Fundamentos de sistemas
de energía renovable
Temario
1.
2.
3.
4.
Tecnologías de
almacenamiento de energía
eléctrica .
Paneles Solares
Generador Síncrono.
Calidad de la energía.
Tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica .
Principales tecnologías:
Sistemas de
almacenamiento
de energía.
Electroquímicas.
Mecánicas.
Electromagnéticas
Térmicas.
Electroquímicas
●
Arreglo de celdas conectadas apropiadamente, para por medio de una
reacción química almacenar carga eléctrica.
Nikel-Cadmio (Ni-cd)
Caracteristicas:
Ventajas
: Baratas y robustas.
Desventajas : Por Cadmio, no son amigables con el medio ambiente. Y, no muy aplicables en energías
renovables.
Nickel-Hidrogeno
El almacenamiento de energía a gran
escala es importante para la
integración de
energía renovable en la red eléctrica.
Más tecnologías electroquímicas
●
Baterías de plomo y ácido.
●
Cloruro de Sodio Nickel
Mecánicas.
●
●
Batería inercial. “ Flywheel “
El sistema incluye un cilindro con una flecha conectada a un generador
eléctrico.
https://www.youtube.com/watch?v=
u6I2lKtfpLQ&t=10s
https://www.youtube.com/watch?v=
elhD4Ja7bjw
https://www.youtube.com/watch?v=
RLIiKdqxsfQ
Central hidroeléctrica reversible
Consiste en:
Sistema de bombeo.
Dos contenedores de agua.
Máquina eléctrica
motor/generador
https://news.cgtn.com/news/2022-06-30/Largestpumped-storage-power-station-in-E-China-put-intooperation-1bidaYOnK9O/index.html
Electromagnético
●
●
Supercapacitores.
En sistemas de generación eólica son utilizados para suprimir
fluctuaciones de viento.
La potencia de salida eléctrica en todos los dispositivos de
almacenamiento de energía tiene la forma de corriente continua y es
necesario convertirla a corriente alterna utilizando la electrónica de
potencia dispositivos y entregados a la red eléctrica.
La conversión de la alimentación de CA a CC es inevitable en todos los
sistemas de almacenamiento de energía
Tarea 1.
Presentación de contenido de
https://www.energysage.com/solar/solar-energy-storage/what-are-the-best-batteries-for-solar-panels/
Paneles solares fotovoltaicos
Paneles solares fotovoltaicos
¿Es una buena opción la energía solar?
https://news.energysage.com/adva
ntages-and-disadvantages-of-solarenergy/
https://www.forbes.com/advisor/ho
me-improvement/solar-energypros-and-cons/
Panales solares fotovoltaicos
¿Es una buena opción la energía solar?
Ahorro económico.
El valor del lugar donde se instala se incrementa.
Disminuye huella de dióxido de carbono. Y, más cuando el
sistema no está conectado a la red principal.
Fuente ilimitada.
Cambio climático
https://climate.nasa.gov/scientific-consensus/
Huella de carbono (Cálculos de primera
intención)
●
●
●
●
●
Uso de coche.
Cuántos kilómetros recorre al año? – Ej. 24000 Km
Consumo de gasolina del coche? – Ej. 10 Km/litro
Litros consumidos en un año? – 2400 litros/año – 630
galones/año
630 por 19.6 =12300 Ibs/año 🡪 5800 Kg de dióxido de
carbono al año !!!
https://calculadoraecologica.climatehero.me/?source=GoogleKeywords&gclid=CjwKCAjw6ra
YBhB7EiwABge5Ki2dmzBd6f3J9cKWALtB-zoIwpLCJyQQ7sJIvsmsXBU4qo9xRmf2xoCmPgQAvD_BwE
calculadora de huella ecológica
Fuente ilimitada.
●
Al nivel del mar, en un día soleado y despejado,
1 kWh de energía solar cae sobre una superficie de 1 metro cuadrado.
En el transcurso de un día soleado, puede ser realista esperar capturar
alrededor de 6 kWh de energía total de esta misma superficie.
Eso es 180 kWh por mes.
Historia
Historia de PV (Photovoltaic)
●
●
●
Los principios operativos para las celdas fotovoltaicas modernas fueron
descubiertos en 1839 por un físico francés llamado A.E. Becquerel.
En la década de 1950, Bell Labs creó la primera pieza de tecnología
fotovoltaica diseñada para su uso en el espacio.
En las décadas de 1970 y 1980, la gente comenzó usando módulos
fotovoltaicos para cargar baterías y luego las usó para funcionar varias
luces y electrodomésticos en sus hogares remotos.
Primeras desventajas.
✓ El sol no es una fuente de energía continua.
✓ La cantidad de área requerida para producir energía es
grande en comparación a otras fuentes de poder.
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Solar_panel
Tarea 2.
Investigue y documente.
¿Cual es la eficiencia de los PV? ( más recientes que estén en fabricación)
Paneles solares
fotovoltaicos
La energía solar fotovoltaica se basa en la
captación de energía solar para transformarla
en energía eléctrica sin ciclos termodinámicos
ni reacciones químicas, y únicamente por
medio del efecto fotovoltaico.
Terminología
útil
Azimuth
●
Describe la posición del sol (y los
módulos) en términos de cuántos
grados tiene el sol o la matriz desde
el norte.
“Los ángulos de acimut en el
hemisferio norte se miden en
grados con respecto al sur,
mientras que en el hemisferio sur
se miden en relación con el norte.”
Ángulo de altitud
El ángulo de altitud es
la altura angular del Sol
en el cielo medida
desde la horizontal.
Los ángulos de acimut y altitud del sol dependen de la
latitud, el número de día y lo más importante en el
momento del día
Irradiancia
●
La irradiancia describe la
intensidad de la luz solar en un
momento particular de tiempo.
Irradiación
●
La irradiación se refiere a
la cantidad de energía solar
recibida para una
determinada cantidad de
tiempo (un día es un marco
de tiempo común).
Inclinación
●
La inclinación describe el número de grados que los módulos
fotovoltaicos están fuera de la superficie horizontal
PV
❏Características eléctricas
❏Modelos
Características eléctricas de PV.
Corriente
● Corriente de corto circuito.
● Corriente máxima potencia.
Voltaje
● Voltaje de circuito abierto.
● Voltaje máxima potencia.
Potencia
● Punto de máxima potencia (MPP).
Temperatura de operación
Corriente de corto circuito
●
Es el valor alcanzado si el
positivo y el cable negativo
en un módulo fotovoltaico
entran en contacto directo
entre sí y esencialmente no
hay resistencia entre los
lados positivo y negativo en
el módulo
Corriente máxima
potencia
Representa el valor de la corriente
cuando el módulo produce la máxima
cantidad de potencia posible.
●
Voltaje de circuito
abierto
◈
Es el valor del voltaje en ausencia de flujo
de corriente a las terminales de la carga.
Voltaje máxima
potencia
El valor donde el PV produce la
mayor cantidad de energía.
●
Punto de máxima
potencia.
◈
Producto de Corriente de máxima
potencia y voltaje de máxima
potencia.
Curva IV
La curva característica de un panel fotovoltaico,
también llamada curva de intensidad-voltaje
(abreviadamente curva I-V), representa los
valores de voltaje y corriente, medidos
experimentalmente, de un típico panel
fotovoltaico sometido a unas determinadas
condiciones constantes de insolación y
temperatura.
Variando la resistencia externa desde cero a
infinito, se pueden medir diversos valores de
pares (i-V), que interpolándolos forman la curva
característica
Tipos de Paneles Solares.
https://www.solarreviews.com/blog/pros-and-cons-of-monocrystalline-vspolycrystalline-solar-panels
Temperatura y PV
Los paneles solares a menudo están expuestos a grandes cantidades de calor,
especialmente durante los largos y calurosos días de verano. Y, esto afecta el
funcionamiento normal de PV.
Los paneles solares domésticos se prueban a 25 ° C y, por lo tanto, la
temperatura del panel solar generalmente oscilará entre 15 ° C y 35 ° C, durante
el cual lal celdas solares producirán con la máxima eficiencia.
Sin embargo, los paneles solares pueden alcanzar temperaturas de hasta 65 °
C , momento en el que la eficiencia de los Paneles solares se verá afectada.
De manera general, se puede decir que el rendimiento de los paneles solares
disminuye a medida que se calientan.
¿Cómo cuantificamos esta “Perdidas”?
Temperatura y PV
Coeficiente de Temperatura.
Temperatura y PV
Coeficiente de Temperatura.
Voc en función de la temperatura.
Isc en función de la radiacion.
Importancia de conocer el voltaje es para conocer el
voltaje máximo del módulo y así pues, seleccionar el
Inverter con criterio.
V (at temp) = V (a STC) + [ Tem Coef * (T of interest - 25C)]
Trina 320
Voc a STC 40.6 v
Temperature coefficient = -.29%/C;
-0.29% = -0.0029 × 40.6 = -0.1177 V/C.
V (at Temp) = V (at STC) + [Temp coeff × (T of interest – 25C)]
A (ejemplo) -30C
VoC (at -30) = 40.6 + [-0.1177 × (-30 – 25)] = 40.6 + [-0.1177 × -55]
= 40.6 + [6.4735] = 47.07 V
(Ver hoja de datos del
inverter)
Cálculo de número de módulos
Sistema a 600 v (DC)
600/47.07=12
Voltaje mínimo
V (at Temp) = V (at STC) + [Temp coeff × (T of interest – 25C)]
A (ejemplo) 60C (30 + Ambiente)
Vmpp (at 60) = 33.3 + [-0.1177 × (60 –25)] = 40.6 + [-0.1177 × 35]
= 33.3 + [6.4735] = 29.18 V
(Ver hoja de datos del
inverter)
Circuito equivalente
●
Un modelo de circuito
equivalente simple consiste
en un diodo en paralelo con
una fuente de corriente ideal.
●
La fuente de corriente ideal
la fuente suministra corriente
en proporción al solar flujo al
que está expuesta.
Circuito equivalente
Sustituyendo la corriente del
diodo Id
Diodo (p-n)
I_o --->
V_d --->
q --->
k --->
T --->
I
Corriente saturación
Voltaje a través de las terminales
Carga del electron (1.602 x 10^-19 C)
Constante de Boltzmann (1.381 x 10^-23 )
Temperatura en K ( Estandar 25g centrigrados)
Circuito equivalente
Sustituyendo la corriente del diodo
Id
Relación corriente-Voltaje
Basada en :
Circuito equivalente --- Voc
Sustituyendo la corriente del diodo
I=0
En ambas ecuaciones, la corriente de cortocircuito, ISC, es directamente
proporcional a la insolación solar, lo que significa que ahora podemos trazar
fácilmente conjuntos de Curvas de corriente-voltaje FV para luz solar
variable.
Curva I-V Diferentes intensidad de luz solar.
-Caso de estudioConsidere una de 100 cm^2 celda fotovoltaica con corriente de saturación
inversa I0 = 10^−12 A / cm2.
A pleno sol, produce una corriente de cortocircuito de 40 mA/cm2 a 25 ° C.
Encuentra el circuito abierto voltaje a pleno sol y nuevamente para 50% de
luz solar. Graficar los resultados.
Curva I-V en función de la temperatura
Curva I-V en función de la irradiación.
Circuito equivalente (más preciso)
Impacto del sombreado en un arreglo
de celdas conectadas en serie
Circuito equivalente (más preciso)
La ausencia de corriente sugiere
que no se entrega potencia a la
carga.
Circuito equivalente
“ mejor”.
Circuito equivalente II.
Circuito
equivalente
II.
Arreglo de celdas
●
●
Una celda “individual “ produce alrededor de 0.5 V.
Por lo tanto, para aplicaciones de mayor voltaje se requiere de
constricciones de modulos.
Los módulos son celdas conectadas en serie.
Combinación de módulos forman los Array
Conexión Serie
Conexión paralelo
Serie-Paralelo
Curva I-V (prueba estándar)
Curva IV
Curva I-V
Potencia
Seguidores de punto de máxima
potencia(MPPTs).
●
Objetivo :
●
Que los PV estén operando en el punto optimo
de máxima potencia.
●
Existen algunos circuitos simples que permites
esta acción.
●
La ACCION clave es poder convertir voltajes DC
de un nivel a otro.
“Mediante
electrónica de potencia”
Condiciones de prueba estándar (STC).
●
Irradiacion Solar ->
●
Temperatura
1KW/m^2 ( 1 sol )
-> 25 (grados centrigrados)
Fundamentos de Calidad de la Energía.
●
Conjunto de irregularidades de corriente y voltaje, que se
agrupan y se conocen como problemas de calidad de
energía.
Cargas
que
se
modelan
utilizando
componentes
básicos
de
resistencia,
inductancia y la capacitancia, cuando se
alimentan por voltaje sinusoidal y fuentes de
corriente,
responde
con
corrientes
sinusoidales suaves y voltajes de la misma
frecuencia en todo el circuito.
Sin embargo, cargas con componentes
electrónicos tienden a atraer corrientes
en pulsos grandes. Estas corrientes no
lineales pueden causar una cantidad
sorprendente de problemas muy serios.
Amplificación “swells” Es un incremento en el
voltaje de C.A, con duración de 0.5 ciclos a
unos 120 ciclos (8ms hasta 2s). Es
ocasionado por la desconexión de cargas
grandes y no llega a ser un sobrevoltaje
Amplificación “swells” Es un incremento en el voltaje de C.A, con duración de 0.5 ciclos a unos 120 ciclos
(8ms hasta 2s). Es ocasionado por la desconexión de cargas grandes y no llega a ser un sobrevoltaje
Es una reducción en el voltaje de C.A, con
duración de 0.5 ciclos a unos 120 ciclos (de
8ms hasta 2s). Es debido a la conexión de
grandes cargas, descargas atmosféricas y
fallas en la red eléctrica
Variaciones de voltaje de larga duración Las variaciones de
voltaje de larga duración incluyen las desviaciones rms en
frecuencias de energía para más de un minuto. Las variaciones
de voltaje de larga duración pueden ser sobrevoltajes
“overvoltages” o bajo voltajes “undervoltages”. Generalmente
los sobre voltajes o bajo voltajes no son resultado de fallas en el
sistema si no son causados por las variaciones de carga en el
sistema y en el sistema de operaciones de conmutación.
“Overvoltage” Un sobre voltaje es un aumento en el voltaje
RMS de CA mayor del 110% en la frecuencia de alimentación
con una duración de más de dos minutos.
Los sobrevoltajes son usualmente resultado de la conmutación
de cargas.
“Undervoltage” Un bajo voltaje es la reducción del voltaje eficaz
de CA menor al 90% en la frecuencia de alimentación con una
duración de más de dos minutos. Los bajo voltajes son el
resultado de eventos de conmutación. Por ejemplo sacar un
banco de capacitores puede causar bajo voltaje.
Impulso Disturbio con duración menor a 0.5 ciclos en la forma
de onda de CA que tiene como característica un cambio brusco
en la forma de onda. Es debido principalmente por fallas en la
red eléctrica, descargas atmosféricas y switcheo de grandes
cargas.
“Notch” Disturbio en la onda de voltaje que dura menos de
medio ciclo y presenta polaridad opuesta a la señal de
operación. Las muescas o notch son generados por cortos
entre fases debido a la conmutación de los Rectificadores
Controlados de Silicio (SCR) en los circuitos con rectificador.
Ruido “Noise” El ruido eléctrico es la distorsión (no necesariamente
periódica) de la forma senoidal del voltaje. Es una señal indeseada
que es generada por sistemas de transmisión de señales de radio,
operación de lámparas fluorescentes y controladores de atenuación
de niveles de iluminación.
Las armónicas son corrientes y/o voltajes presentes en un sistema
eléctrico, con una frecuencia múltiplo de la frecuencia
fundamental. La aparición creciente de cargas no lineales en
sistemas de distribución, tales como convertidores estáticos de
potencia, controladores de motores con rectificadores de silicio,
etcétera, ha traído como consecuencia un aumento notable del
contenido de componentes armónicas, que se manifiestan forma de
distorsiones diversas de la forma de onda del voltaje en la red de
distribución.
Armonicos
●
La definición de una función
periódica es que f (t) = f (t + T),
donde T es el período.
●
La serie de Fourier, o análisis armónico, de cualquier función periódica
puede ser representado por:
THD- Total harmonic distortion
Representación en series de
corriente
El valor RMS de la
corriente
Entonces, el valor eficaz de la corriente cuando
hay armónicos es solo la raíz cuadrada de la
suma de los cuadrados de los valores rms
individuales para cada frecuencia.
https://pv-magazine-usa.com/2019/09/05/recognizingand-combating-power-quality-issues-in-solar-powersystems/
Normatividad
●
IEEE Std. 519
●
CFE
Filtros 🡪 (Control de corrientes armónicas)
●
●
Toda corriente eléctrica fluye por donde se le presenta menor resistencia a su paso.
Por esta razón las corrientes armónicas siguen trayectorias distintas, pues se tiene que las
impedancias de los sistemas varían según la frecuencia.
●
Donde se tiene que la reactancia inductiva se incrementa con la
frecuencia y la resistencia se incrementa en menor medida, mientras
que la reactancia capacitiva disminuye con la frecuencia.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE UN
FILTRO SINTONIZADO
●
●
El filtro pasivo es un filtro que se sintoniza para una armónica en
especial, o un rango determinado.
Estos filtros son los más utilizados en los sistemas eléctricos por su bajo
costo y fácil instalación, aunque en algunos casos trae consigo
problemas de resonancia.
El filtro lo que hace es presentar una impedancia baja a
una corriente de una frecuencia determinada,
fin unidad 1.