Generación de Energía Eléctrica con Tecnología Fotovoltaica, (ICA-Procobre, nov 2015)

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON TECNOLOGÍA

FOTOVOLTAICA

11 de noviembre de 2015 Dr. Iván Galileo Martínez Cienfuegos

Contenido

▪ El Sistema Energético General

▪ El recurso solar

▪ Tecnología fotovoltaica

▪ Situación en México de los Sistemas FV

▪ Instalaciones de Sistemas FV

▪ Políticas públicas

▪ Conclusiones Imagen: www.thinglink.com

Sistema Energético General

Energías Intermedias Consumo

Combustibles

Electricidad

Eficiencia final 3%*

*Fuente: Ruiz, V. (2006). El Reto Energético. Editorial Almuzara, España. ISBN: 9788488586346


0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

SudáfricaChina

PoloniaIndia

TaiwánBrasil

Estados UnidosAlemania

Corea del SurJapón

CanadáFrancia

ChileRusia

Reino UnidoEspaña

TailandiaIndonesia

ItaliaVenezuela

MéxicoArgentina

Petróleo

Gas natural

Carbón

Nuclear

Renovables

Participación de fuentes de energía primaria en varios países

Elaboración de: Claudio Alatorre a partir de datos de la Energy Information Administration (EUA)


Debemos impulsar una visión sistémica no parcializada.

Necesitamos un portafolio de opciones, integradas en un sistema eficiente y sustentable: ambiental/económico/social

Principios básicos desde la segunda ley (análisis exergético) (actual = 3 a 6%)

Adaptar fuente energética a la necesidad final (trabajo; calor baja calidad..)

Minimizar transformaciones y acercar fuentes al uso final

Usar las tecnologías más eficientes y aprovechar sinergias

Cambio de modelo de consumo: reducir/reciclar/reusar


Energías renovables

Eficiencia energética

Transporte sustentable

Manejo integral de desechos

Procesos industriales

Uso del suelo

Fuentes Renovables de Energía

Energía Solar

Energía Eólica

Energía de Biomasa

Energía Hidráulica

Energía Geotérmica

Energía de las olas, corrientes marinas, mareas ...

Energía Solar

Fuente: http://www.nasa.gov/sites/default/files/525022main_faq12_0.jpg

Energía Solar Recibida

1,5 1015 MWh/año

Energía Solar

Reflejada

~30 %

Energía Rerradiada

70 %

Diámetro de la Tierra: 13400 km

Espesor de la Atmósfera: 100 km

Fuentes Renovables de Energía: Energía Solar

Fuente: BOLETIN RADIO@STRONOMICO. Boletín de Divulgación Científica y Tecnológica del IAR. ISSN: 1669-7871, Año 8, Número 29, junio 2010. http://www.iar.unlp.edu.ar/boletin/bol-jun10.htm


- Radiación solar: 0.3 < <3 m

- La mayor parte es Vis (0.40< <0.76 m) e IR (>0.76 m)

- El modelo de cuerpo negro es adecuado para Modelar la radiación solar.

- Temperatura superficial efectiva = 5780 K Fuente: Çengel, Y. y Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y Masa. Mc-Graw Hill. ISBN: 9780073398129


La radiación solar tiene dos partes:

directa + difusa = global Irradiancia solar (G): [W/m2]

Gg= Gb + Gd

Irradiación solar (H ó I):

[MJ/m2 o kWh/m2]

Hg=Hb + Hd

H – Irradiancia para todo el día

I – Irradiancia para unas horas

Energía Solar

Irradiancia Solar para Superficie Horizontal(26/febrero/2004)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

Tiempo Solar Verdadero [h]

Irra

dia

ncia

[W

/m2]

Extraterrestre Global Directa Difusa

Medio día solar

Orto Ocaso

Intervalo de prueba experimental

Fuente: Elaboración propia, Instituto de Ingeniería, UNAM

Energía Solar

Fuente: http://solargis.info

Irradiación global horizontal

Energía Solar

Fuente: http://www.heliogis.com/mapas

Existen muchas fuentes de información de irradiación solar, por ejemplo:

- Instituto de Ingeniería, UNAM

- Instituto de Investigaciones Eléctricas

- NASA

- Meteonorm

- Heliogis

- Solargis


Fuente: software RADII, Instituto de Ingeniería, UNAM

En México el recurso solar está disponible en un alto nivel.

El valor oscila desde 4.6 a 21.3 MJ/m2.

Para nuestro país el uso de la energía solar representa una fuente importante de energía para el presente y el futuro.

Energía Solar

Fuente: Elaboración propia, Instituto de Ingeniería, UNAM


Energía Solar

Tecnologías para el aprovechamiento de la Energía Solar

Existen diversos sistemas concebidos para la conversión de radiación solar en otra forma de energía.

En general, la energía captada puede utilizarse inmediatamente o almacenarse.

Fototérmicos

Fotovoltáicos

Tecnología Fotovoltaica

A la conversión directa de la luz solar en electricidad debido a su absorción en un dispositivo optoelectrónico

se le llama Efecto Fotovoltaico

Efecto Fotovoltaico

La unidad mínima de conversión donde se lleva a cabo dicho efecto se llama CELDA SOLAR


E. Bequerel descubre el efecto FV

1958

Estudios del efecto FV en sólidos. Dispositivo FV de Selenio con eficiencias del 1% - 2 %

Bell Lab. presenta su primera celda solar de Si cristalino con 6% de eficiencia

1954

1870

1970’s

Primer satélite espacial con tecnología FV

Crisis mundial petrolera; Aumenta el interés en la TFV, la Tecnología de Película Delgada

Evolución de precios en módulos FV basados en silicio (USD $ /watt)

1958 1975 1980 1990 2000-2005

2006-2012

2015 2020

1,500 200 20 8-10 5-8 2-5 0.85 <0.5???

Eficiencias de conversión en módulos FV comerciales: 10-22.9%

1839


Fuente: http://www.nrel.gov/ncpv/


El módulo Fotovoltaico

Encapsulado de celdas Acetato de polietilen-vinilo (poly ethylene-vinyl acetate, PEVA)

Condiciones Estándar de Medición Irradiancia Pico: G = 1000 W/m2 Temperatura de celda: T = 25°C Masa de aire: AM = 1.5

Módulo estándar de 36 celdas


El módulo Fotovoltaico

Fuente: http://www.solarmania.es/placas-solares/panel-solar-atersa-a-85-12v-85w


Fabricación de celdas:


Armado de módulos:


Fuente: Sanchez, A. (2015). Aspectos normativos a considerar en el diseño de plantas fotovoltaicas interconectadas a la red. XXXIX Semana Nacional de Energía Solar, ANES.

Módulos Fotovoltaicos Comerciales


Certificación de Módulos Fotovoltaicos:

Un “módulo certificado” es aquél que ha superado con éxito las pruebas específicas en materia de Seguridad y Calidad.

El “certificado” hace referencia a las características comprobadas del producto y enumera las normas conforme a las cuales se han desarrollado las pruebas.

Para el comprador, este certificado crea una confianza a la hora de la toma de decisión para adquirir el producto.

Con el “certificado” el comprador ya no depende sólo de la información suministrada por el fabricante sino que se puede fiar del dictamen de una entidad de certificación neutral.

Para el fabricante significa que su producto ha sido fabricado con componentes de calidad y que su línea de producción fabrica productos confiables, seguros y durables.


Certificación


Requerimientos para la comercialización de Módulos Fotovoltaicos

Deben tener una etiqueta de identificación que incluya información eléctrica y de seguridad, así como la polaridad en los conductores de salida

Deben estar certificados

DEBEN TENER una caja de conexión y dentro de ella tener marcado la polaridad en las terminales, e incluir diodos de paso; o cables de salida debidamente marcados y polarizados.



Módulos Fotovoltaicos

Parámetros eléctricos: curva de I vs V Variación de la curva I vs V, con diferentes valores de G y T constante

Fuente: Sanchez, A. (2011). Tecnologías y sistemas fotovoltaicos. Apuntes del curso de actualización en la XXXV Semana Nacional de Energía Solar, ANES.


Módulos Fotovoltaicos

Efecto de la temperatura en la curva de I vs V Variación de la curva I vs V, con diferentes valores de G y T constante



Modularidad de los sistemas FV

Conexión en serie

Aumenta voltaje

Conexión en paralelo

Aumenta corriente


Arreglos Fotovoltaicos


CONEXIÓN EN SERIE Se incrementa la tensión de salida

CONEXIÓN EN PARALELO Se incrementa la corriente de salida

A una serie de módulos fotovoltaicos se le llama “Panel o Cadena Fotovoltaica”


El Arreglo Fotovoltaico

Arreglo o configuración 3Sx4P

También puede ser: 4 módulos en paralelo.

Se deben construir usando módulos con características eléctricas idénticas.

Evitar los desbalances eléctricos y la probabilidad de formación de puntos calientes.


Esquema fotovoltaico “en isla” Esquema fotovoltaico interconectado a red

Un sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos formados por el convertidor FV y acondicionadores de potencia eléctrica que permiten controlar, almacenar y distribuir la energía eléctrica producida por la tecnología FV a un voltaje

específico para su consumo en las cargas eléctricas consideradas.


Sistemas Interconectados al SEN:

Fuente: www.iie.mx


60 – 80 % de incremento en el aprovechamiento de la energía con respecto al sistema plano

Sistemas de Concentración:

Fuente: http://www.mx.absolicon.com/ Se requiere enfriamiento

Se puede combinar GFV con generación de calor de proceso


Sistemas distribuidos pequeña escala 30.0 kW

Residencias,

Oficinas,

Edificios públicos, industriales,

Comercios

Sistemas centralizados mediana y gran escala

Unidades habitacionales

Plantas de mediana potencia hasta 500 kW

Plantas de Gran Potencia mayores de 500.0 kW

Sistemas FV Interconectados al Sistema Eléctrico Nacional:



Si no hay luz solar, no hay Generación.

El tipo de electricidad es Corriente Continua o Directa (CC o CD)

No hay costos asociados a combustibles

El proceso es limpio y sin ruido

Necesidad de almacenamiento de energía

Características de la Generación Fotovoltaica:

Las aplicaciones generales pueden ser:

- Electrificación doméstica y/o comercial

- Radiocomunicación

- Centros de educación (básica, media, etc.)

- Refrigeración

- Bombeo de agua

- Desalación de agua

- Generación de electricidad

- Desinfección de agua

- Señalamiento marino

y más...




Otras aplicaciones:

Comunicación, Iluminación básica, Servicios de salud, Servicios comunitarios, Educación a distancia, invernaderos, empacadoras de productos agrícolas, etc.


De acuerdo con la CRE*, existen 24 337 MWp de proyectos para instalación de sistemas FV en etapa de pre-factibilidad.

La demanda creciente de la TFV para establecer Plantas de Generación de Electricidad h motivado que existan regulaciones mexicanas que garanticen la calidad, seguridad y confiabilidad tanto de la TFV como los equipos y partes que componen al SFV.

Existen Laboratorios y Unidades de Verificación que evalúan y dictaminan el cumplimiento de las regulaciones o normas correspondientes tanto en los equipos para un sistema FV como en las instalaciones.

*Fuente: CENACE. (2014). Sector Eléctrico ante la Reforma y las Energías Renovables. 3er Congreso Nacional de la Red de Fuentes de Energía del CONACYT.

Situación en México de los Sistemas FV

*Fuente: CENACE. (2014). Sector Eléctrico ante la Reforma y las Energías Renovables. 3er Congreso Nacional de la Red de Fuentes de Energía del CONACYT.


En México, los Sistemas Fotovoltaicos (SFV’s) han sido la mejor alternativa de electrificación para sitios alejados de la Red Eléctrica Convencional (REC). Por ejemplo:

Sistemas de señalamiento en plataformas de PEMEX (1978…)

Planta piloto del CINVESTAV (1983-1987); Clínicas rurales del IMSS (1984…); Señalamiento marino; iluminación básica rural; telesecundarias y otros.

Entre los grandes programas aplicados en México, se tienen:

Programa PRONASOL (Programa Nacional de Solidaridad Económica, 1988-1944)

Programa de Telefonía Rural de Telmex (1990-1996)

Programa de Energías Renovables para México (1994-2000 USAID/DOE/SAGARPA-FIRCO).

Programa de Energías Renovables para la Agricultura (GEF/BANCO MUNDIAL/SAGARPA-FIRCO 2000-2008)

Proyecto de Desarrollo Rural Sustentable (GEF/BANCO MUNDIAL/SAGARPA-FIRCO 2008-2016)


Las industrias mexicanas que fabrican módulos FV en territorio nacional son:

Solartec S.A. de C.V. en Irapuato Gto.,

Energías Renovables de México S.A. de C.V. en San Andrés Tuxtla, Ver.

Solarvatio S.A. de C.V. en Oaxaca, Oax.

Pulse Energy S. de R.L. de C.V. en Jesus Maria, Ags.

IUSA-Sol S.A. de C.V. en Pastejé, EdoMex.

+Las maquiladoras

Mas de 140 empresas entre sociedades anónimas y personas físicas agrupadas en diferentes asociaciones, entre ellas la AMPER.

Industrias de acumuladores, metal-mecánica, eléctrica-electrónica, y otras, relacionadas con la proveeduría de partes y componentes para Sistemas Fotovoltaicos


El Mercado Mundial

La producción FV en el 2012 se estimó en 52.4 GWp1 con una producción acumulada aproximada de

140.0 GWp.

El Mercado Potencial en México

Con costos de instalación del 2008, en el sector agropecuario se estimó una capacidad técnico-

económica de 670.0 MWp2

En el sector residencial, para la tarifa DAC, la capacidad técnico-económica es de 461.5 MWp3

En el sector público, en Alumbrado es 1,396.0 MWp3, y Bombeo de agua es 447.0 MWp3

En el Sector Industrial, es 6,624.0 MWp (TD del 5% y $1.9/Wp instalado)3

1. El año del Dragón: Producción de células solares en 2011”; Photon: La Revista Fotovoltaica, 4/2012, pag. 30-47, abril 2012. 2. Aarón Sánchez Juárez: Estudio de Mercado de las Fuentes de Energía Renovable en el Sector Agropecuario. “Electrificación de Agronegocios con Sistemas Fotovoltaicos. Preparado para Asociación Nacional de Energía

Solar por encargo del FIRCO-SAGARPA. Coordinó: Energía y Tecnología AC; 2008. 3. Jorge M. Islas Samperio; Aarón Sánchez Juárez, Fabio Manzini Poli, Genice Grande Acosta, Fidel Carrasco González, Eric Zenón Olvera; “Potencial de los sistemas fotovoltaicos en México: Análisis de los sectores

residencial, público e industrial por entidad federativa”;; Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI), junio 2012 a marzo 2013; No. de páginas: 213; Informe Final


En México la capacidad instalada acumulada se estima en más de 100 MWp1

Se tiene en proceso de interconexión más de 500 proyectos de sistemas de mediana escala2.

El Laboratorio Nacional de Evaluación Fotovoltaica (LANEFV) que se está implementando en el IER-

UNAM dentro del marco de proyectos del CEMIE-Sol, esta llenando el vacío actual que se tiene para la

Evaluación de la Conformidad de Módulos Fotovoltaicos y está proporcionando el servicio que los

fabricantes, comercializadores y usuarios de la TFV están demandando y requiriendo.

1. La CRE, SENER, CFE reconocen 81.78 MW interconectados al SEN 2. Información verbal de la Asociación Nacional de Proveedores de Energías Renovables, A.C.


Normas Mexicanas Voluntarias Vigentes:

NMX-J-643/12-ANCE-2011 (IEC 61836) - Dispositivos fotovoltaicos-Parte 12: Términos, definiciones y simbología.

NMX-J-618/1-ANCE-2010 (IEC 61730-1) – Evaluación de la seguridad en módulos fotovoltaicos (FV)-Parte 1: Requisitos generales para construcción.

NMX-J-618/2-ANCE-2012 (IEC 61730-2) – Evaluación de la seguridad en módulos fotovoltaicos (FV)-Parte 2: Requisitos para pruebas.

NMX-J-618/3-ANCE-2012 (IEC 61646) - Evaluación de la seguridad en módulos fotovoltaicos (FV)-Parte 3: Requisitos para módulos fotovoltaicos de película delgada-Calificación del diseño.

NMX-J-618/4-ANCE-2012 (IEC 61215) - Evaluación de la seguridad en módulos fotovoltaicos (FV)-Parte 4: Requisitos para módulos fotovoltaicos de silicio cristalino-Calificación del diseño.

NMX-J-655/2-ANCE-2012 (IEC 61683) - Desempeño y eficiencia en sistemas fotovoltaicos (FV)-Parte 2: Acondicionadores de energía-Procedimiento para la medición de la eficiencia

NMX-J-657/1-ANCE-2012 (IEC 62257-1) – Sistemas híbridos y de energía renovable – Guía para la electrificación rural – Parte 1: Introducción general.

Instalaciones de Sistemas FV

Objetivo de las Normas: Garantizar instalaciones confiables y de larga duración para reducir el riesgo de accidentes y daños a la propiedad.

La Norma Eléctrica y las Especificaciones son el producto de muchos años de experiencia adquirida en las instalaciones eléctricas.

Las instalaciones que cumplen con las normas o reglamentaciones son seguras y duraderas

La aplicación de la normatividad impacta en el costo del sistema y su instalación

Un SFV dimensionado adecuadamente a las necesidades del usuario y diseñado siguiendo las regulaciones pertinentes, es un sistema cuyo desempeño energético es satisfactorio con características de ser confiable, seguro y de gran durabilidad.

Un SFV instalado con los estándares exigidos y en operación, es una herramienta de promoción y difusión de buen ejemplo, que de manera indirecta fortalece la comercialización de ellos y crea un mercado sostenible.


Instalación Física:

Orientación adecuada hacia el sur geográfico.

Sin sombras y con Inclinación óptima (latitud del lugar)

Estructura rígida, sin flexiones y anticorrosiva (adecuada al ambiente del lugar)

Eliminación de riesgo de pares galvánicos en la estructura (conexión a tierra)

Diseño de Estructura que satisface la normatividad por viento de CFE



El Diseño eléctrico con respecto a la normatividad incluye: Uso de módulos, inversores y equipo certificado

Selección y Uso de conductores: Aislante, receptáculo

Cumplimiento del código de colores

Cálculo de Ampacidades de conductores y protecciones (elevación de la temperatura)

Selección y Uso de elementos de protección contra corrientes de retorno (ej: diodos)

Selección y Uso de Interruptores

Paralelismo de paneles o cadenas con ΔV<1%VM (cargas equilibradas)



Los módulos y su instalación deben estar diseñados y certificados

para soportar granizo


Instalaciones de Sistemas FV Malas prácticas:

Caja no adecuada para intemperie

Cables no permitidos para intemperie y suelto

Cableado no aceptado por ampacidad

Carencia de elementos de protección contra corrientes de retorno

Paralelismo de diodos



Buenas Prácticas:

Puesta a tierra: Conductores de puesta a tierra sólidamente conectados a tierra

Equipotencialidad de electrodos de puesta a tierra

Canalizaciones adecuadas

Hermeticidad en Cajas de Combinaciones, conexiones o de paso (IP65)



Consecuencias de malas prácticas de instalación o de

módulos de baja calidad: Corrosión y puntos calientes



Consecuencias de malas prácticas de instalación o de

módulos de baja calidad: Mal cableado y fallas por arco


Políticas Públicas

OBJETIVOS:

Tomar en cuenta los efectos de las tecnologías para el aprovechamiento de las energías renovables

reducción de riesgos económicos

desarrollo rural e industrial

reducción de impactos al ambiente y a la salud

Adaptar los sistemas y mercados energéticos a las particularidades de las energías renovables

dispersión geográfica; pequeña escala

dependencia de procesos naturales variables

tecnologías intensivas en capital

Ofrecer información adecuada


CARACTERÍSTICAS:

Certidumbre de largo plazo

Procedimientos administrativos sencillos y transparentes

Apertura de mercados para productores de pequeña escala

Políticas de incentivos que permitan internalizar las externalidades.


Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética

Energías renovables.- Aquellas reguladas por esta Ley, cuya fuente reside en fenómenos de la naturaleza, procesos o materiales susceptibles de ser transformados en energía aprovechable por la humanidad, que se regeneran naturalmente, por lo que se encuentran disponibles de forma continua o periódica.

Contrato de interconexión - emitido por la Comisión Reguladora de Energía (favorable para autoabastecimiento eléctrico con fuentes renovables)

Ley para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía

Eficiencia Energética: Todas las acciones que conlleven a una reducción económicamente viable de la cantidad de energía necesaria para satisfacer las necesidades energéticas de los servicios y bienes que requiere la sociedad, asegurando un nivel de calidad igual o superior y una disminución de los impactos ambientales negativos derivados de la generación, distribución y consumo de energía. Queda incluida dentro de esta definición, la sustitución de fuentes no renovables de energía por fuentes renovables de energía.

Aprovechamiento sustentable de la energía: El uso óptimo de la energía en todos los procesos y actividades para su explotación, producción, transformación, distribución y consumo, incluyendo la eficiencia energética.


Ley de la Industria Eléctrica:


LEY DEL IMPUESTO SOBRE LA RENTA (ISR). Nueva Ley publicada en el Diario Oficial de la Federación el 11 de diciembre de 2013.

Artículo 34. Establece los por cientos máximos autorizados (deducibilidad), tratándose de activos fijos por tipo de bien son los siguientes: Apartado XIII. 100% para maquinaria y equipo para la generación de energía proveniente de fuentes renovables o de sistemas de cogeneración de electricidad eficiente. Para los efectos del párrafo anterior, son fuentes renovables aquéllas que por su naturaleza o mediante un aprovechamiento adecuado se consideran inagotables, tales como la energía solar en todas sus formas; la energía eólica; la energía hidráulica tanto cinética como potencial, de cualquier cuerpo de agua natural o artificial; la energía de los océanos en sus distintas formas; la energía geotérmica, y la energía proveniente de la biomasa o de los residuos. Asimismo, se considera generación la conversión sucesiva de la energía de las fuentes renovables en otras formas de energía.

CONCLUSIONES

La energía FV es una alternativa que puede llegar a ser sustentable para la generación de electricidad

Aunque presenta costos de inversión altos, los tiempos de vida de un SFV son largos, mayores a 20 años.

La falta de cumplimiento de las normas han provocado que:

Inversiones grandes se vayan a la basura

Incendios que han costado vidas humanas

Mala impresión de la tecnología

CONCLUSIONES

Para garantizar que una instalación cumpla con las regulaciones es necesario evaluarlas y exigir a los proveedores que demuestren su capacidad técnica mediante un proceso de certificación.

Debe haber Unidades de Certificación y Evaluación Técnica

Para garantizar seguridad, confiabilidad y larga duración, las instalaciones FV’s deben satisfacer las regulaciones existentes.

Una instalación que no satisface las regulaciones propicia:

Desempeños energéticos malos.

Sistemas de alto riesgo para el usuario.

No son duraderos.

Descontento con la tecnología

CONCLUSIONES

• Basado en fuentes renovables: – EQUILIBRADO EN EFICIENCIA

Más ajustado a las necesidades

– POCO CONTAMINANTE Fuentes primarias naturales

– DESARROLLO SOSTENIBLE Fuentes no agotables

• Basado en fuentes convencionales:

– DERROCHADOR Rendimiento muy bajo

– CONTAMINANTE Desequilibrio térmico, químico

– SIN FUTURO Agotamiento de los recursos

SISTEMA ENERGÉTICO PRESENTE Y FUTURO

Transición: Sistema energético híbrido más descentralizado y eficiente. Más complejo.

¡¡Gracias por su atención!!

Dr. Iván Galileo Martínez Cienfuegos [email protected]

procobre.org/es

Generación de Energía Eléctrica con Tecnología Fotovoltaica, (ICA-Procobre, nov 2015)

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