Introducción a la Energía Solar y Nuevas tecnologías en Energía Solar
Mauro Henríquez Heimpeller Abril 2017
Curso de Eficiencia Energetica
Programación del Taller 18:00-18:15 Acreditación 18:15-19:30 Introducción y Conceptos energéticos 19:30-19:45 break 19:45-20:45 Nuevas Tecnologías
20:45-21:00 Software
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Presentación
Nombre Profesor: Mauro Alexis Alexis Henriquez Hempeller Hempeller Ingeniero Civil Metalúrgico Magister en Energía Consultor en Energía Achee Correo:
[email protected]
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CONCEPTOS GENERALES
Según Hoja Ruta Energía 2050 se estima que el consumo de electricidad (al menos) se duplicará 140000 GWh
70000 GWh
Generación Bruta de energía eléctrica de Chile 2016 (CDEC SING-SIC) = 70.000 GWh/año
Fuente: Escenarios de demanda demanda Energía Energía 2050
El 2016 el cobre experimentó una fuerte caída en su precio por la desaceleración económica en China y caída precios de materias primas
FUENTE: Cochilco: INFORME DE TENDENCIAS DEL MERCADO DEL COBRE ENERO DE 2016
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Gasto por Regiones
El gasto de I+D es de un 0,39 % del PIB y está muy por debajo del promedio de la OECD % del PIB
% del PIB
4,5
4,5 Organizaciones privadas sin ánimo de lucro
4,0
4,0
Instituciones públicas
3,5
Instituciones de educación superior
3,5
3,0
Sociedades mercantiles
3,0
2,5
2,4 % Promedio Promedio de la OCDE OCDE
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
L R L N L L N L X F C L T N T E D T U S X P S E E A R R A N R R K N A K G I N S Z L H E S S T R R H E A U V O U U U E H S R B U U R N R O O I V S I Z I A W F P I Z G N E J L E P H C C S P T R N F B S U A A D C M C C D A G N K S
FUENTE: OCDE, Estadisticas de Ciencia, Tecnología e Industria 2015: Innovación para el crecimiento y la sociedad PIB : Producto Interno Bruto : Valor total de los bienes y servicios que se producen dentro del territorio del país en un período de tiempo específico.
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0,0
El norte de Chile esta entre las regiones con DNI más altos del mundo
Ranking [kWh/m2/diario] Pica, Chile 9,5 Calama, Chile 7,4 Crucero, Chile 7,1 Al-Fashir, Sudan 6,7 Guanajuato,Mexico 6,7
El norte de Chile tiene más de un 28 % de irradiación DNI, que España, hecho que podría reducir entre un 20 a 30 % los costos de inversión inversión de un proyecto solar 2.900 2.500
2.600
2.700
2.700
27,59%
2.100
) o ñ a 2 m / h w K ( I N D
a ñ a p s E
a t i d u a S a i b a r A
a i l a r t s u A / s o c e u r r a M
Fuente: Gentileza Ministerio de Minería. (Cochilco, 2013)
a i n r o f i l a C / a i l e g r A
a c i r f á d u S
e l i h C
Las Emisiones de CO2 de Chile a nivel Mundial Mundial son de de 0,26%
Europa
Asia, Oceania
1
2
2000
2006
CO2
55%
65%
CH4
27%
21%
N2O
18%
14%
Fuente: 1. Agencia Internacional de Energía 2008 2. 2da Comunicación Nacional de Chile ante ante la Convención Marco de de las Naciones Unidas
Emisiones Directas
En la Industria del Cobre el área Mina genera un 71% de las emisiones totales del proceso
COP 21 EN PARIS (12 Diciembre 2015)
• Mant Mantener ener la Tempe Temperatur ratura a del del planeta planeta idealment idealmente e por debajo debajo de de los 2 °C. • Ac Acue uerd rdo o entr entre e 195 rep repre rese sent ntan ante tess • Acue Acuerdo rdo que que reemplaz reemplazará ará en cuatro cuatro años más al actual actual Prot Protocolo ocolo de Kioto Kioto • Las part parte es esta estab ble leci cie ero ron n un una a contribución mundial de 100.000 millones de dólares anuales para los países más vulnerables en la mitigación y adaptación adapt ación al cambio climát climático. ico.
Y Chile …..
Su misión es reducir en 30% sus emisiones hacia 2030, con un fuerte impulso a las l as energías renovables. Fuente: Energia 2050 IEA Agencia Internacional de Energía
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El 88% es consumida por los Clientes Libres que en su mayoría son Mineras Emisiones Indirectas Escondida Chuquicamata Collahuasi Elecda Esperanza Sierra Gorda El Abra Radomiro Tomic Spence El Tesoro SQM
112 104 92 95 92 34 26
160
373 212
64
Demanda promedio [MW] de clientes clientes del SING en Fuente: CDEC-SING, 2014 Marzo.. Fuente: Marzo
Consumo del SING por tipo de Cliente
Fuente: Gentileza Ministerio de Minería. (Cochilco, 2013)
Del total de la capaci capacidad dad instala instalada da en el SING, un 7,2 % corresponde a Energi Energiaa Fotov Fotovoltaica, oltaica, SING
SIC
630 MW Instalados ERNC SING 64 % Solar Fotovoltaico
Capacidad Instalada SING enero 2017 Potencia instalada SING 5575 MW El 2017 100% proyectos serán ERNC 640 MW
Fuente: Informe Mensual Coordinador Eléctrico Nacional Enero 2017
Capacidad Instalada SIC enero 2017 Potencia instalada SIC 16756 MW
Escenarios de Matrices Escenarios Matrices Eléctri Eléctricas cas en el Mu Mund ndo o al 20 2050 50
Fuente: Energia 2050 IEA Agencia Internacional de Energía
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El 2016 comienza la construcción del Sistemaa SING Sistem SING - SIC
• • • •
Nacerá el el añ año 20 2018 Longitud 31 3100 Km Km Desd De sde e Ar Aric ica a ha hast sta a Chi Chilo loé é Capa Ca paci cida dad d in inst stal alad ada a de de 24. 24.00 000 0 MW
TECNOLOGIA SOLAR
Energía del Sol El sol irradia 100.000.000 Gwatts Gwatts de energía hacia hacia la tierra por cada hora hora 1000 10 000 0 mi millllon ones es de añ años os El Sol genera energía mediante reacciones nucleares de fusión del H+ con otro H+ que se producen en su núcl nú cleo eo ge gene nera rand ndo o otr otra a pa part rtíc ícul ula a He Esta energía recibe el nombre de radiación solar. La energía se transmite en forma de radiación electromagnética
Energía del Sol
Zonas de llegada de Fotones a la tierra
Mapa Solar
http://walker.dgf.uchile.cl/Explorador/Solar3/
Bremen
El sol Es nuestra principal fuente de energía y fuente de toda la vida en nuestro planeta. Es la base para el desarrollo de la vida vegetal y es mot oto or de distitin ntos pr pro ocesos os::
Reservas Energéticas Mundiales Estimadas en TW-año
Constante solar
Constante solar = 1366 [Watt/m2] ±3% .
Energía Solar Solar útil = 1000 [Watt/m2] [Watt/m2] (en promedio) promedio)
Movimiento terrestre ROTACIÓN: La tierra gir ira a sobre su propio eje je.. Origina el día y la noche. Dura Du raci ción ón:: 24 ho hora rass
N
N
Ecliptica
S
S
TRASLACIÓN: •La •L a titie err rra a gir ira a alr lred eded edo or del so sol.l. •Ori •O rigi gina na la lass es esta taci cion ones es de dell añ año. o. •Dur •D urac ació ión: n: 1 añ año o
Movimiento terrestre
Movimiento terrestre
Estos movimientos se traducen en Diferentes recorridos del Sol en el día. Los puntos del horizonte por donde sale y se pone el Sol varían en el tran tr ansc scu urs rso o del añ año. o.
Elevación solar.
La elevación solar es el ángulo formado por el sol respecto del plano horizontal. Cambia a lo largo del día y tiene su altura máxima al medio día. Esta altura máxima varía a lo largo del año entre el solsticio de invierno y el solsticio de verano. DETERMINA INCLINACIÓN DE LOS COLECTORES
Azimut El azimut solar es el ángulo que forma la proyección vertical del sol sobre el horizonte respecto del punto cardinal NORTE. En el hemisferio sur toma el valor 0° cuando el sol esta exactamente en el norte geográfico, y va cambiando a lo largo del día.
DETERMINA ORIENTACIÓN DE LOS COLECTORES
Azimut
Un azimut de ±45° se considera aceptable aceptable en SST-ACS SST-ACS unifamiliares, para favorecer la integración arquitectónica arquitectónica de la instalación.
Radiación Solar Para cuantificar la radiación solar:
irradiancia e irradiación
Potencia Irradiancia: potencia o radiación incidente por unidad de superficie. Indica la
intensidad de la radiación solar. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2) Energía Irradiación: integración o suma de las irradiancias en un periodo de tiempo
determinado. Es la cantidad de energía solar recibida durante un periodo de tiempo. Se mide en julios por metro cuadrado por un periodo de tiempo (J/m2 por hora, día, semana, mes, año, etc., et c., según el caso).
En la práctica, dada la relación con la generación de energía eléctrica, se utiliza como unidad el Wh/m2 y sus múltiplos más habituales kWh/m kWh/m2 y MWh/m2
Radiación Solar
Para facilitar su estudio, la radiación solar sobr so bre e un re rece cept ptor or se cla clasi sififica ca en tr tres es componentes: •directa, •difusa •Reflejada o de albedo.
RADIACIÓN SOLAR SE CLASIFICA EN 3 COMPONENTES la forman los rayos recibidos directamente del Sol. Que lleguen al sensor Radi Ra diaci ación ón
direc dir ecta ta:
Radiaci Rad iación ón dif difusa usa: pro roce cede dent nte e de to toda da la bóveda del cielo, excluyendo el disco solar,
la forman lo loss rayo yoss dis isp persados por la atm at mós ósfe fera ra en di dire recc cció ión n al re rece cept ptor or (p (por or ejemplo, en un día completamente nublado toda la radiación recibida es difusa). Radiaci Rad iación ón ref refleja lejada da o de albe albedo do: reflejada
por la superficie terrestre hacia el receptor. Depende directamente de la naturaleza de lass mo la mont ntañ añas as,, la lago gos, s, ed edifific icio ios, s, et etc. c. qu que e rodean al receptor.
Radiación Solar
La radiación solar atraviesa la atmósfera antes de llegar a la super erffici cie e te terrre resstr tre e y se altera por el aire, la suciedad, el vapor de agua, los aerosoles en suspensión, y otros elementos de la atmósfera. Estas alteraciones son de diferentes tipos según la propiedad óptica que se pone de manifiesto: Reflexión: nubes. Absorción: ozono, oxígeno, dióxido dióxido de carbono, vapor de agua. Sólo actúa sobre algunas longitudes de onda de la radiación. Difusión: polvo, aerosoles, gotas de agua.
Radiación solar GHI: Radiación Global Horizontal GHI = R.direc R.directa ta + R.difu R.difusa sa + R.refleja R.reflejada da
Descomposición de la radiación solar.
Condiciones climáticas
Condiciones climáticas
CIELO CI ELO DE DESPE SPEJAD JADO: O: Alta Radiación Directa Baja Ba ja Rad adia iaci ció ón Di Difu fusa sa CIEL CI ELO O NU NUBL BLAD ADO: O: Baja Ba ja Rad adia iaci ció ón Di Dire rect cta a Alta Radiación Difusa
RADIACION Espectro electromagnético
RADIACION Longitud de onda
Longitud de onda
Longitud de onda
Longitud de onda
Radiación Solar Distribución de la radiación en espectro electromagnético con longitudes de onda que van de 0,15 μm a 4 μm aproximadamente.
Ondas electromagnéticas puede ser emitida por todos los cuerpos
Instrumentos de Medición Solar
Radiación Solar Directa Pirheliómetro Mide radiación directa mediante comparación de señales. Rango Espectral : 300 nm – 3000 nm. Ángulo de visión : < 5% Accesorios necesario : Seguimiento en dos ejes
Instrumentos de Medición Solar Instrumentos de Medición Solar
Radiación SolarRadiación Global Global Piranómetro Mide radiación Global (Directa + Difusa) Dif usa) Rango Espectral : 300 nm – 3000 nm. Ángulo de visión : 180% Accesorios necesario : ninguno
Instrumentos de Medición Solar Instrumentos de Medición Solar
Radiación SolarRadiación Global Reflejada Difusa (DIFUSA) Piranómetro Mide radiación radiación difusa Rango Espectral : 300 nm – 3000 nm. Ángulo de visión : 180% Accesorios necesario : Sistema de anillo s o discos que bloquean la radiación directa. Éstos requieren requi eren de seguimiento o ajuste manual.
Tecnología Solar para Generación Eléctrica y Calor de proceso
Tecnología Fotovoltaica
1887.-- Desc 1887. Descubiert ubierto o por Heinrich Hertz
Einste stein, in, public publicaa un artícu artículo lo sob sobre re 1904.- Ein el efecto efecto Foto Fotovolt voltaico aico (“For his serv services ices to to theoretical Phsics, and especially for his discovery of the law of phoyoelectric effect”). • “1921.- Premio Nobel a Einstein por el artículo.
Tecnología Fotovoltaica
• Usa radiación proveniente proveniente del Sol, y la transforma en energía eléctrica. •
Una Celda Fotovoltaica convierte la energía del sol en electricidad, mediante el efecto Fotoeléctrico, descubierto por Einstein, Premio Nobel 1921.
Banda prohibida (no puede haber e)
Tipos de Silicio
1. Mo Mono nocr cris ista tali lino no.. El rendimiento de las células de silicio monocristalino monocristalino suele variar entre el 15% y el 18%. Es difícil construirlas, lo cual aumenta su precio. La estructura atómica está muy ordenada y tiene un color azul metálico. 2. Policristalino. Su rendimiento varía entre el 12% y el 15%. La estructura atómica no es tan ordenada como ocurre con el monocristalino, lo cual le hace perder rendimiento. (millones de cristales colocados aleatoriamente)
3. Am Amorf orfo. o. Su rendimiento es inferior al 10%. La estru rucctura atómi micca es basta tan nte desordenada. Pero su fabricación es más sencilla que con los monocristalinos y polilicr po cris ista talilino nos, s, lo cu cual al,, lo ha hace ce má máss ba bara rato to.. Ej: El vidrio esta hecho de SiO2 pero cuando su estr es truc uctu tura ra es está tá de deso sord rden enad ado o se ll llam amaa “v “vid idri rio” o”,,
Estructura Cristalina de Tipos de Silicio
Semiconductor Tipo n Conductividad donadora de electrones
Semiconductor Tipo p Conductividad por Hueco
Tecnología Fotovoltaica
Tecnología Fotovoltaica Monocristalino
• Un único Cristal de Si de forma Hexagonal • Color azul oscuro • Alta eficiencia 20% • Alto Costo
Tecnología Fotovoltaica Policristalina
• La red cristalina no es igual en todo el material • Color azulada • Eficiencia entre 11-15 % • Ahorro en Costo
Tecnología Fotovoltaica Capa Fina • Laminas en Silicio Fundido y Cortadas con Laser • No existe red cristalina • Color azul oscuro • Efi Eficie cienci nciaa 7 – 12 % • Bajo Costo
Desventaja requiere el doble doble área para generar la • Desventaja misma potencia que el Monocristalino
Tecnología Fotovoltaica Proveedores autorizados
http://www.sec.cl/portal/page?_pageid=33,5847695 ,33_5905757&_dad=portal&_schema=PORTAL
Tecnología Fotovoltaica Concentración Fotovoltaica Fotovoltaica CPV
• Utiliza un elemento óptico
250 – 1000 veces veces • Concentra la luz del sol 250 • Eficiencia 40% • Solo pueden concentrar con radiación Directa
40 % EFICIENCIA PANEL FOTOVOLTAICO DE CONCENTRACION
Tecnología Fotovoltaica Inversores
Un inversor es un dis isp posit itiivo que co con nvie iert rte e la pote ten ncia DC (corriente continua) en potencia AC (corriente alterna).
Tecnología Fotovoltaica Reguladores de Carga
. Los controladores de carga protegen a los bancos de baterías de las sobrecargas s obrecargas o sobredescargas, permitiendo que tengan mayor durabilidad y prolongando su vida útil. Los controladores regulan la carga de batería limitando la carga de corriente cuando el banco de batería alcanza su máximo almacenamiento
Tecnología Fotovoltaica Proyectos Solare a Nivel Nacional
http://sercchile.cl/proyectos-yrecursos-solares-en-chile/
Tecnología Fotovoltaica Proyectos Solares a Nivel Nacional
http://sercchile.cl/#indicadores-solares
PLATAFORMA SOLAR DE ANTOFAGASTA
PROYECTO : FIRST SOLAR • Pruebas Modulos Modulos FS4 con Antisoili Antisoiling ng • Pruebas Módulos FS4 sin Antisoilin
PROYECTO PLANTA INVESTIGACIÓN PV INDUSTRIA INDUS TRIAL L MEL - UA
ENTRENAMIENTO Planta Pla nta Ind Indust ustria riall – 5 kWp kWp (GI (GIZ Z – CIN CINT TAC – JUW JUWII
Planta Pla ntass Reside Residenci nciale aless – 1,2 1,2/1, /1,77 kWp (GI (GIZ Z – CDE CDEA A
ENTRENAMIENTO
POTENCIAL SOLAR CHILE PLANTA SOLAR TERMICA
Considerando 1 km2 de terreno.
Irradiancia Irrad iancia solar media media de 2.500 kWh/m2 año
Para evitar sombras, la tecnología de captación solar no puede ocupar todo el terreno;
supuesto supu esto el 50% 50% 2.500 kWh/m2 kWh/m2 x 106 x 0,5 =1.250 GWh/año
Eficiencia total total de captación captación anual: 30% 375GWh
Eficiencia Eficie ncia ciclo ciclo Rankine: Rankine: 35% 131,3 GWh GWh
Generación Bruta de energía eléctrica eléctrica de Chile 2016 (CDEC SING-SIC) = 70.000 GWh/año
70000/131,3 = 533 km2 necesarios 23 km x 23 km
Superficie Supe rficie desier desierto to Ataca Atacama: ma: 184.74 184.747 7 km2
Super Su perfi fici ciee Po Pote tenc ncia ial: l: 0,50,5- 1 % Fuente: Calculo realizado realizado por Julian Blanco de la Plataforma Solar Solar de Almería Generación Bruta: CNE, CDEC
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POTENCIAL SOLAR TARAPAC TARA PACA A - CHI CHILE LE La superficie de Tarapacá cuenta con 42225 km2 Considerando la información del ejercicio anterior ¿Cuánta superficie de área necesario como región para abastecer la demanda anual del país?
Superficie Superf icie Potenci Potencial: al: ????? %
1,26 % Fuente: Calculo Calculo realizado por Julian Julian Blanco de la Plataforma ataforma Solr de Almería Generación Bruta: CNE, CDEC
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GRACIAS GRACI AS POR SU ATENC TENCIÓN IÓN
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