Ciencias Básicas e Ingeniería Licenciatura en Ingeniería en Energía

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10. Estructura para el arreglo FV: Esta estructura es de tipo fija, con ángulo de  Presentar las características, aplicaciones y recursos de la energía solar fotovoltaica, con el propósito de verificar, que la importancia de la energía solar fotovoltaica en las zonasdonde no se dispone de la red eléctrica convencional, la convierte en una fuente alterna de energía ideal y significativa para el bienestar y desarrollo de las personas. Se da a conocer que una de las aplicaciones de gran importancia de la energía solar fotovoltaica es el bombeo solar de agua, ya que estos están diseñados para el suministro deagua y riego en áreas retiradas donde no se dispone de un suministro de energía convencional, o esta no es fiable. 1.1. Enlaces químicos  Un ejemplos de este tipo de enlace se muestra en la siguiente figura, representando la transferencia de electrones de un metal a un no metal de Cloruro de Sodio. Sin embargo, el número de electrones de valencia decualquier átomo metálico es pequeño, en todo caso inferior al número de átomos que rodean a un dado, por lo cual no es posible suponer el establecimiento de tantos enlaces covalentes. 1.2. Efecto Fotoeléctrico  El efecto fotoeléctrico es la pérdida de electrones que experimenta un metal al ser sometido a la acción de la luz [4, 9]. No obstante, si la intensidad de la radiación luminosa es muy pequeña, la emisión puede tardar un pequeño intervalo de tiempo en producirse. 1.3. Semiconductores  Sus propiedades eléctricas seencuentran entre las de los aisladores y la de los conductores, ya que la densidad de sus 10 portadores de carga es intermedia entre dichos materiales, pues, puede contener entre 10 y 13 3 10 electrones de conducción por cm , mientras que los aisladores contienen 3 23 aproximadamente 1 electrón de conducción por cm y los conductores 10 electrones de 3 conducción por cm . Esto quiere decir que tanto la luz visible como el infrarrojo cercano excitan en este material los electrones de la banda de valencia a la de conducciónLas energías involucradas en este procesos deben de estar en electrón-volt (eV, siendo 1 eV la energía que gana un electrón al caer a través de una diferencia de potencial de 1 volt). 2 O .1TiO 2 3.0 Cu S 1.22 La radiación proveniente del sol tiene una distribución espectral como se muestra en la Fig. 1-  Puesto que la energía de los fotones que componen la luz y la longitud de onda de la luz, 34 están relacionadas por la ecuación E = hc/ λ (h: constante de Planck = 6.62X10 J-s; c: 8 velocidad de la luz = 3X10 m/s) [8]. Espectro luminoso de la radiación solar. 1.3.1. Semiconductor tipo P y tipo N  Esta característica se debe a que cada átomo desilicio tiene cuatro electrones de la capa exterior, que participan con otros electrones de los átomos vecinos en la formación de los enlaces que mantienen unidos al cristal (figura 1-6). Sinembargo, cada uno de esos átomos de impureza tiene un electrón más en su capa de valencia que los que tiene uno de silicio. 1.3.2. Diodo Semiconductor  Un diodo es la unión de dos zonas de material semiconductor, una de tipo N y la otra de tipoP, entre las dos se forma una zona llamada región de agotamiento (Z.A.) Figura 1-9, donde es mínima o nula la presencia de portadores de carga. Con este convenio, los electrones (portadoresmayoritarios) del material tipo N son atraídos hacia el terminal positivo de la batería desde la unión y los huecos (portadores mayoritarios) del material tipo P son atraídoshacia el terminal negativo y huecos portadores mayoritarios alejándose de la unión incrementa la anchura de su barrera y como resultado, la corriente debida a portadoresmayoritarios no fluirá. 1.3.3. Región de agotamiento  La aplicación de un voltaje positivo (figura 1-14) "presionará" a los electrones en el material tipo N y a los huecos en el material tipo P para recombinar con los iones de la frontera yreducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerla cuando VD es 0.7 V para diodos de Silicio. Mientras que los diodos de bloqueo evitan que un grupo de paneles en serie absorba flujo de corriente de otro grupo conectado a él en paralelo, los diodos de bypass impiden que cadamódulo individualmente absorba corriente de otro de los módulos del grupo, si en uno o más módulos del mismo se produce una sombra. 2 KJ/m  La radiación que sufre los efectos es la que tiene una longitud de onda entre 0.29 y 2.5µm, ya que casi toda la radiación de onda corta, como la ultravioleta, se absorbe principalmente por O 3 mientras que la radiación de onda larga se convierte en radiación difusa por vapor de agua. La radiación reflejada y dispersada se convierte en radiación difusa y la que continúa su caminoes la directaEl efecto global de la dispersión de la radiación solar directa se puede calcular con la fórmula de Duffie y Beckman [5]. 2.2.1. Radiación Solar en México  El Método para calcular la radiación solar en México es el siguiente [12]:Se ha demostrado que las sumas diarias de radiación son función de la duración de insolación para una localidad particular, siendo la relación entre ellas del tipo:   S   S  Donde: H = Radiación global diaria promedio horizontal para el periodo en cuestión (por ejemplo, mensual). Page modificó este método para no requerir de H ’, con base en la radiación extraterrestre sobre una superficie horizontal, a fin de obtener la radiación global diaria promedio:   S =  S  H = Radiación fuera de la atmósfera para la misma localidad, promediada para el periodo en cuestión; su valor puede calcularse o deducirse de gráficas. 2 K = ( λN +Ψ ij cos Φ)10 , en 1y/día  Ψ ij = Factor de estación que depende del mes y localidad; j=1 para tierra dentro y j=2 para costa; i = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 que corresponde a los meses de Enero a Diciembre con lossiguiente valores [12]. Con los métodos presentados se realizaron mapas mensuales de la República mexicana, con el fin de conocer la radiación solar global media diaria, en 1y/día, mediante datos de insolación(figura 2-3). 2.2.2. Aparatos para medir la radiación solar  Para medir la energía de radiación solar recibida por el bolómetro a través de latira no iluminada, que hace las veces de cinta de medición, se hace pasar una corriente eléctrica hasta lograr el mismo desvío o indicación que en la tira no iluminada. La indicación del bolómetro es el bolograma, que señala la intensidad de la radiación solar en función del tiempo (días), esdecir, los datos de la medición que corresponden a las diferentes posiciones del Sol, registrándose siempre la información correspondiente a la misma zona de la superficie. 2.3. Energía Solar Fotovoltaica  La Energía Solar Fotovoltaica es una captación directa de la energía solar para obtener energía eléctrica. De ésta manera se genera un flujo de electrones en el interior del material que puede ser aprovechadopara obtener energía eléctrica. 2.3.1. Celdas Fotovoltaicas  Estas celdas están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos(boro y fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0.46 a 0.48 Voltios, utilizando como fuente la radiación luminosa. La norma internacional dice que el valor de la corriente quesoporta el diodo debe ser por lo menos 1.56 veces el valor de la corriente del circuito del arreglo de corto. a) Celdas Fotovoltaicas Monocristalinos. Las celdas de silicio monocristalino se obtienen a  Una vez que el material se encuentra en estado líquido sele introduce una varilla con un cristal germen de silicio, que se va haciendo recrecer con nuevos átomos procedentes del líquido, que quedan ordenados siguiendo la estructura del Las ventajas de las celdas monocristalinos son que recientemente se han alcanzado eficiencias en la celda en torno al 22% bajo incidencia normal de la luz solar y 28% de eficiencia bajoconcentración. A pesar de las ventajas, su baja eficiencia es una de las mayores limitaciones, ya que a pesar de haberse alcanzado eficiencias de un 10%, la mayoría de los módulos comerciales andanactualmente en el entorno del 5 al 6%. 2.3.4. Sistema Fotovoltaico  Un sistema FV consiste en la integración de varios componentes, cada uno de ellos cumpliendo con una o más funciones específicas, a fin de que éste pueda suplir la demanda deenergía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando como fuente la energía solar [10]. Instalación de un arreglo fotovoltaico. 2.3.5. Partes Principales de un Sistema FotovoltaicoLas instalaciones fotovoltaicas requieren para su funcionamiento el acoplamiento de cinco subsistemas principales [2, 3, 15]:1. Subsistema de captación  La eficiencia de conversión de módulos en general, es siempre menor que la eficiencia de las celdas solares individuales por varias razones: No toda el área del módulo está cubierta porceldas, pérdidas en la cubierta anterior y el relleno encapsulante y variaciones en las características eléctricas de celda a celda. Las causas principales de las fallas de los módulos son la rotura de las celdas, la de laminación del encapsulante, que permite la entrada de la humedad y la rotura de las interconexiones delas celdas. 2. Subsistema de almacenamiento  Normalmente, las baterías se utilizan durante las noches o periodos nublados, el intervalo que incluye un periodo de carga y uno de descarga, recibe el nombre de ciclo. La capacidad en AH es simplemente el número de amperios que la batería puede descargar, multiplicado por el número de horas en que se entrega dicha corriente. 3. Subsistema de regulación  Si, una vez que se ha alcanzado la carga máxima, se intenta seguir introduciendo energía en la batería, se inicianprocesos de gasificación o de calentamiento, éstos son peligrosos y acortarían sensiblemente la duración de la misma. Otra función del regulador es la prevención de la sobredescarga o descarga profunda de la batería porque puede quedar dañada seriamente y perder gran parte de su capacidad de carga. a) Regulador tipo serie  Es equivalente a un conmutador conectado en serie queproporciona una vía de baja resistencia desde el grupo de paneles al sistema de baterías durante la carga y un circuito abierto entre ambos cuando las baterías se encuentranplenamente cargadas. Como elemento regulador se emplea un dispositivo semiconductor (normalmente transistores de potencia bipolares) capaz de conducir la corriente deseada en la carga, de soportar ladiferencia de tensión entre la entrada y la salida y que está provisto de un sistema térmico capaz de ceder al ambiente el calor generado por efecto Joule por la pérdida de potencia, sinalcanzar una temperatura peligrosa para la estructura. b) Regulador tipo paralelo  Esto provoca que para una entrada y salida determinadas y una carga idéntica, la fuente primaria del regulador en paralelo entrega una potencia constante que, independientemente deque se disipe en el elemento regulador o en la carga, es siempre mayor a la que es entregada a un regulador en serie en las mismas condiciones si se exceptúa el caso de carga máxima conentrada mínima, en que ambas fuentes disipan la misma potencia. De acuerdo a estas consideraciones, el regulador en serie es al más empleado relegando el uso de reguladores en paralelo en aplicaciones a niveles energéticos muy bajos en los que no esimportante un pequeño dispendio de energía y en aquellas en las que es muy importante la interacción entre equipos o secciones del mismo alimentadas por la misma fuente primaria. 4. Subsistema de distribución y consumo  El subsistema de distribución y consumo está constituido por los convertidores e inversores y por todo el conjunto de cables eléctricos, sistemas de protección y los elementos de consumo,necesario para distribuir la energía generada hasta nuestras cargas. Rendimiento de la conversión de potencia Es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada del inversor. 5. Subsistema de Inclinación del arreglo Fotovoltaico  En el caso de que no se tenga un seguidor solar, el arreglo se monta en una estructura fija como se muestra en la Figura 2-19. Debidoa que el ángulo de elevación del Sol cambia durante el año, se debe tener un criterio de selección del ángulo óptimo del arreglo que garantice la máxima producción de energíaeléctrica. 2.3.6. Aplicaciones de la Energía Fotovoltaica  La introducción en el mercado, y por tanto en la sociedad, de una u otra aplicación viene condicionada por su rentabilidad frente a otras fuentes de energía convencionales. No obstante, en lugares remotos alejados de la red de distribución eléctrica, lo más rentable suele ser instalar energíasolar fotovoltaica antes que realizar el enganche a la red eléctrica. 2.3.7. Impacto ambiental que tiene la energía Solar Fotovoltaica  Al conocer el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos, que consiste en producir electricidad directamente de la luz del sol y además que opera de acuerdo a lo que se llama"efecto fotovoltaico, servirá para la siguiente unidad en la aplicación de un sistema de bombeo solar de agua, ya que éste representa la solución ideal para el aprovisionamiento deagua en todos los sitios donde la red eléctrica es ausente. Para el rendimiento de los paneles solares, depende fundamentalmente de la intensidad de la radiación luminosa y de la temperatura de las celdas fotovoltaicas. 2 Una radiación de 1.000 W/m es capaz de calentar un panel unos 30 grados por encima de la  temperatura del aire circundante, lo que reduce la tensión en 2 mV/(celda /grado) • 36 celdas • 30 grados = 2.16 Voltios y por tanto la potencia en un 15%. Guía para el desarrollo de proyectos de Bombeo de Agua con energía solar fotovoltaica, Volumen ll, 2002. 3.1. Bombeo solar de agua  Actualmente, el bombeo de agua en algunas zonas se lleva acabo por medio de la energía fotovoltaica, (figura 3-1), ya que ésta es muy sencilla y práctica para el consumo yaplicaciones agrarias, compitiendo o eventualmente completándose en zonas alejadas y poco ventosas, con la energía eólica [5]. De esa manera, se busca diseñar el sistema de extracción de modo de acumular en el período de captación solar todo el agua necesaria para el consumo diario o aquel que se quiera estimar. 3.2. Balance de Materia y Energía para un Fluido3.2.1. Balance de Materia  La ley de conservación de la masa establece que la masa total de todas las sustancias que toman parte enun proceso permanece constante [1]. Entrada de masa = Salida de masa + acumulación de masa (3.1)En la figura 3-2 se muestra un sistema generalizado de flujo, indicando las cualidades físicas que deben considerarse al escribir los balances de materia. 3.2.2. Balance de Energía  Para un flujo turbulento α tiene el valor de una unidad, pero si el flujo es laminar, el valor de α no es unitario y debe incluirse en el termino de la energía cinética. términoα en el término de energía cinética, para tomar en cuenta el efecto de la distribución de velocidades en el canal de flujo sobre la energía cinética promedio. 3.2.3. Fricción de un fluido  En cualquier fluido real, la viscosidad tiende a presentar una resistencia al flujo, lo que resulta en una transferencia de momento a la pared del canal de flujo [1]. Un fluido idealcorrespondiente aquel en la que la viscosidad es cero y no existe un esfuerzo cortante o un transporte de momento en la pared. 3.2.4. Evaluación de la Fricción del Fluido  En un sistema general de flujo, se encuentra dos tipos de fricción, la de fricción de forma y la de superficie [1]. ∑F = F s + F f (3.9)Para sistemas de tuberías, el factor de fricción f se expresa de la siguiente manera:  F  ∑  2   D ε   V   f = = θ N (3.10)   Re   2 g L D c      ∑     Donde: f = factor de fricción. 3.2.5. Análisis Hidráulico en un Sistema de Bombeo de Agua  Antes de determinar el tamaño de un sistema de bombeo de agua, es necesario entender los conceptos básicos que describen las condiciones hidráulicas de una obra. Para calcular la carga dinámica, es necesario encontrar la distancia que recorre el agua desde el punto en que el agua entra a la bomba hasta el punto de descarga, incluyendolas distancias horizontales, así como el material de la línea de conducción y su diámetro. 3.3. Aplicaciones Típicas de Bombeo Solar de Agua  Entre la s aplicaciones más comunes del bombeo solar se pueden observar en el esquema de la figura 3-4 que indica el montaje de un sistema fotovoltaico con una bomba sumergida parala provisión de agua a un grupo de viviendas rurales [4]. El suministro de agua potable para casas unifamiliares en lugares apartados puede realizarse instalando un tanque de agua para asegurar el suministro de agua durante lanoche. 3.4. Ventajas del Bombeo Solar de Agua  Las ventajas de la energía solar para bombeo de agua hacen de este sistema el más idóneo para dicha función [2]:Se da una excelente coincidencia entre la mayor radiación solar existente con el periodo de mayor necesidad de riego. Guía para el desarrollo de proyectos de Bombeo de Agua con energía solar fotovoltaica, Volumen ll, 2002. 4.1. Análisis Energético de Bombeo Solar de Agua  Para la realización del desarrollo experimental del análisis energético de bombeo solar de agua se utilizó un módulo de 36 celdas de silicio monocristalino de 50 Watts, una Bomba Solar de ) diafragma no sumergible (Shurflo de 60 Watts, un Pirheliómetro y un Multímetro Digital LCD de rango 24. También se midió el voltaje y la corriente consumida por la bomba en intervalos de 2 minutos, después haciendo una comparación del voltaje y la corriente con la radiación, se pudodesarrollar un modelo matemático para calcular el voltaje y la corriente instantánea en función de la radiación. 15 Eficiencia  En la tabla 4-2 se muestra la información generada por los modelos matemáticos obtenidos teóricamente a partir de las mediciones de las variables involucradas en el sistema de bombeo,estas mediciones se efectuaron para obtener los ajuste de los modelos a partir de los días del 01 de Octubre del 2003 al 19 de Octubre del 2003. Para la realización de la tabla 4-2 se tomaron los valores de la radiación solar de las mediciones que se hicieron en los días del 07 de agosto del 2003 al 25 de agosto del 2003,con el fin de poder hacer una comparación de los datos obtenidos experimentalmente con los datos obtenidos de los modelos matemáticos. 15 Eficiencia de la  Además se observa que el mejor desempeño de la Bomba se obtiene a 6.20 m de altura, con un flujo de1399.15 litros/día con una eficiencia de 20.87 y una Energía Hidráulica de 24.26 W-h. También se observa que cuando se tiene la menor altura 0.20m de altura se obtiene el mayor flujo de agua (2688.57 litros /día); pero se encuentra que a estas condiciones de operación sepresenta la menor eficiencia de la bomba ( η = 1.63 %), lo cuál nos indica que para esta altura, el sistema está sobredimensionado, es decir, se desprecia buena parte de la energía producidapor la bomba. 4.2. Conclusiones  El registro del comportamiento de las variables que intervienen en el sistema de bombeo fotovoltaico estudiado nos permiten establecer lo siguiente:a) Los modelos matemáticos obtenidos son factibles para calcular el flujo, la corriente y el voltaje, ya que estos modelos presentan un coeficiente de correlación mayo que 0.9. Con la medición de las variables involucradas que intervinieron en el sistema de bombeo fotovoltaico se pudo determinar lo siguiente:a) En la obtención de los modelos matemáticos obtenidos son factibles para calcular el flujo, la corriente y el voltaje, ya que estos modelos presentan un coeficiente decorrelación mayo que 0.9. 3 Caudal diario: 2.5284 lt/d (2.52 m /d)  Longitud de tubería El espejo de agua está a 40m de profundidad, pero se desconocen las características dinámicas del pozo. Para compensar esta falta de conocimiento, basado en la información de otros pozoscercanos, estimaremos un cambio dinámico de +10% (4m). 2 V = π x r x H = π x D /4 x H = 0.785 x D x H 8  Asumiendo un 3% de pérdidas en los cables(eficiencia de 0.97), una eficiencia de 0.95 para el motor y de 0.85 para el controlador, la eficiencia eléctrica del sistema (producto de las tres) será se 0.78. Una bomba centrífuga montada en la superficie que usa un "eyector" (venturi), el eyector se encuentra abajo en el pozo, para asistir a la bomba en sobreponerse de las limitaciones de la succión (una parte del agua baja de nuevo al pozo). 2 I = 1353 W/m  Es la cantidad de energía por unidad de tiempo que se introduce a la batería, comúnmente expresado como una relación de la capacidad de carga entre el tiempo (amp/hora). Normalmente la resistencia paralelo es una resistencia de precisión, y se utiliza para determinar el amperaje midiendo el voltaje a través de ella yhaciendo uso de la ley de Ohm (I=V/R). TIEMPO CAPACIDAD REAL [LITROS] FLUJO [LIT/MIN]  Recurso Solar [horas] 4.5 Carga Dinámica Total del sistema 0.25 Energía incidente [W-h] 1645.49Flujo de Agua [lit/día] 2703.00 Energía consumida por la Bomba [W-h] 113.15Energía Hidráulica [W-h] 1.85 Eficiencia [%] 1.64 Tabla 2. Cálculos efectuados para calcular el Análisis Energético de la Balance del Bombeo Fotovoltaico. FLUJO [LIT/MIN] AJUSTE [LIT/MIN]  Ajuste de los modelos matemático. 94.00 PROMEDIO DE LA RADIACIÓN CAPACIDAD [ML]FLUJO [ML/SEGUNDO] 470.518 238 23.80 1.43 1.46 530.105 475 47.50 2.85 2.88 670,07 940 5.64 9.06 895.757 1514 151.40 5.67 790.866 1270 127.00 7.62 7.64 820.794 1410 141.00 8.46 8.09 850.64 1412 141.20 8.47 8.51 890.939 1500 150.00 9.00 9.08 Gráfica 1.