El sistema fotovoltaico (FV constante de voltaje A.C. o co de una celda está representado pude deducir la siguiente ecuac
Figura 4.13. Circuito equivalente de
locidad rotacional, T es el par, U es el voltaje, I es s subíndices aero se refieren al rotor aerodinám co, comp significa unidad de compensación, net qu
dad de turbina de viento.
turbina de viento están clasificados en partes elástica comprende el rotor aerodinámico y el siste ctrica comprende todos los componentes eléctricos ón de potencia reactiva, el transformador elevador algunos de los problemas que provocan los genera 2. Problemas de los generadores eólicos [55]
as Causas
n estado estable Variación de la velocidad de viento Picos de la velocidad de viento de protecciones Picos de la velocidad de viento
rante la Operación dinámica de las turbinas de viento
rante las Switcheo/encendido de las unidades generadoras
Corriente de arranque debido a operaciones de sw Convertidores electrónicos de potencia
tencia Inhabilidad de los controladores del sistema de p
las variaciones del potencia del parque eólico y d Limitaciones de potencia reactiva y excesiva dem reactiva del sistema de potencia.
ENERACIÓN SOLAR
V) conectado, puede ser modelado tanto com como una fuente de corriente. El circuito eléctric
do en la figura 4.13 como una fuente de corriente uación:
de un módulo FV mostrando la corriente del diodo y las de f
es la corriente y ámico y gen se quiere decir red
tes eléctricas y istema mecánico cos, por ejemplo or y la red [55]. eradores eólicos.
ras
e switcheo de generadores e potencia para lidiar con y de las cargas emanda de potencia mo una fuente trico equivalente nte, de donde se (4.26) e fuga a tierra [25]
Donde Io es la corriente de sal
el panel Iλ, menos la corriente
derivación a tierra Ip [25].
iluminación y depende de la lo están relacionados a la corrien de la celda, Voc. La corrient
característica I-V para una cel de la celda es V0=0. En su caso
cero de salida, I0=0 (sin carga)
Adicionalmente, si la corrient iluminación, digamos Ls=1.0
corriente del panel aproximad [65]:
La corriente de diodo de Shock
donde:
Is = corriente inversa saturada k = 1.38047 x 10-23 J/K es la co
q = 1.60210 x 10-19 C es la carg
Vd = Voltaje del diodo (volts) η = constante empírica
T = 273.2 + tC es la temperatur
generalmente tomada como T
q/kT = 38.94452 C/J para temperatura, q/k = 11605.4677 Una resistencia en paralelo Rp
a través del diodo Shockley. También, hay una resistencia corriente y depende de la prof de contacto. El valor usual pa refleja directamente en la cali ideal, RS = 0 (no hay pérdidas e
Bajo estas circunstancias la ecu
salida en las terminales que es igual a la corriente te del diodo Id dependiente de la temperatura, y l
La corriente de diodo es proporcional a la longitud de onda de la luz, λ. Los parámetros de
ente de corto circuito de la celda, y al voltaje de ci ente de corto circuito de la celda puede ser o celda solar determinada (figura 4.14) donde el vo aso, el voltaje de circuito abierto es obtenido para ga) [65].
ente del panel es conocida para cierta intensida
1.0 de sol y un valor prescrito de Iλo, es posib
adamente para cualquier otro nivel L a través de
ockley está dada por la expresión clásica [65]:
da del diodo, típicamente 100pA para una celda de constante de Boltzmann
arga del electrón
tura absoluta dada como una función de la temper T = 298 K (por ejemplo 25°C)
a tC = 25°C; o de una forma más general, p
77 C.
p puede representar pérdidas internas, o una corr
ey. Estos valores por lo general oscilan entre 2 ia en serie RS que representa la resistencia intern
rofundidad de la unión PN, de las impurezas y de para esta resistencia es muy pequeño (0.05 a 0.1
alidad de la manufactura de las celdas FV. En as en serie), y RSH = ∞ (no hay fuga a tierra) [65].
ecuación 4.26 se vuelve:
nte generada por y la corriente en a intensidad de de esta corriente circuito abierto obtenida de la voltaje de salida ara una corriente
dad estándar de sible obtener la de la expresión (4.27) (4.28) de silicio. peratura (°C), tC, para cualquier orriente de fuga, 200 y 300 Ω. terna al flujo de de la resistencia 0.10 Ω), que se n una celda FV .
(
)
p d kT qV s R V e I I I = − d/ −1 − 0 λEl voltaje del diodo es resistencia de carga, RL, y por
sustituyendo Vd de la figura 4
más precisos para la corriente d
(
[
0 = + + − qV s L s p p e I I R R R R I λPara valores mayores de la paralelo, Rp, de la celda, la
significativas [65].
Es importante usar un factor em ó (4.30), así que puedan ser aju Como se muestra en la figura cambian con la corriente de l iluminado, el voltaje de una ce como
[
p d I d oc V I I R V = 0=0 =( λ − ) =donde la forma logarítmica sim
− + = p s oc s oc R I V I I q kT V λ η ln 1
Esta es una ecuación trascend como Voc es del orden de 0.6
Entonces = s oc I I q kT V λ
η
ln Y la resistencia en serie de un celda es cortocircuitada, prácti la corriente de corto circuito pu I ≈ I, siendo una fu or esta razón, de la potencia de salida de la celd 4.13 y usando la ecuación 4.29, se pueden obten te de salida con la ecuación
)]
1
/kT − qVd
la resistencia de carga, RL, con respecto a la r
las diferencias en la corriente de salida pue
r empírico, η, en el término exponencial de cada ec
ajustadas a los datos prácticos de los manufacturer ra 4.13, el voltaje del diodo y el voltaje a circuito e la carga. Para cada caso particular cuando I0=0
celda a circuito abierto puede ser obtenido de la
[
]
p kT qV s e R I I − ( η oc/ −1) λ simplificada esendental que puede ser resuelta numéricamente. 0.6 V, Rp es del orden de 300 y tiene signo
una celda FV es muy pequeña (del orden de 0.1 cticamente la única oposición a la corriente es Rs [
puede estar dada por
(4.29)
a función de la elda. De ahí que tener resultados (4.30) a resistencia en ueden volverse ecuación (4.29) reros [65]. uito abierto, Voc, =0 en un panel la ecuación 4.29 (4.31) (4.32) e. Sin embargo, o opuesto [65]. (4.33) .1 ), cuando la [65]. Entonces (4.34)
La potencia de salida de la ce salida I0 dada en la ecuación 4.
La máxima potencia de salida a V0 e igualar la derivada a cer
máxima potencia de salida de l
R q om kT R R qV s om s L s V I I e I (1 / )/η λ(1 / 1 + + + + =
Otra forma de hacerlo es gráficamente [65]. Sin embarg
/ 1 ( / 1 ) ( L s om s om m R R qV kT I I V P + + + =
η
λLas características eléctricas curva de corriente vs. voltaje módulo FV bajo dos condic cuadrante, el extremo izquierd corto circuito. Esta es la corri puestas en corto circuito (volt llamado el voltaje a circuito ab salida abiertas (corriente cero)
Figura 4.14. Característica corriente
En la región sombreada de la constante, generando el voltaj
celda Po, es el producto de V0 multiplicada por l
4.30 lo cual arroja
da puede ser obtenida al derivar la ecuación (4.35) cero para encontrar el voltaje externo de carga Vom
e la celda, la cual debe satisfacer
kT R s L I η / ) /
s graficando la ecuación (4.35) y obteniendo rgo, la potencia máxima de salida puede ser obten
) L
as de las celdas FV están generalmente represe je (I-V). La figura 4.14 muestra las característica diciones, con luz de solar y en la oscuridad. erdo de la curva I-V con voltaje cero es llamada l orriente que se mediría cuando las terminales de oltaje cero). El extremo derecho de la curva a cor abierto. Este es el voltaje que se mediría con las o) [25].
te vs. voltaje (I-V) de un módulo FV en la luz del sol y en la
la izquierda, la celda funciona como una fuente taje requerido dependiendo de la resistencia de la
r la corriente de (4.35) ) con respecto om para la (4.36) do su máximo tenida como (4.37) sentadas por la icas I – V de un . En el primer a la corriente de de salida fueran corriente cero es as terminales de la oscuridad. [25] nte de corriente e la carga. En la
región sombreada de la derecha, la corriente cae rápidamente con un pequeño incremento en el voltaje. En esta región, la celda funciona como una fuente de voltaje constante con una resistencia interna. En algún punto en medio de las dos regiones sombreadas, la curva tiene un punto de inflexión [25].
La potencia de salida del panel es el producto de la salida del voltaje y de la corriente. En la figura 4.15 la potencia es graficada en contra del voltaje.
Figura 4.15. Característica potencia vs. voltaje (P-V) de un módulo FV en la luz del sol [25]
Nótese que la celda no produce potencia a voltaje cero o corriente cero, y produce la potencia máxima al voltaje que corresponde al punto de inflexión de la curva I-V. Esto es por lo cual el circuito de potencia de un FV está siempre diseñado para operar cerca del punto de inflexión con una ligera inclinación hacia el lado izquierdo [25]. El circuito FV es modelado aproximadamente como una fuente constante de corriente en el análisis eléctrico del sistema.
El arreglo por sí mismo no constituye el sistema de potencia FV. También se necesitará una estructura para montarlo, un seguidor solar para apuntar el arreglo hacia el sol, varios sensores para monitorear el comportamiento del sistema, y los componentes de electrónica de potencia que acepten la potencia de C.D. producida por el arreglo, cargar la batería, y condicionar la potencia resultante en una forma que sea utilizable por la carga. Si la carga es de C.A., el sistema necesitará un inversor que convierta la potencia de C.D. en C.A. a 50 ó 60 Hz [25].
Por cuestión de confiabilidad se prefiere tener un mayor número de inversores, reguladores y baterías conectados en un arreglo para proporcionar el voltaje y la potencia requeridos por una carga que poner uno sólo de alguno de estos elementos que sea de gran potencia, ya que la confiabilidad aumenta cuando se tienen varios elementos y si alguno falla permanecen los otros para que el sistema siga funcionando y las cargas aún reciban energía de los componentes que no han fallado. Cuando el grado de confiabilidad aumenta, el costo del sistema se incrementa. Esta relación no es proporcional.
4.3.1 Dimensionamiento de proyectos
El mismo procedimiento seguido para el dimensionamiento de un proyecto fotovoltaico se puede seguir para el dimensionamiento de un proyecto eólico cuando se usan generadores de C.D. pequeños.
4.3.2 Evaluación de la carga
Para hacer el diseño tanto de un sistema aislado como de uno conectado a la red se tiene que hacer una evaluación de la carga para poder dimensionar adecuadamente la fuente de generación. Los sistemas aislados son diseñados con el fin de proporcionar la energía eléctrica necesaria a una carga y ésta es una de las primeras limitaciones que existen en el diseño de sistemas aislados ya que es difícil calcular el consumo energético de cada una de las cargas. Uno de los métodos seguidos es averiguar el valor de la potencia de cada una de las cargas que compondrán el sistema aislado y multiplicarlo por el número de horas de funcionamiento al día (Wh-día), aunque este método también da lugar a la incertidumbre ya que es difícil determinar el número de horas que cada carga pueda funcionar y éste número de horas variará según las épocas del año, por lo tanto el cálculo se hace para la época más desfavorable [38].
En el caso de un sistema conectado a la red el sistema de generación puede funcionar sólo como apoyo para el abastecimiento de las cargas y la energía faltante ser proporcionada por la red pero se sigue el mismo criterio de evaluación de la carga que para sistemas aislados, ya sea que se quiera generar energía localmente para abastecer todas las cargas o una parte de ellas.
Existen tres tipos de carga: C.C., C.A. y mixta (C.C. y C.A.). Cuando la carga tiene aparatos de C.A., se necesitará incorporar un inversor al sistema. Este aparato produce pérdidas de energía en el sistema como también lo hace el regulador de carga. Estas pérdidas deben ser consideradas también en el momento de hacer la evaluación de la carga. El voltaje de generación de los paneles fotovoltaicos es típicamente de 12, 24 o 48 V en C.D. Para las turbinas eólicas el voltaje de generación depende en gran medida de la potencia del generador, así pueden encontrarse pequeños generadores también con voltajes de salida de 12, 24, 36 o 48 V en C.D. para generadores de 3000W, y grandes generadores de 2 MW con voltaje de salida de 690 VCA por poner un ejemplo.
El aumento del voltaje de generación representa la solución más práctica cuando el consumo de la carga aumenta, ya que las pérdidas dependen del cuadrado de la corriente. También el calibre del cable a instalar debe ser un calibre mayor al que se usaría normalmente; se tiene la ventaja de que las distancias entre los equipos es corta por lo que se busca reducir las pérdidas al mínimo.
En el Apéndice B se presenta el procedimiento seguido para hacer la evaluación de una carga y el dimensionamiento de los paneles solares, el regulador, el inversor y las baterías para un sistema aislado.
4.3.3 Selección del panel fotovoltaico
Una vez que se ha determinado el valor de la carga (caso más desfavorable), el siguiente paso es calcular la parte generadora. Este proceso comienza con la selección del panel FV. Desde un punto estrictamente técnico, los parámetros eléctricos (voltaje a circuito abierto, potencia de salida, degradación de la misma con la temperatura, etc.) son los más importantes. En la práctica, el costo de la unidad, o la selección ofrecida por el mercado local pueden tener más influencia que los anteriores en el proceso de selección de un panel. Generalmente se usan arreglos serie paralelo de paneles fotovoltaicos para desarrollar la potencia requerida.
4.3.4 Banco de baterías
Si el sistema requiere un banco de reserva, la capacidad de generación deberá incrementarse, ya que las pérdidas asociadas con el proceso de carga deben ser compensadas. La capacidad de reserva dependerá de la cantidad de días consecutivos sin sol y el grado de confiabilidad que se considera tolerable para el sistema. El número de baterías de Pb-ácido del banco de reserva estará determinado por el máximo valor elegido para la profundidad de descarga (PD), así como el tipo de batería de Pb-ácido a usarse (voltaje nominal y capacidad de reserva de la unidad) [39].
La confiabilidad del diseño depende, en gran proporción, de la veracidad de los datos utilizados (nivel promedio de insolación, temperatura ambiente, vientos promedios y días consecutivos sin sol).
4.3.5 Controlador
Hay básicamente dos tipos de controles que son el regulador de carga y el controlador de descarga que protegen a la batería contra sobrecarga y contra sobredescarga respectivamente aunque hay fabricantes que entregan los dos tipos en un solo controlador. La especificación de estos controles se hace por voltaje y corriente, el voltaje corresponde al Vnom del sistema que es el de salida del arreglo de baterías y puede ser 12 V, 24 V ó 48
V. En cuanto al valor de corriente se recomienda que la capacidad de salida del controlador de descarga sea al menos 50% mayor a la corriente máxima de descarga, pudiendo llegar a tener valores nominales hasta de 30 A. El controlador se selecciona básicamente para la corriente pico del arreglo incluyendo pérdidas. Tanto los reguladores como los controladores deben llevar algún tipo de protección (generalmente a base de fusibles) para evitar daños en caso de ocurrir un c.c. El rango de operación en cuanto a temperatura se refiere debe ser entre 15ºC y 35ºC [66].
4.3.6 Inversor
Existen básicamente tres tipos de inversores, todos ellos con dispositivos electrónicos que se clasifican por el tipo de onda como cuadrada, onda senoidal modificada y onda cuasi senoidal. De estos tres tipos de onda el más económico es el de onda cuadrada (es el más distorsionado), pero este tipo de onda puede afectar algunos aparatos eléctricos como es el
caso de las computadoras, impresoras o equipo de comunicación. El más recomendable es el de onda cuasisenoidal que como forma de onda no daña severamente los equipos, pero puede tener el inconveniente de que por ser una forma de onda distorsionada tenga un alto contenido de armónicas que cree interferencia electromagnética y pueda afectar equipos sensibles a esto [66].
Los inversores se deben especificar por voltaje, corriente, potencia y eficiencia. En cuanto a voltaje se refiere se especifican dos valores: el voltaje de entrada en C.D. que puede ser de 12, 24 ó 48V que son las salidas de las baterías, y el voltaje de salida en C.A. que puede ser 120 V ó 220 V con una frecuencia que sea compatible con la frecuencia de la red a la que se conecta (60 Hz para México) [66].
Un inversor que pueda detectar una condición de isla y dejar de energizar dentro de 2 segundos (ej., de acuerdo con la norma IEEE1547) claramente ha contribuido a la corriente de falla desde el momento en que la falla ocurre. Esto inevitablemente resulta en mayores corrientes de falla en ambos periodos transitorio y subtransitorio que por lo tanto afectarán la selección de la corriente pico del circuito interruptor y los correspondientes ajustes del relevador de sistema de distribución [67]. En general los inversores que se utilizan para instalaciones fotovoltaicas en la actualidad son del tipo autoconmutado.
Componentes auxiliares
El paso siguiente es la selección de los componentes auxiliares (soporte para paneles, control de carga, cables de conexión, fusibles, llaves interruptoras, focos de iluminación, etc, etc).
4.4 CRITERIOS TÉCNICOS DE CONEXIÓN A LA RED DE PEQUEÑOS