– Importante avance de celdas de película delgada (CdTe)– Costo competitivo con fuentes convencionales en 3-7 años???

• > 2.000 millones de personas en el Mundo sin energía eléctrica ⇒ mercado potencial para FV

• FV en la Argentina– I&D y RRHH en el tema, insuficientes– Escasa presencia de FV y sólo en aplicaciones aisladas– Se requieren políticas agresivas que impulsen gradualmente

la incorporación de renovables

Comentarios Finales


Muchas gracias!

Julio C. Durá[email protected] – www.tandar.cnea.gov.ar

Departamento Energía SolarGerencia Investigación y Aplicaciones (ex-Departamento de Física)


aunque no lo veamos, el sol siempre está - cnea• eficiencia de conversión de energía solar en...

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