PROGRAMA DE ESTUDIOS: SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS

PROTOCOLO Fechas

Mes/año

Clave

05 – 2006

Elaboración

Nivel

Licenciatura

Aprobación

Ciclo

Aplicación

Colegio

Plan de estudios del que forma parte:

Semestre

1-CT-SE-19 X

9no

Maestría

Doctorado

Integración

Básico

Superior

H. y C.S.

C. y T.

X

X

C. y H.

Ingeniería en Sistemas Energéticos

Propósitos generales: Que el estudiante conozca los fundamentos básicos de las aplicaciones de los sistemas solares fotovoltaicos, dimensione y seleccione equipos para el proveer energía eléctrica, utilizando paneles fotovoltaicos dependiendo de la aplicación específica que se desee y a los recursos económicos con que se cuente. Que el estudiante se familiarice con los conceptos solarimétricos, la terminología y sus unidades, los instrumentos y los principios básicos en los que se basa su funcionamiento. Carácter

Horas de estudio semestral (16 semanas)

Taller

Con Teóricas 48 Autónomas Teóricas Docente Prácticas 24 Prácticas Carga horaria semanal: Carga horaria 4.5 semestral:

Seminario

Indispensable Optativa *

Modalidad Curso X

X Curso-taller

Laboratorio

Clínica

Asignaturas Previas

48 24 72

Asignaturas Posteriores:

Sistemas energéticos alternativos, Instalaciones eléctricas.

Requerimientos Conocimientos generales de física y química, Conocimiento de circuitos eléctricos, Conocimientos para cursar la máquinas e instalaciones eléctricas. asignatura

Perfil deseable del profesor:

Ingeniería mecánica eléctrica, Ingeniería eléctrica o ingeniero con experiencia en sistemas solares fotovoltaicos.

Academia responsable del programa: Programa de Energía

Diseñadores: Dr. Eduardo Rincón Mejía, Dr. Álvaro Eduardo Lentz Herrera, M. en I. Fernando Gabriel Arroyo Cabañas, Dr. Gerardo Canizal, M. en I. Carlos Chávez Baeza.

*Aquellas en las que se ofrece la posibilidad de cursar una de las asignaturas, para cubrir un requisito INDISPENSABLE será considerada INDISPENSABLE.

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PROGRAMA DE ESTUDIOS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS INTRODUCCIÓN La energía solar es una de las energías renovables más explotadas en la actualidad. La radiación que recibe la superficie terrestre puede convertirse en energía útil, ya sea en forma de calor, mecánica o eléctrica, mediante diversas tecnologías. Ante la posible escasez y encarecimiento de los combustibles convencionales la energía solar fotovoltaica es una buena opción para garantizar el suministro de energía ya que es considerada como una tecnología madura y que ha sido utilizada por muchos años. Las celdas solares son dispositivos que absorben energía de los fotones presentes en la luz que incide sobre ellas y la convierten en energía eléctrica. El potencial de utilización de la energía solar fotovoltaica es amplio y con esta tecnología se puede reducir el consumo de combustibles fósiles, evitando problemas ambientales asegurando el suministro de energía eléctrica con su aprovechamiento. Las celdas solares fueron comercializadas inicialmente en 1955. Las investigaciones iniciales en este campo se enfocaron al desarrollo de productos para aplicaciones espaciales, siendo su primera utilización exitosa en los satélites artificiales; sus principales características las hicieron ideales para el suministro de energía en el espacio exterior. A la fecha las celdas que han alcanzado mayor grado de desarrollo son las de silicio cristalino, tecnología que predomina en el mercado mundial debido a su madurez, confiabilidad en su aplicación y sobre todo, a su vida útil que va de los 20 a los 30 años. Por otra parte las celdas de película delgada, entre ellas el silicio amorfo, han alcanzado cierto grado de popularidad debido a su bajo costo, sin embargo su baja durabilidad, debido a la degradación, las sitúa por debajo de las celdas cristalinas. Desde principios de la década de los años 80, cuando comenzaron a establecerse compañías fotovoltaicas en los Estados Unidos, el National Renewable Energy Laboratory estableció los métodos y estándares de prueba y funcionamiento para los módulos fotovoltaicos. Estas actividades ayudaron a las compañías a reducir sus costos y mejorar funcionamiento, eficiencia y confiabilidad. Esta asignatura pretende introducir al estudiante en el mundo de la energía solar fotovoltaica, así como diseñar y dimensionar sus propios sistemas. PROPÓSITOS GENERALES Que el estudiante conozca los fundamentos básicos de las aplicaciones de los sistemas solares fotovoltaicos, dimensione y seleccione equipos para el proveer energía eléctrica, utilizando paneles fotovoltaicos dependiendo de la aplicación específica que se desee y a los recursos económicos con que se cuente. Que el estudiante se familiarice con los conceptos solarimétricos, la terminología y sus unidades, los instrumentos y los principios básicos en los que se basa su funcionamiento.

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PLANEACIÓN ESPECÍFICA UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN Propósitos específicos Que el estudiante conozca los conceptos y definiciones fundamentales empleados en la medición y estimación de la energía solar. Que presente de manera concisa el estado actual del aprovechamiento de la energía solar térmica en el mundo para el calentamiento de agua y aire. Que discuta cuál ha sido el desarrollo histórico del aprovechamiento de la energía solar, y tener una visión de hacia dónde se dirige esta tecnología. Temas y subtemas 1.1 El Sol, la radiación solar y la constante solar, distribución espectral de la radiación solar, variación de la radiación solar extraterrestre. 1.2 Definiciones de radiación solar y unidades. 1.3 El aprovechamiento de la energía solar, situación mundial de los sistemas fotovoltaicos. 1.4 Políticas e instrumentos gubernamentales para la promoción de las Fuentes Renovables de Energía, en especial la solar. 1.5 Desarrollo histórico de los sistemas solares fotovoltaicos. Usos y Aplicaciones. UNIDAD 2. GEOMETRÍA SOLAR Y SOLARIMETRIA Propósitos específicos Que el estudiante determine la posición aparente del Sol en cualquier día del año y conozca el efecto de la trayectoria terrestre en la radiación que llega a las capas superiores de la atmósfera. Que conozca las técnicas e instrumentos empleados para la medición de la energía solar, además de las técnicas para adquisición y procesamiento de datos. Temas y subtemas 2.1. Factores geométricos que afectan los flujos de energía irradiada por el Sol. La trayectoria terrestre. 2.2. Movimientos periódicos de la Tierra, declinación, latitud y longitud, altura solar, azimut solar, ángulo horario, ángulo de incidencia, trayectorias solares aparentes, ángulo azimutal de una superficie plana, hora solar, ecuación del tiempo, hora civil. 2.3. Ángulos de seguimiento solar, la gráfica solar, sombreado de superficies. 2.4. Técnicas para la medición de la radiación solar. Medición de la radiación solar directa, radiación solar global y difusa. Sensores e instrumentos. 2.5. Registro y procesamiento primario de datos. UNIDAD 3. EL EFECTO FOTOVOLTAICO Propósitos específicos Que el estudiante conozca el principio de funcionamiento de las celdas fotovoltaicas para la generación de energía eléctrica, además de sus características técnicas. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Sistemas solares fotovoltaicos

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Temas y subtemas 3.1. La celda solar fotovoltaica. Características físicas y eléctricas. 3.2. Tipos de celdas fotovoltaicas. 3.3. Módulos y paneles fotovoltaicos. UNIDAD 4. TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN DELAS CELDAS FOTOVOLTAICAS Propósitos específicos Que el estudiante conozca las principales técnicas de fabricación de las celdas solares de silicio y otros materiales. Que conozca los factores que afectan el rendimiento de las celdas solares y la manera de representarlo mediante gráficas o tablas. Temas y subtemas 4.1. Obtención del silicio para aplicaciones solares, Tecnologías de fabricación de celdas y tipos de módulos fotovoltaicos de silicio. Eficiencias de los diferentes tipos de celdas. 4.2. Celdas solares en otros materiales, procesos de fabricación y aplicaciones. Eficiencias. UNIDAD 5. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Propósitos específicos Que el estudiante comprenda los componentes imprescindibles y opcionales de un sistema fotovoltaico. Que discuta las condiciones reales del funcionamiento de un sistema fotovoltaico y determinar las condiciones óptimas de funcionamiento. Que entienda las opciones de interconexión de los componentes de un sistema fotovoltaico y destaque los puntos delicados en su instalación y operación. Temas y subtemas 5.1. Componentes básicos de una instalación fotovoltaica autónoma. 5.2. Reguladores y controladores de carga. Convertidores CD/CA. Diferentes tipos de inversores. 5.3. Acumuladores. Ciclos de carga- descarga de baterías de acumuladores de una instalación. UNIDAD 6. CONFIGURACIONES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Propósitos específicos Que el estudiante conozca las diferentes configuraciones y tipos de interconexión de los sistemas fotovoltaicos y sus características de funcionamiento. Que estime la cantidad de energía que un arreglo de paneles fotovoltaicos puede aportar en un periodo dado, y seleccione el tipo de sistema más conveniente para una aplicación determinada.

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Temas y subtemas 6.1. 6.2. 6.3. 6.4.

Interconexión en serie y en paralelo de módulos para equipos CD y AC. Concepto de interconexiones a la red, medición neta, venta y compra del fluido eléctrico. Componentes de una instalación fotovoltaica interconectada a la red. Diferentes tipos de sistemas: residenciales, modulares y centrales.

UNIDAD 7. DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Propósitos específicos Que el estudiante aprenda a determinar el tamaño de un sistema fotovoltaico solar para una determinada aplicación. Y que conozca el manejo de programas de simulación de uso común para sistemas fotovoltaicos solares. Temas y subtemas 7.1. Dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos para las diferentes aplicaciones. Diseño del sistema y dispositivos de medición, registro y control. 7.2. Cálculo de los elementos de una instalación, determinación del número y tipo de módulos, dimensionado de la batería de acumuladores, determinación del controlador de carga e inversor apropiados. Ejemplos. 7.3. Empleo de programas de cómputo para el diseño y la simulación de sistemas para el cálculo de sistemas (opcional). 7.4. Normas técnicas internacionales para sistemas fotovoltaicos. Normas europeas. Normas Estadounidenses y de otros países. 7.5. Análisis económico de los sistemas fotovoltaicos autónomos e interconectados a la red. 7.6. Rentabilidad de la inversión. Beneficios ambientales y otras externalidades. METODOLOGÍA PARA EL CURSO La parte inicial de cada una de las unidades del curso será expositiva para establecer las generalidades del mismo y brindarles un marco teórico del tema, posteriormente se afianzarán los conocimientos vistos en cada unidad mediante la exposición en clase y el estudio de diferentes centrales solares y Termosolares en México y en el extranjero. Los estudiantes deberán realizar investigación bibliográfica de los temas vistos; se les proporcionará material adicional en forma de tareas y ejercicios, para que desarrollen sus habilidades en conocimiento y estudio de los sistemas solares; y se les ofrecerán asesorías, cuya finalidad será brindarles apoyo sobre los temas abordados mediante ejemplos prácticos en clase, tareas y ejercicios. Es deseable realizar una visita de campo, en la que se pueda visitar una instalación solar, reafirmando el conocimiento visto en clase.

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EVALUACIONES EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA Los estudiantes de la asignatura deberán tener conocimientos de física, química, termodinámica y mecánica. EVALUACIÓN FORMATIVA Debido al contenido de los temas se recomienda realizar dos evaluaciones formativas, la primera al finalizar la tercera unidad para verificar que los estudiantes se hayan apropiado los conocimientos de las unidades anteriores. La segunda evaluación se recomienda llevarla acabo al finalizar la séptima unidad, para que el estudiante demuestre sus habilidades al realizar el Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos, su aplicación y evaluación económica. En caso de que el grupo requiera mayor atención para subsanar algunas deficiencias, una vez que se conozca el resultado de cada Evaluación Formativa, se podrán a disposición una o dos clases del curso (según sea el caso) para abundar en aquellos temas en los que los estudiantes requieran mayor profundidad; o bien, como parte de las asesorías se incluirá un mayor número de ejercicios que les permitan a los estudiantes mejorar sus habilidades en el dibujo y al mismo tiempo consoliden los conceptos vistos en clase. EVALUACIÓN PARA CERTIFICACIÓN Los estudiantes deberán mostrar los siguientes conocimientos: sobre los sistemas solares y sus diferentes aplicaciones. Ser capaz de realiza una evaluación del potencial del recurso solar en alguna región. Ser capaz de determinar la trayectoria aparente del Sol en cualquier día del año, del sombreado que los objetos expuestos al Sol producen, de la duración de los periodos de iluminación. Ser capaz de identificar cada una de las partes que componen un sistema fotovoltaico autónomo e interconectado ala red. Sea capaz de dimensionar un sistema solar fotovoltaico. Como indicadores para la Evaluación para Certificación se considerarán los siguientes: habilidad de reconocer los componentes de un colector solar fotovoltaico, de evaluar del potencial de la energía solar en alguna región, de dimensionar un sistema fotovoltaico y de realizar un estudio de análisis económico para alguna aplicación. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA     

The German Solar Energy Society (DGS LV Berlin BRB). Ecofys, Planning and Installing Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers. James & James, 2005. Palz Wolfgang. Electricidad Solar. Estudio económico de la energía solar. BLUME, UNESCO, 1978. Strong S. J. and Scheller W. G. The Solar Electric House. Energy for the Environmental Responsive, Energy-Independent Home. Sustainability Press, 1993. Morales Acevedo, A. La electricidad que viene del Sol. Una fuente de Energía Limpia. Grupo Editorial Iberoamericano, 1998. Gordon, J. Solar Energy. The State of Art. ISES Position Papers. James & James, 2001.

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Sánchez, A. Bombeo de agua con sistemas fotovoltaicos. Firco, 2004. Granqvist, C.G. Materials Science for Solar Energy Conversion Systems. Pergamon Press, 1991. Antony, Falk. Photovoltaics for Professionals. Earthscan Publications, 2007. Castro M., et. al. Energía Solar Fotovoltaica. Progensa, 2000. Markvart, Tom. Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. Elsevier Science, 2005. Stuart R. Wenham, Martin A. Green, Muriel E. Watt and Richard Corkish. Applied Photovoltaics. Earthscan Publications, 2006. BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA

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Aitken, D. Libro blanco. Transición hacia un futuro basado en las fuentes renovables de energía. UACM, 2006. Martin, C. and Goswami, Y. Solar Energy Pocket Reference. ISES Press, 2005.

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