energía solar
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Energía Solar y sus beneficiosTRANSCRIPT
MSC. ING. JORGE LUIS ROJAS ROJAS
INGENIERÍA ENERGÉTICA
Módulo: II Unidad: II Semana: 3
10/04/2015
ENERGÍA SOLAR
1.ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA
2.ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
ORIENTACIONES
En esta tercera sesión se tratara el tema de la
energía proveniente del sol, tales como la
energía solar fotovoltaica y la energía solar
térmica.
Empezaremos por las definiciones, luego con
el recurso y finalmente con la aplicación
energética.
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
CONTENIDO 1. Definición de energía solar fotovoltaica.
2. Descripción del recurso.
3. Tecnologías de conversión de energía.
4. Aplicaciones.
5. Definición de la energía solar térmica.
6. Descripción del recurso.
7. Tecnologías de conversión de energía.
8. Aplicaciones.
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
¿Por qué usar energía
fotovoltaica? • Es importante que la planeación energética se
realice con miras a lograr un desarrollo sustentable, esto se puede lograr con una visión clara del futuro que queremos.
• Existen dos elementos que sustentan su utilización: “La necesidad de proteger el medio ambiente y la necesidad de crecer económicamente”
¿Qué es la Energía Solar
Fotovoltaica?
La energía fotovoltaica es la transformación directa
de la radiación solar en electricidad. Esta
transformación se produce en unos dispositivos
denominados paneles fotovoltaicos. En los paneles
fotovoltaicos, la radiación solar excita los
electrones de un dispositivo semiconductor
generando una pequeña diferencia de potencial. La
conexión en serie de estos dispositivos permite
obtener diferencias de potencial mayores.
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
La energía solar fotovoltaica se basa en la
captación de energía solar y su
transformación en energía eléctrica por
medio de celdas fotovoltaicas.
Existen dos elementos que sustentan la
utilización de la energía fotovoltaica: "La
necesidad de proteger el medio ambiente y
la necesidad de crecer económicamente"
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
Las aplicaciones de la energía solar
fotovoltaica se basan en el aprovechamiento
de efecto fotovoltaico, este, se produce al
incidir la radiación solar sobre un material
denominado semiconductor. La energía
recibida provoca un movimiento caótico de
electrones.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
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Son dispositivos formados
por metales sensibles a la luz que
desprenden electrones cuando los fotones
inciden sobre ellos. Convierten energía
luminosa en energía eléctrica.
CELDAS O CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
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Están formados por células elaboradas a
base de silicio puro con adición de
impurezas de ciertos elementos químicos,
siendo capaces de generar cada una de 2 a
4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V,
utilizando como materia
prima la radiación solar.
CELDAS O CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
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Los paneles captan la energía solar transformándola
directamente en eléctrica en forma de corriente
continua, que se almacena en acumuladores, para
que pueda ser utilizada fuera de las horas de luz.
Estas células interconectadas y montadas entre dos
láminas de vidrio que las protegen de la intemperie
constituyen lo que se denomina un módulo
fotovoltaico.
PANEL SOLAR
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GENERADOR SOLAR: conjunto de paneles
fotovoltaicos que captan energía luminosa y la
transforman en corriente continúa a baja tensión.
ACUMULADOR: Almacena la energía producida
por el generador. Una vez almacenada existen dos
opciones:
-Sacar una línea de éste para la instalación (utilizar
lámpara y elementos de consumo eléctrico).
-Transformar a través de un inversor la corriente
continua en corriente alterna.
ELEMENTOS DEL PANEL SOLAR
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REGULADOR DE CARGA: Su función es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser irreversibles. Debe asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficacia.
INVERSOR (opcional): Se encarga de transformar la corriente continua producida por el campo fotovoltaico en corriente alterna, la cual alimentará directamente a los usuarios.
ELEMENTOS DEL PANEL SOLAR
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• Temperatura de trabajo de los módulos.
• Eficiencia de la conversión con baja radiación
• Uso de módulos de diferentes características
• Pérdidas por reflexión y suciedad en los módulos
• Sombreados parciales de la instalación
• Eficiencia de los convertidores electrónicos,
transformadores, baterías, etc.
• Pérdidas en el cableado, en los contactos y en los
sistemas de protección (fusibles),
magnetotérmicos, diodos, etc.
Factores que afectan al rendimiento de
los sistemas fotovoltaicos
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
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Principales fabricantes de módulos solares
en el mundo
Compañía
Sharp
BP Solar
Kyocera
Shell Solar
Sanyo
Astropower
RWE Schott
Isofotón
Mitsubishi
Photowatt
( MW)
123.07
73.8
60
57.5
35
29.7
29.5
27.38
24
17
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El módulo fotovoltaico Un grupo de celdas, solares, asociadas
eléctricamente entre sí y encapsuladas
en un único bloque se llama módulo
fotovoltaico, y constituye el elemento
básico con que se construyen los
generadores FV.
El módulo más característico está
constituido por entre 30 y 36 celdas ,
todas de igual tamaño y de iguales
características I-V, conectadas en serie y
encapsuladas entre una lámina de vidrio
que cubre la cara posterior. El módulo
presenta dos bornes de salida, positiva y
negativa y a veces una intermedia para
permitir la instalación de diodos de
protección.
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Constitución de un panel solar
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Tipos de Sistemas Fotovoltaicos
Autónomos o
Remotos
Interactuando con
la Red Eléctrica
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Los sistemas autónomos son el mercado que estimuló la producción industrial de módulos Fotovoltaicos y dio credibilidad a la energía, al demostrar que pese a su costo, son la opción más económica en algunas aplicaciones terrestres:
Electrificación rural
Estaciones repetidoras
Bombeo Rural
Protección catódica
Señalización…..
Sistemas autónomos
Aplicaciones de
sistemas fotovoltaicos
autónomos en
Electrificación Rural
Telecomunicaciones
y medición remota
de señales.
Aplicaciones
marinas y
señalización
Sistemas conectados a la red
CARGA
Un “Sistema Conectado” implica que un
sistema de potencia; conformado por un
generador independiente y su carga asociada,
cuenta también con una acometida de la red
eléctrica
Cargas
Generador FV Inversor Medidor
Bidireccional Red
Eléctrica
Tipos de sistemas conectados a
la red
Estaciones Centrales.- Son plantas de gran capacidad (de hasta varios MW) Operadas por la compañía suministradora. La interconexión con la red siempre es trifásica debido al rango de potencia.
Generadores dispersos.- Son generadores de baja capacidad (1-10KW) instalados en inmuebles residenciales , comerciales o institucionales.
Estaciones de apoyo a la red.- Son similares a una estación central, su objetivo es proporcionar alivio térmico a subestaciones yo líneas de distribución que se encuentren cerca del límite de su capacidad.
SISTEMA CONECTADO A RED
Estaciones Centrales y de apoyo
a la red
INSTALACION FOTOVOLTAICA AUTÒNOMA
TIPOS DE SISTEMAS CONECTADOS A
LA RED
Generadores dispersos.
Son generadores de baja
capacidad (1-10KW)
instalados en inmuebles
residenciales ,
comerciales o
institucionales.
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TIPOS DE SISTEMAS CONECTADOS A LA
RED
Estaciones Centrales
Son plantas de gran
capacidad (de hasta varios
MW) Operadas por la
compañía suministradora.
La interconexión con la red
siempre es trifásica debido
al rango de potencia.
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
TIPOS DE SISTEMAS CONECTADOS A LA
RED
Estaciones de apoyo a la red.
Son similares a una estación central, su objetivo es proporcionar alivio térmico a subestaciones y o líneas de distribución que se encuentren cerca del límite de su capacidad.
Aspectos Económicos
Aunque el costo de los sistemas FV no ha llegado a la
madurez suficiente para competir en el mercado, si
consideramos los siguientes aspectos, ésta tecnología
estaría muy cerca de ser económicamente competitiva.
El valor de la energía
El valor de la capacidad de transmisión
Ahorro en Pérdidas
Valor de la potencia reactiva
Confiabilidad
Valor Ecológico
Política Tarifaria
Rentable
Una inversión que pone en valor un espacio no productivo, como la
cubierta de su nave o un terreno que no rinde.
Ofrece una rentabilidad de entre el 10% y el 15%.
Segura
Una inversión que genera ingresos recurrentes, previsibles y garantizados
por la ley sin ningún esfuerzo de gestión por su parte.
Sencilla
Una inversión que no necesita apenas mantenimiento, sin emisiones ni
consumos, que funcionará en silencio durante más de 25 años.
Sostenible
Cada kWh producido con la instalación evita la generación del mismo
kWh con centrales contaminantes. No se generan emisiones de CO2,
Nox, Sox.
LA INVERSIÓN EN ENERGÍA SOLAR
FOTOVOLTAICA
Impacto ambiental • La conversión de la energía solar a
eléctrica se realiza de manera limpia,
directa y elegante, y no tiene partes
móviles por eso es la mas compatible con
el entorno ecológico.
• Sin embargo hay que mencionar que
algunos de los materiales con los que se
fabrican las celdas son tóxicos, pero como
se usan cantidades mínimas no
representan riesgo.
Seguridad y Normatividad
En Peru no hay normas o regulaciones que
aseguren el buen funcionamiento de los
sistemas FV y que permitan un desarrollo
ordenado para que las instalaciones sean
seguras, eficientes y cubran las expectativas,
condiciones muy importantes para una
tecnología en vías de ser económicamente
competitiva.
• Contribuye a la reducción de emisión
de gases de efecto invernadero y
especialmente de CO2, ayudando a
cumplir los compromisos adquiridos
por el Protocolo de Kioto y a proteger
nuestro planeta del cambio climático.
IMPACTO MEDIO AMBIENTAL
Al no producirse ningún tipo de combustión, no se generan
contaminantes atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen
efectos como la lluvia ácida, efecto invernadero por CO2, etc.
El Silicio, elemento base para la fabricación de las células
fotovoltaicas, es muy abundante, no siendo necesario explotar
yacimientos de forma intensiva.
Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita pistas,
cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos, y su
impacto visual es reducido. Tampoco tiene unos requerimientos
de suelo necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar
entre 10 y 15 m2).
Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos.
Además, no precisa ningún suministro exterior (combustible) ni
presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).
Es inagotable.
VENTAJAS
• JAPÓN: Actualmente, es el principal país productor de
energía fotovoltaica a nivel mundial, el segundo puesto lo
ocupa ALEMANIA.
• ESPAÑA: Es uno de los países europeos con niveles más
altos de radiación solar y tiene un elevado mercado
potencial interior en sistemas conectados a la red. Pero,
por contra, en la implantación de energía solar se
encuentra por detrás de países nórdicos como Suecia,
Holanda o Alemania.
• actualmente España es considerada, junto con Estados
Unidos, Israel y Australia, como uno de los grandes
inversores mundiales en el desarrollo de la energía solar
para producir electricidad.
PRODUCTORES MUNDIALES DE EF
Tradicionalmente este tipo de energía se utilizaba para el suministro
de energía eléctrica en lugares donde no era rentable.
Electrificación de viviendas rurales
Suministro de agua a poblaciones
Bombeo de agua / riegos
Naves ganaderas
Pastores eléctricos
Telecomunicaciones: repetidores de señal, telefonía móvil y rural
Tratamiento de aguas: desalinización, cloración
Señalizaciones (marítima, ferroviaria, terrestre y aérea) y alumbrado
público
Conexión a la red
Sistemas de telecontrol vía satélite, detección de incendios
APLICACIONES
APLICACIONES
APLICACIONES
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
CENTRAL TERMICA DE TORRE CENTRAL
La Energía Solar Térmica o Energía Termosolar consiste en el
aprovechamiento de la energía del sol para producir calor que puede
aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente
destinada al consumo de agua domestico, ya sea agua caliente sanitaria,
calefacción, o para energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse
para alimentar una maquina de refrigeración por absorción, que emplea
calor en lugar de electricidad para producir frio con el que se puede
acondicionar el aire de los locales.
¿QUE ES?
VENTAJAS • La energía solar es una excelente fuente de energía alternativa porque no
hay contaminación al usarse.
• El único costo asociado al uso de la energía solar es el costo de fabricación de los componentes e instalación. Tras la inversión inicial no hay costos adicionales asociados a su uso.
• Los sistemas de energía solar pueden ser diseñados para ser flexibles y expandibles. Esto significa que tu primer proyecto solar puede ser pequeño y puedes aumentar en el futuro la capacidad de tu sistema para adaptarlo a tus necesidades. Al empezar con un proyecto relativamente pequeño puedes reducir el gasto inicial.
• Un sistema de energía solar para generación eléctrica en el hogar puede potencialmente eliminar hasta 18 toneladas de emisiones de gases de invernadero al ambiente cada año.
• La energía solar opera con sistemas silenciosos. No hay contaminación por ruido.
• Una gran ventaja de la energía solar es su uso en ubicaciones remotas. Es la mejor forma de proveer electricidad a lugares aislados en todo el mundo, donde el costo de instalar líneas de distribución de electricidad es demasiado alto.
DESVENTAJAS • Los grandes proyectos de generación de energía solar a escala comercial pueden
requerir grandes cantidades de tierra. Sin embargo, un sistema para una casa
habitación no tiene este problema.
• Los costos iniciales de instalación de un sistema de energía solar pueden ser
altos comparados con otras alternativas. Sin embargo, como se señaló en el
apartado de ventajas, no existen costos posteriores, por lo que la inversión
iniciales recupera rápidamente. Para algunas familias los costos iniciales pueden
ser un obstáculo importante, por lo que en muchos países existen apoyos
gubernamentales y esquemas de financiamiento.
• En algunos lugares la luz solar no tiene la intensidad o no es suficientemente
constante para proporcionar un flujo de energía permanente. Este prácticamente
no es un problema en México, ya que nuestro país cuenta con una excelente
captación de luz solar en prácticamente todo su territorio.
Calentar el agua común es simple, práctico y
económico: Usar la radiación solar para calentar tiene dos grandes ventajas:
• Los sistemas normales se pueden fabricar fácilmente de materiales
comunes y así cuestan poco en relación a otras técnicas para aprovechar
la energía del sol. El mantenimiento es mínimo y tienen una vida como
cualquier otro sistema para calentar agua.
• Quizás lo más importante: convertir la radiación solar en calor es muy
eficiente. Bajo condiciones ideales se puede convertir más de 80% de la
energía solar disponible. Este alto rendimiento es aproximadamente cuatro
veces mayor que el de paneles solares fotovoltaicos para generar
electricidad!
COLECTORES
• Hay muchas formas de aprovechar la energía solar. La más conocida y
usada es captar el calor del sol pasando agua por tubos de cobre con una
capa negra bien aislados que absorben la radiación al máximo.
Frecuentemente se conocen como colectores solares planos o paneles
solares térmicos (vs. paneles solares fotovoltaicos) donde se colocan los
tubos bajo vidrio que calientan el agua para hogares, hoteles, hospitales,
lavanderías, y otros fines. En estos sistemas se consigue bajo el sol
temperaturas del agua alrededor de 70 grados, más que suficiente para el
uso normal (para una ducha caliente solamente se usa una temperatura
entre 35 y 45 grados).
PRINCIPIOS Sistemas normales para calentar el agua se puede clasificar en cuatro principios, lo que permite adaptarlos a los
requerimientos y situaciones individuales.
• Principio pasivo. En esto se usa el efecto que el agua caliente sube por si misma. Así no requiere ninguna
bomba, pero el tanque de agua debe ser colocado arriba del panel solar para captar y guardar el agua caliente.
• Principio activo. Diferente al anterior, se usa una bomba para mover el agua caliente. Tiene la ventaja que se
puede colocar el tanque en cualquier lugar, por ejemplo en el sótano, mientras los paneles son montados en el
techo.
• Principio directo. Aquí el agua de uso fluye directamente por el sistema y es calentado sin otro intermedio. Pero
que pasa por ejemplo en el altiplano, donde la temperatura puede ser debajo del punto de congelamiento en las
noches? El agua se congela y los tubos pueden romperse. En estos casos se usan los sistemas indirectos.
• Principio indirecto. En esto, el liquido que fluye por los paneles es tratado similarmente al agua en los
radiadores de los carros con anticongelantes (por ejemplo glicol). No potable y venenoso para el consumo, esto
requiere separar el liquido que pasa pos los paneles del agua potable con un intercambiador de calor,
normalmente dentro del tanque de agua.
El sistema directo pasivo
Es el más simple y domina el mercado en Perú. Existen varias
empresas nacionales que producen estos calentadores con
paneles planos o los equipan con tubos al vacío. Sobre todo en
Arequipa, donde, con su radiación muy favorable, ya existe una
'cultura' de usar termas solares desde años. Solo en esta ciudad
se estima que más de 35.000 sistemas son instalados.
EL SISTEMA ACTIVO DIRECTO
Elimina la necesidad de colocar el tanque arriba del colector y permite posicionarlo en
cualquier lugar. Para lograrlo, hay que añadir una pequeña bomba que fuerza la
circulación entre los paneles o los tubos y el tanque. Un controlador evita que el agua
circule cuando el panel no produce calor, normalmente durante la noche. La gráfica
muestra este sistema. Además, en este ejemplo se usa una pequeña placa solar
fotovoltaica para alimentas la bomba con electricidad independiente de la red. Este
sistema puede ser muy favorable por razones de diseño y de la vista arquitectónica -
estética. La obvia desventaja es la necesidad de una bomba manejada por un
controlador que añade algo de complejidad y aumenta los costos iniciales.
EL SISTEMA ACTIVO INDIRECTO
Es el sistema que se usa en zonas donde la temperatura puede congelar el agua. Aunque es más sofisticado y necesita una atención mayor (por ejemplo una renovación de los líquidos anticongelantes) todavía es muy rentable. Este sistema domina los mercados en el norte de Europa, donde, aparte de calentar el agua y a pesar de una radiación muy reducida, apoya frecuentemente la calefacción de las casas enviando el calor a través de radiadores a las habitaciones. Este sistema requiere un intercambiador de calor normalmente colocado en el tanque. Recientemente se empezó con la
producción de estos sistemas en el Perú.
10/04/2015
1.J. lebrún Madge. El poder del gas, el
impacto de la energía en desarrollo
mundial. (Autor-editor). Lima 2008.
2.Balance Nacional de Energía 2010 (BNE-
2010).Ministerio de Energía y Minas.
3.V. Daniel Hunt. Diccionario de energía. Ed.
Mc. Laughin research corporation. Ed.
Marcombo. S.A. Barcelona 1984.
BIBLIOGRAFÍA
MSc. Ing. Jorge Luis Rojas Rojas
GRACIAS
62 10/04/2015
LA SIGUIENTE SESIÓN DESARROLLAREMOS
TECNOLOGIAS DE PROSPECCION
10/04/2015
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63
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