vol. lx - fascículo vi - noviembre-diciembre 1983 · 5-18 por josé morales barroso matriz de...

Vo

l. L

X -

Fas

cícu

lo V

I - N

ovi

emb

re-D

icie

mb

re 1

983

EL LIBRO

LA RED INTELIGENTE: AHORRO ENERGÉTICO Y TELECOMUNICACIONES

CONVERGENCIA DE LAS REDES TELEMÁTICAS CON LA RED ELÉCTRICA Y DESARROLLO SOSTENIBLE

Puede descargarse gratuitamente en:

http://www.LMdata.es/uets/mma/ethf-mma-ebook.pdf

Vo

l. L

X -

Fas

cícu

lo V

I - N

ovi

emb

re-D

icie

mb

re 1

983

Vo

l. L

X -

Fas

cícu

lo V

I - N

ovi

emb

re-D

icie

mb

re 1

983

SUMARIOSUMARIOVol. LX - Fascículo VI - Noviembre-Diciembre 1983

Energía eléctrica del sol ........................................ 3

Proyecto de planta fotovoltaica de media potencia ................................................................. 5-18Por José Morales Barroso

Matriz de paneles solares ................................. 21-34Por José M.a UrretaVizcaya González

Servosistema de posicionamiento y segui-miento solar para matrices de paneles foto-voltaicos .......................................................... 37-44

Por Miguel Covas O'Ryan

Estructura para paneles fotovoltaicos y segui-miento del punto de máxima potencia ................ 47-55Por Manuel Peláez Benítez

Control, señalización y medida por microproce-sador para instalación de energía solar foto-voltaica ................................................................. 57-65Por Fernando Bermúdez de Castro Fernández

Diseño y análisis por ordenador de central solarfotovoltaica .......................................................... 67-71Por Santiago Uno

Noticias .................................................................. 72

de mecánica y electricidad

ENERGIA ELECTRICA

DEL SOL

Loado seas, mí Señor, con todas tus criaturas, especialmente el hermano Sol, el cual hace el día y nos da la luz. Y es bello y radiante y con gran esplendor; de Ti, Altísimo, lleva significación.

Cántico del hermano Sol, S. Francisco de Asís.

Sería bueno aprovechar esta ocasión del 75 aniversario para, dentro del marco de nuestra actividad, sacar lo nuevo, armonizarlo con lo antiguo y buscar con todo ello un progreso que evite romper el equilibrio indispensable. Una de las grandes preocupaciones del P. Pérez del Pulgar fue «la resolución del transcendental problema del abaratamiento de la producción de energía eléctrica en nuestro país», pues era consciente del hecho de que la energía eléctrica a bajo coste es imprescindible para el desarrollo de los pueblos.

La energía solar fotovoltaica ya ha demostrado sus ventajas en todas aquellas áreas en las que la utilización de energía eléctrica convencional es prohibitiva, como, por ejemplo, satélites y naves espaciales, repetidores de comunicaciones en lugares remotos, sistemas de riego, boyas de señalización marinas, viviendas sin acceso a la red eléctrica, protección catódica de corrosión en puentes, oleoductos y otras estructuras metálicas, y un largo etcétera.

Una de las aplicaciones en las que este tipo de energía se muestra particularmente favora-ble es en la electrificación de las zonas deprimidas del planeta. En éstas no existen ni grandes cen-trales de generación ni líneas de suministro eléctrico, y mucho menos el dinero necesario para las inversiones requeridas en su construcción. Las plantas solares fotovoltaicas disponen de características especialmente buenas para la instalación de sistemas de generación distribuidos, de pequeño tamaño, debido a su facilidad y economía de montaje y mantenimiento en este tipo de aplicaciones.

Gracias a la reducción de precio experimentaba por los paneles fotovoltaicos desde el año 1973, en que la crisis del petróleo favoreció la investigación y desarrollo de nuevas fuentes de energía, su utilización ha aumentado de forma continua. Los nuevos paneles de capa fina de silicio amorfo sobre substrato de vidrio, de los que actualmente se producen en una sola factoría cuatro millones de unidades al mes para calculadoras solares, que estarán disponibles en el mercado para aplicaciones de generación eléctrica a mediados de 1984, y gracias a su reducido coste (la décima parte de los paneles actuales), hacen previsible que para 1986 el precio del kilowatio hora de ori-gen fotovoltaico será del mismo orden que el procedente de la red eléctrica. Debido al interés que despiertan las posibilidades de futuro de esta nueva fuente de energía, especialmente en España, y al no disponer dentro de nuestro colectivo de recursos económicos para su estudio, se ha iniciado éste aprovechando la realización de varios proyectos de fin de carrera, lo que ha permitido llegar a un conocimiento básico de la problemática de las centrales fotovoltaicas de baja y media potencia sin ocasionar gasto alguno. En el proyecto tomado como base se han incluido las nuevas tecno-logías nacidas de la llamada «revolución electrónica», de la que las propias células forman parte, con objeto de obtener el rendimiento total óptimo de la instalación.

Espero que el presente trabajo colabore en la difusión de esta nueva fuente energética, que puede llegar a ser una de las alternativas más importantes para el suministro eléctrico en un próxi-mo futuro.

JOSÉ MORALES BARROSO

PROYECTO DE PLANTA

FOTOVOLTAICA DE MEDIA POTENCIA

Por JOSÉ MORALES BARROSO Ingeniero I.C.A.I. Director del Proyecto Solar

El Sol es un gigantesco reactor de fusión que emite energía en forma de radiación electromagnética, aproximadamente como un cuerpo negro a 5.900° K, estando en su mayor parte comprendida en las longitudes de onda correspondientes al espectro visible y parte del infrarrojo.

La energía total recibida desde el Sol sobre la unidad de área perpendicular a la radiación solar, a la distancia media Tierra-Sol, se denomina «constante solar», siendo su valor, en ausencia de atmósfera terrestre, de 1.353 W/m2. La atmósfera terrestre actúa como un filtro, siendo por ello el valor de radiación solar directa, al mediodía, en día claro y al nivel del mar de 1.000 W/m2. Para un punto determinado, el valor real de insolación es función del clima local, de la latitud y de la posible polución ambiental.

La tierra, al girar sobre su órbita ligeramente elíptica alrededor del Sol, produce variaciones anuales en el valor de la insolación que recibe en su superficie. Asimismo, la inclinación del eje de giro de la Tierra, de 23,5°, produce una variación continua en la elevación del Sol sobre el horizonte, alcanzándose el valor máximo en verano y el mínimo en invierno. Esto hace que para una superficie fija la insolación cambie constantemente debido al ángulo de incidencia de la luz solar.

El sol

N N

21 junio 22 diciembre

22 septiembre Figura 1

Proyecto de planta fotovoltaica de media potencia

6

El descubrimiento del efecto fotovoltaico se publicó en el año 1839. En 1880 se inició la ex-plotación comercial de células de selenio para fotometría. En 1954 se fabricó la primera célula solar de aplicación práctica, utilizándose para ello silicio monocristalino. Los estudios llevados a cabo en diversos compuestos semiconductores dieron como resultado la obtención de otros tipos de células solares de posible aplicación práctica, destacando entre éstos el arseniuro de galio y el sulfuro de cadmio. En la figura 2 se dan las curvas de respuesta correspondientes a varios semiconductores.

Aunque se han fabricado células de varios tipos, las que se utilizan actualmente de modo más general son las de silicio, debido, principalmente, a su menor coste y mejor estabilidad.

Dentro del contexto de la generación de energía eléctrica podemos considerar dos formas de conversión, directa e indirecta. En la conversión directa se incluyen aquellos procesos por los cuales un tipo de energía se transforma en eléctrica sin ningún paso intermedio. Las células foto-voltaicas funcionan por conversión directa; la energía luminosa incidente genera una tensión (también denominada fuerza electrolumínica), que es capaz de producir corrientes apreciables sobre circuitos externos.

La fabricación de paneles solares a partir de silicio puede utilizar éste en forma cristalina o amorfa. En ambos casos se necesita que el silicio esté refinado hasta quedar prácticamente exento de impurezas. Este proceso es muy caro, y por ello es importante para el precio final que la cantidad de silicio utilizada sea mínima. En el caso de silicio cristalino se hace crecer un lingote mono o policristalino, del cual se cortan unas láminas muy finas, a partir de las que se forman las células, que una vez ensambladas constituirán los paneles solares.

Debido a los altos costes de fabricación de las células cristalinas se han llevado a cabo, des-de el año 1973, gran cantidad de estudios sobre células de capa fina de silicio, concepto ya emplea-do en la década de 1950 para la producción de células de sulfuro de cadmio. Este sistema fue abandonado prácticamente en 1967 por no disponerse de la tecnología necesaria para la fabricación comercial de células.

Células fotovoltaicas

Figura 20.6 0.8 1.0

LONGITUD DE ONDA

Células de silicio amorfo

7

ENERGIASOLAR

Los grandes avances conseguidos en estos últimos años en la tecnología de semiconducto-res han hecho posible la producción de paneles fotovoltaicos de capa fina de silicio amorfo. Estos tienen unas características que superan a los cristalinos, fundamentalmente, por razones económi-cas. Estas son:

— Se componen de tres capas muy finas depositadas sobre vidrio. — El espesor total de la célula es aproximadamente una miera, siendo la mitad de silicio. — Necesitan muy poco silicio purificado respecto a las cristalinas, cuyo espesor es de 100 a

300 mieras. — Permiten la fabricación continua totalmente automatizada, con procesos empleados en la

actualidad para la fabricación de espejos y recubrimientos especiales sobre vidrio. — Procesos de producción a baja temperatura, del orden de 200° C, por depósito continuo

sobre superficies del orden de 1 m2. Para las cristalinas, la temperatura supera los 2.000° C, y la superficie típica es de 1 dm2.

La estructura de la célula está representada en la figura 3. Se da a continuación el espesor de cada una de las partes que la forman.

— Soporte de vidrio ................................................................................. 5 milímetros — Capa conductora de óxido transparente .............................................. 0,5 micras — Tres capas de silicio amorfo, que forman la célula:

Capa P ............................................................................................. 0,1 micras Capa Intermedia .............................................................................. 0,5 micras Capa N ............................................................................................ 0,2 micras

— Capa conductora metálica .................................................................. 0,5 micras — Capa protectora para encapsulado ...................................................... 1 milímetro

Figura 3

En los paneles fabricados hasta la fecha se ha medido un rendimiento entre el 7 -=- 8 %, con un máximo teórico del 14 %. Con objeto de aumentar éste se está experimentando un sistema consistente en depositar una segunda, e incluso una tercera célula sobre la primera, teniendo cada una de ellas diferente respuesta luminosa, lo que permite un mejor aprovechamiento del espectro electromagnético, pues la primera célula absorbería la radiación de la zona azul-verde, más energética, y la siguiente, la zona roja, menos energética. Con este sistema es posible alcanzar rendimientos por encima del 20 %.


8

La instalación de sistemas fotovoltaicos se basa en que el coste del kilovatio hora producido

sea inferior al del resto de alternativas posibles. La capacidad de producción de energía de un panel fotovoltaico es función de su duración;

actualmente se diseñan para una vida de veinte años, y de la insolación recibida a lo largo de cada año. Son, por tanto, más rentables para lugares con mayor número de horas de Sol anuales.

Como la producción eléctrica de los paneles solares es función del nivel de insolación y. por tanto, variable en función de condiciones externas, se ha tomado como valor de referencia el denominado «watio pico» (Wp) que se refiere a la máxima potencia que puede producir un panel en condiciones de máxima insolación. 1 000 W/m2 con una temperatura de la célula de 25° C

El estado actual de la tecnología fotovoltaica hace suponer que hasta 1990 el coste mínimo que se puede conseguir utilizando células cristalinas se sitúa entre 2÷3 dólares por Wp. Para paneles de silicio amorfo el precio para 1984 es de 0,5 dólares/Wp, pudiéndose reducir hasta 0,3 dólares/Wp

A los costos de los paneles se deben añadir otros que intervienen en el precio final de la instalación, como son:

— Precio del terreno Cualquier lugar sin sombras es adecuado, resultando idóneo el teja do, sobre todo si se considera al hacer el proyecto del edificio

— Montaje y mantenimiento. Los costes por estos conceptos son mínimos

— Sistemas de potencia y control. Son uno de los puntos más críticos de la instalación, es-tando en ellos la clave de su buen funcionamiento.

Foto n.° 1. Montaje de paneles.

Criterios económicos

9

ENERGIASOLAR

— Almacenamiento. Actualmente se utilizan baterías de plomo, siendo éste uno de los parámetros que más inciden en el coste final. En el futuro, el sistema que parece tener mayores posibilidades se basa en la generación de hidrógeno por electrólisis del agua, almacenarlo en forma de gas o hidruro metálico y emplearlo directamente, para cocinar, por ejemplo, o por medio de pilas de combustible para generar electricidad

Al ser la tecnología que nos ocupa tan rápidamente cambiante, se ha pretendido la realiza-ción de un proyecto que nos permita conocer sus bases de funcionamiento y criterios de aplicación, y. por otro lado, obtener una metodología en el análisis y diseño de sistemas fotovoltaicos.

El principal objetivo perseguido, ya que estamos estudiando un sistema de producción de energía, ha sido conseguir la mayor eficiencia energética posible, utilizando para ello los recursos disponibles, como son microelectrónica, electrónica de potencia e informática

Este tipo de proyectos tiene su marco legal en la Ley 82/1980, de 30 de diciembre, sobre conservación de energía y el Real Decreto 907/1982, de 2 de abril, sobre fomento de la autogene-ración de energía eléctrica, dentro de cuyos fines podemos destacar los siguientes:

— Optimizar los rendimientos de los procesos de transformación de energía. — Potenciar la adopción de fuentes de energía renovables. — Crear y desarrollar la tecnología nacional de sistemas que utilicen fuentes de energía re-

novables. — Impulsar la investigación tecnológica relacionada con la eficiencia de la transformación

energética — Desarrollar nuevas fuentes de energía de origen nacional, así como su utilización y nuevas

formas de manipulación de las mismas — Conexión con la red eléctrica de sistemas de autogeneración de energía eléctrica con ob-

jeto de lograr ahorros de energía

Se pretende suministrar energía eléctrica a cinco viviendas unifamiliares, situadas geográfi-camente en la zona norte de los alrededores de Madrid, en el término de Torrelodones, con una la-titud de 40° 24’ 30", para lo cual se dispone de una parcela sin sombras.

Como se ha dicho anteriormente, debido a la órbita de la Tierra alrededor del Sol, y a la in-clinación en su eje de giro respecto al plano orbital, se produce un ciclo anual en el nivel y ángulo de insolación, que en combinación con los datos meteorológicos del lugar, nos permiten hacer una estimación de la energía producida a lo largo del año por un panel Al ser los datos meteorológicos variables aleatorias se deberá hacer un estudio estadístico para conocer las condiciones medias del lugar que debemos aplicar para el diseño del campo de paneles

Proyecto de planta solar

Estudio previo


10

SUR

La orientación ideal de un panel es cuando los rayos solares inciden perpendicularmente, siendo necesario disponer de un sistema de seguimiento para mantener al panel en la citada orien-tación. Cuando se instalan los paneles fijos se deben orientar al Sur (en lugares de latitud Norte), en cuyo caso, el ángulo de inclinación óptimo depende de la latitud. En las figuras 4 y 5 se ha re-presentado la trayectoria aparente del Sol sobre el horizonte, visto desde el norte del Trópico de Cáncer, y los ángulos de inclinación óptimos para los equinoccios (A), invierno (B) y verano (C).

Con objeto de obtener datos fiables se procedió a estudiar el perfil de insolación de un año típico, utilizando los datos del Instituto Meteorológico Nacional, para lo que se recurrió al trata miento mediante computadora, dando como resultado que el año más representativo, con los da tos disponibles, es 1978.

Figura 4 TRAYECTORIA SOLAR EN VERANO EN INVIERNO

ESTE OESTE

#, INVIERNO OBSERVADOR

NORTE

DIRECCIÓN LUZ SOLAR INCIDENTE

PANEL

HORIZONTAL

Figura 5

E = EQUINOCCIO V = VERANO I = INVIERNO

11

ENERGIASOLAR

Estos datos, aplicados a un panel en tres condiciones de funcionamiento: a) sobre la hori-zontal, b) fijo con 40° de inclinación y orientación Sur, c) con seguimiento total, dieron los resulta-dos que se representan gráficamente en la figura 6.


12

Una vez conocidos los valores de insolación se procedió a la estimación de los consumos de las viviendas, tomando como datos de base los publicados por ADAE (Asociación de Aplicaciones de la Electricidad) sobre consumos medios de electrodomésticos. Con objeto de reducir el consumo se utilizarán para el alumbrado lámparas de alto rendimiento, especiales para sistemas fotovoltaicos. El agua caliente, necesaria para la lavadora y el lavavajillas, se tomará del sistema de agua sanitaria de las viviendas procedentes de paneles solares de baja temperatura. Durante el verano se utiliza aire acondicionado, aprovechando el excedente de energía que coincide con los días más calurosos.

Se considera la utilización de los siguientes electrodomésticos: alumbrado, frigorífico, televisor, pequeños aparatos, plancha, lavadora, lavavajillas y aire acondicionado.

Con los datos citados se obtuvieron tres curvas típicas de consumo, correspondientes a ve-rano, invierno y equinoccios, que se representan en la figura 7.

A efectos de la realización de los estudios económicos necesarios se han convertido los pre-cios de todos los elementos a valores energéticos, tomando como base el precio del Kw. hora en ta-rifa normal. Esto supone, por. un lado, evitar las complicaciones de los cálculos económicos, al ser totalmente imposible conocer la evolución de los intereses y la inflación en el período de veinte años en que nos movemos, y por otro lado, se obtienen directamente los balances de energía, que es el fin que perseguimos.

Criterios de diseño

13

ENERGIASOLAR

Otra razón por la que no es interesante entrar en cálculos económicos es que ya se sabe de partida que el sistema que se va a diseñar, con los elementos de que disponemos en el mercado, no es rentable en comparación con el suministro de red. Precisamente, uno de los objetivos buscados es conocer cuándo se alcanza ese nivel de rentabilidad desde el punto de vista de energía.

Para obtener el balance energético, comparamos la suma de todos los costos anuales, en magnitudes unitarias, con los Kw. hora producidos por la instalación a lo largo del año, siendo rentable el sistema cuando el segundo valor sea superior al primero

Foto nº 3. —Sistema de protección catódica.

Foto nº 2.— Montaje sobre torre


14

15

ENERGIASOLAR


16

El criterio empleado para definir el número de paneles a instalar ha sido que el valor de la

producción, en el día que esta es máxima, sea el 20 % superior al consumo en ese día, tomándose este incremento con el fin de compensar las pérdidas.

Con objeto de evitar la falta total de suministro a las viviendas cuando existan condiciones adversas, como podrían ser averías, fallo de red, exceso de consumos, etc., se ha previsto la instalación de un limitador adicional en cada vivienda, llamado de «consumos mínimos», que entrará en funcionamiento mediante orden del microcomputador cuando éste detecte condiciones en las que es imposible mantener el suministro normal, permitiendo la utilización de elementos que se consideran como indispensables, como la iluminación y el frigorífico. En el momento que las condiciones vuelven a la normalidad se desconecta el limitador.

Para la conexión con la red, y no siendo posible abordar directamente un sistema de intercambio bidireccional, se ha considerado un contrato nocturno con la compañía eléctrica que permita suplir las necesidades no cubiertas por los paneles solares utilizando energía de valle, cuyo precio es la mitad del valor normal. Como se puede comprobar por las figuras de carga de red, el valle nocturno aparece a lo largo de todo el año, y, por ello, este modo de consumo, al cargar la red por la noche y descargarla durante el día por consumir recursos propios, se muestra favorable para obtener un mejor aprovechamiento de los recursos.

Para las barras de continua y, por tanto, para las baterías de plomo a utilizar, se ha tomado como tensión nominal 48 voltios. El suministro a las viviendas será a 220 voltios, 50 Hz.

El diagrama de bloques de la instalación en estudio es el correspondiente a la figura 10. El punto de intercambio de energía entre los diferentes subsistemas son las barras de continua, a las que van conectadas directamente las baterías, variando por ello su tensión entre 41 ÷ 64,8 voltios, en función del nivel de carga de las baterías y de la corriente que circule por éstas. Cuando se alcance el nivel máximo de 64,8 voltios se pondrán en funcionamiento los disipadores que cederán la energía sobrante, en

Foto n.° 4. Estación experimental.

Descripción del proyecto

17

ENERGIASOLAR

forma de calor, a la instalación de agua caliente. Cuando se llegue a los 45 voltios se activará el control de consumos mínimos, y en caso de llegar a 41 voltios se desconecta totalmente el suministro.

Tensión

Fig. 9. Diagrama de bloques de la instalación.

Todo el sistema de medida y control se halla centralizado en un microcomputador capaz de tomar en cada momento las decisiones necesarias, en función de los datos recogidos, para alcanzar el máximo rendimiento. Al ser crítico el funcionamiento continuo de este equipo, incluso en los momentos de falta total de suministro, se ha diseñado un dispositivo de alimentación ininterrumpi-da con baterías propias que puede autoabastecerse durante varios días.

En cuanto a los paneles, y con objeto de contemplar el mayor número de posibilidades, se eligieron dos tipos diferentes con dos modos distintos de funcionamiento. En un caso, los paneles son bifaciales, montados sobre soportes con orientación fija al Sur y ángulo de inclinación variable manualmente en tres posiciones. En el otro caso, los paneles son monofaciales y se hace segui-miento total, lo que hizo necesario estudiar por separado el servosistema de seguimiento y la estructura con los paneles.

Debido a la característica tensión-corriente de las células fotovoltaicas, para cada nivel de insolación la máxima potencia de salida corresponde a un valor de tensión distinto.

Si queremos obtener el máximo rendimiento de los paneles será necesario introducir un sis-tema que permita conseguir la correcta adaptación entre los paneles y las barras de continua, pues si se conectan directamente, la tensión vendría determinada por la situación de las baterías, en cuyo caso los paneles estarían generando una potencia por debajo de su capacidad.

Convertidor Analog./ Digital


18

Para conseguir la citada adaptación se emplea un convertidor electrónico c.c.-c.c., con una realimentación que siga, de forma automática, el punto de máxima potencia. Se han diseñado dos equipos que emplean esquemas de realimentación diferentes para conseguir el control deseado. En uno de ellos se mide la insolación, se genera en función de ésta una tensión de referencia que corresponde a la del punto de máxima potencia en esas condiciones, y con ella se controla un conmutador electrónico que hace que la tensión en barras de los paneles sea la buscada. En el otro equipo se miden los valores de tensión y corriente de los paneles, se procesan mediante el microcomputador, que hace los cálculos necesarios y da la orden de control al convertidor.

La distribución de energía a las viviendas se consigue mediante un inversor electrónico que toma corriente continua de barras y la transforma en alterna a 220 voltios, 50 Hz. A la entrada de cada una se instala un limitador fijo de 3 kW, un limitador controlado para consumos mínimos de 550 W y un contador.

Figura 10

Foto n.° 5. Edificio ener-gético autosu-ficiente.

vol. lx - fascículo vi - noviembre-diciembre 1983 · 5-18 por josé morales barroso matriz de...

Documents