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SISTEMAS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS
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Desde un punto de vista de aplicación práctica, las instalaciones eléctricas fotovoltaicas se dividen en dos tipos diferentes:
Instalaciones aisladas.
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Instalaciones conectadas a la red
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INSTALACIONES AISLADAS
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1. Características y aplicaciones de una instalación aislada.
CONTENIDOS
2. Elementos de la instalación.
3. Documentación de la instalación.
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OBJETIVOS
Conocer las principales aplicaciones de una instalación aislada, así como sus ventajas y sus limitaciones para diversas aplicaciones prácticas.
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- Reconocer los elementos y dispositivos que forman la instalación aislada (módulos, regulador, inversor y baterías), conocer e interpretar sus principales características y su modo de funcionamiento.
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- Conocer la documentación que se debe elaborar en la fase de diseño de una instalación fotovoltaica no conectada a red.
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- Ser capaces de calcular, partiendo de la previsión de la demanda energética de la instalación, los elementos que se deben incorporar a ella y las características con las que deben contar, interpretando correctamente las hojas de características proporcionadas por el fabricante.
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CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE UNA INSTALACIÓN AISLADA
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Las instalaciones fotovoltaicas o autónomas aisladas son instalaciones no conectadas a la red general de distribución eléctrica.
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Su tamaño, por lo general, es menor que el de las instalaciones conectadas a red
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La potencia instalada no suele superar unos pocos kilovatios. Existen aplicaciones muy diversas para esta clase de sistemas:
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• El consumo eléctrico de viviendas o edificios, especialmente en zonas rurales.
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• El alumbrado público.
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• El consumo de instalaciones agropecuarias alejadas de la red de distribución eléctrica.
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• La electrificación en zonas del Tercer Mundo en las que la red eléctrica se halla aún poco desarrollada.
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• El bombeo y tratamiento de aguas.
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• La señalización en calles y carreteras, o las aplicaciones de medición, cámaras de vídeo, etcétera.
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COSTES Y BENEFICIOS DE UNA INSTALACIÓN AISLADA
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Esta clase de instalaciones suele llevarse a cabo en lugares en los que es difícil o costoso llevar la red de distribución al emplazamiento. Existen, como vemos, muchas aplicaciones en las que la instalación de un sistema aislado tiene un coste inferior (en ocasiones muy inferior) a la conexión a la red general.
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Si además tenemos en cuenta el ahorro de la factura eléctrica durante toda la vida útil de la instalación fotovoltaica, esta resulta ser la opción más racional económicamente para muchos lugares y aplicaciones. El sistema se suele dimensionar con una potencia instalada y una capacidad de acumulación suficientes para garantizar un suministro fiable como mínimo durante tres días sin sol.
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En todo caso, para garantizar el suministro, a veces se instala un grupo electrógeno de gasolina o diésel para los momentos puntuales en los que los acumuladores se queden sin energía. En ocasiones, también se complementan con un pequeño aerogenerador para aprovechar la energía del viento y producir electricidad conjuntamente con los paneles (en el capítulo 8 se estudiará en profundidad el funcionamiento y la aplicación de los aerogeneradores).
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EL FUTURO DE LAS INSTALACIONES AISLADAS
En el mundo existen unos tres mil millones de personas que no tienen acceso a la red de distribución eléctrica. Mientras que en Europa o en otras regiones desarrolladas esta situación se da especialmente en lugares isleños o de difícil acceso, en los países del Tercer Mundo existen grandes áreas rurales sin electrificar. En esos lugares sería posible crear instalaciones fotovoltaicas que, aun sin conexión con otras redes eléctricas, estuviesen conectadas entre sí formando pequeñas redes de distribución.
COMPONENTES Y UNA INSTALACION AISLADA
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Los diferentes componentes de una instalación fotovoltaica aislada, son los siguientes:
módulos o paneles solares fotovoltaico
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acumulador
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regulador
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inversor
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El esquema tipo que se aplicara en un montaje de una instalación aislada será como se describe a continuación
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Paneles o solares fotovoltaicos
Los paneles solares fotovoltaicos son los elementos fundamentales de la instalación.
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La célula solar, que hemos estudiado en la unidad anterior, es -como nos indica el propio símil biológico de célula-la estructura elemental que permite aprovechar la radiación del Sol para producir electricidad. Las células se ensamblan y se conectan, como también hemos tratado, en paneles o módulos fotovoltaicos, que les proporcionan a aquellas, rigidez y protección, proporcionando corriente eléctrica a valores de tensión e intensidad utilizables. La instalación fotovoltaica no podría existir sin los módulos. Estos forman, por así decir, la materia prima de la instalación, los elementos indispensables. Junto con ellos, los acumuladores, el regulador y el inversor permiten, respectivamente, almacenar la energía eléctrica, regular el funcionamiento de la instalación y proteger las baterías y acondicionar la corriente para su uso en una red de consumo de alterna. Finalmente, en la instalación se cuentan elementos auxiliares como los conectores de los módulos y el cableado que transporta la corriente hasta el regulador.
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LA INCLINACIÓN DE LOS PANELES
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El Pliego de Condiciones Técnicas para Instalaciones Aislada de Red del lDAE define tres posibles inclinaciones para los paneles, que dependen de la latitud del emplazamiento de la instalación. Cuando se emplea el criterio del peor mes (para maximizar la producción en diciembre) se suman 10° a la latitud. Si se emplea el del mejor mes (para maximizar la producción en junio) se le restan 20°. Para maximizar la producción media anual, se le restan 10°. Así, en el criterio del peor mes, Que es el más habitual en las instalaciones aisladas, los paneles suelen tener una inclinación de unos 50° en España y zonas de latitud similar. En ocasiones, los soportes de los módulos tienen dos posiciones de diferente inclinación, una de invierno y otra de verano, que se fijan manualmente.
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A diferencia de los sistemas conectados a red, en los que se trata de optimizar la inclinación de los paneles para que produzcan la mayor cantidad de energía posible durante el año, en los sistemas aislados se intenta optimizar la inclinación para garantizar la producción eléctrica en los meses del año de menor radiación solar.
BATERÍAS
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La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.
Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.
Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías
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Normalmente el banco de baterías y los módulos fotovoltaicos trabajan conjuntamente para alimentar las cargas.
La siguiente figura muestra cómo se distribuye la entrega de energía a la carga a lo largo del día. Durante la noche toda la energía demandada por la carga la provee el banco de baterías.
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En horas tempranas de la mañana los módulos comienzan a generar, pero si la corriente que entregan es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir en el aporte. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos superada la energía promedio demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda sino que además, todo exceso se almacenara en la batería que empezara a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche anterior.
Finalmente durante la tarde, la corriente generada decrece y cualquier diferencia con la demanda la entrega a la batería. En la noche, la generación es nula y todo el consumo lo afronta la batería.
Tipos de Baterías
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Baterías de plomo – ácido de electrolito líquido
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Las baterías de plomo – ácido se aplican ampliamente en los sistemas de generación fotovoltaicos. Dentro de la categoría plomo – ácido, las de plomo – antimonio, plomo – selenio y plomo – calcio son las más comunes.
La unidad de construcción básica de una batería es la celda de 2 Volts.
Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto.
En general, la tensión de una celda varía entre 1,75 V y 2,5 V, siendo el promedio alrededor de 2 V, tensión que se suele llamar nominal de la celda.
Cuando las celdas de 2 V se conectan en serie (POSITIVO A NEGATIVO) las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose de esta manera, baterías de 4,6,12 V, etc…
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Si las baterías están conectadas en paralelo (POSITIVO A POSITIVO Y NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no cambian, pero se sumaran sus capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo baterías de igual tensión y capacidad.
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Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (numero de veces en que la batería puede ser descargada y cargada a fondo antes de que se agote su vida útil).
La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería entrega. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batería que posee una capacidad de 80 Ah en 10 hs (capacidad nominal) tendrá 100 Ah de capacidad en 100 hs.
Dentro de las baterías de plomo – ácido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas fotovoltaicos. Ellas poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es de un 20 % (es decir que la batería estará con un 80 % de su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es del 50 % (batería con 50 % de su carga).
Las baterías estacionarias poseen además, una baja auto-descarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo – ácido convencional) y un reducido mantenimiento.
Dentro de estas características se encuadran también las baterías de plomo-calcio y plomo- selenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de gasificación y una baja autodescarga.
Baterías selladas
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Gelificadas
Estas baterías incorporan un electrolito del tipo gel con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una jalea. No se derraman, pueden montarse en casi cualquier posición y no admiten descargas profundas.
Electrolito absorbido
El electrolito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio microporoso o en un entramado de fibra polimérica. Al igual que las anteriores no se derraman, admiten cualquier posición y admiten descargas moderadas.
Tanto estas baterías como las Gelificadas no requieren mantenimiento en forma de agregado de agua, no desarrollan gases evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida de servicio.
Níquel – Cadmio
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Las principales características son:
1) El electrolito es alcalino
2) Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal
3) Bajo coeficiente de autodescarga
4) Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura
5) La tensión nominal por elemento es de 1,2 V
6) Alto rendimiento de absorción de carga (mayor al 80 %)
7) Muy alto costo, comparadas con las baterías ácidas
Al igual que las baterías de plomo – ácido, estas se pueden conseguir en las dos versiones, standard y selladas, utilizando la mas conveniente según la necesidad de mantenimiento admisible para la aplicación prevista. Dado su alto costo, no se justifica su utilización en aplicaciones rurales.
Batería de ion de litio
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La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.
Las propiedades de las baterias de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, la ausencia de efecto memoria o su capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido el diseño de acumuladores livianos, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados para las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. Desde la primera comercialización a principios de los años 1990 de un acumulador basado en la tecnología Li-ion, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música.
Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.
CARACTERÍSTICAS DE LA BATERÍA
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La capacidad de un acumulador es la cantidad de electricidad que se puede descargar hasta que la batería quede completamente descargada. La capacidad es el producto de dicha corriente eléctrica por el tiempo de descarga:
Cn = In x tn
En esta expresión el subíndice n indica las horas de descarga de la batería. De este modo, la capacidad de la batería se mide habitualmente en amperios-hora (Ah). Una batería tiene una capacidad de un amperio-hora cuando se puede extraer de ella una corriente de un amperio durante una hora, hasta que quede completamente descargada.
La capacidad de una batería no es una magnitud constante, sino que depende de la temperatura y, sobre todo, de la corriente de descarga. Con corrientes de descarga pequeñas se puede extraer más potencia de una batería que con corrientes elevadas.
En el proceso de carga de una batería, si la tensión sube por encima de un determinado límite, puede ocurrir que el agua se electrolice separándose en hidrógeno y oxígeno gaseosos. Esta mezcla es sumamente explosiva, por lo que el fabricante define una tensión de corte (cut-out) que no debería sobrepasarse. El regulador, dispositivo que estudiaremos a continuación, será el dispositivo encargado de garantizarlo. Generalmente, para las celdas de 2 V se define una tensión máxima de carga de 2,4 V.
La tensión que proporcionan las baterías de plomo varía en función del nivel de carga. Por ejemplo, una batería de 12 V nominales proporciona unos 11 V cuando está descargada y unos 13 V cuando está totalmente cargada. Medir la tensión que existe entre los bornes de \a batería es, por tanto, la forma más sencilla de conocer el nivel de carga de una batería.
CÁLCULO DE LA BATERÍA
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En la configuración de una instalación aislada, se plantea qué características deberá tener el acumulador que empleemos. Para efectuar el cálculo deberemos conocer el consumo medio diario (LD) y deberemos establecer qué autonomía (FSB ) deberá tener razonablemente la instalación, es decir, cuántos días podrá funcionar en ausencia total de generación eléctrica. También deberemos tener en cuenta la profundidad máxima de descarga (PDmáx) a la que se someterá la batería. A partir de todos estos datos emplearemos la fórmula:
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Caso práctico nº3
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¿Cuál será la capacidad que deberán tener los acumuladores de una instalación solar aislada si el consumo diario previsto es de 1520 Wh y se desea tener una autonomía de 4 días, con una profundidad máxima de descarga del 65%?
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Solución:
Empleamos la fórmula antes mencionada para calcular la capacidad de los acumuladores:
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Para calcular la capacidad de la batería en amperios-hora dividimos la capacidad expresada en vatios-hora entre la tensión nominal de la batería:
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REGULADORES DE CARGA DE BATERÍAS
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Existen diversos tipos de reguladores de carga.
El diseño mas simple es aquel que involucra una sola etapa de control. El regulador monitorea constantemente la tensión de batería.
Cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 V para una batería de plomo ácido de 12 V nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Esto puede lograrlo abriendo el circuito entre los módulos fotovoltaicos y la batería (control tipo serie) o cortocircuitando los módulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería y vuelve a comenzar el ciclo.
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En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensión de carga a fondo de la batería puede ser algo mayor a 14,1 V.
El regulador queda definido especificando su nivel de tensión (que coincidirá con el valor de tensión del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar.
Para ilustrarlo con un ejemplo sencillo, se supone que se tiene que alimentar una vivienda rural con consumo en 12 Vcc. y para ello se utilizan dos módulos fotovoltaicos.
La corriente máxima de estos módulos es Imp = 2,75 A y la corriente de cortocircuito Icc. = 3 A.
Al estar los módulos en paralelo la corriente total máxima que deberá controlar el regulador será
I total = 2 x 3 A =6 A
Se considera la corriente de cortocircuito para contemplar la peor situación.
El regulador a elegir, por lo tanto, deberá estar diseñado para trabajar en una tensión de 15 V (tensión de trabajo de los módulos) y manejar una corriente de 6 A.
INVERSORES O CONVERTIDORES
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El inversor es el elemento que convierte la corriente continua en corriente alterna, indispensable para poder utilizarlos los receptores normales que suelen ser en su mayoría de corriente alterna.
Si la instalación dispusiese de receptores de corriente continua, se alimentarían antes del inversor tal y como vimos en el esquema.
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Las características más importantes de un inversor son la potencia nominal del valor eficaz de tensión alterna de salida, como lógicamente será de igual valor que lo receptores a los que vaya a alimentar.
COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN CONECTADA LA RED ELÉCTRICA
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En la diapositiva mostramos el esquema de una instalación solar fotovoltaica conectada la red eléctrica, cuyos componentes principales son los siguientes:
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módulos o paneles solares fotovoltaicos
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regulador
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inversor
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contador
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cuadro eléctrico de transferencia
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Los elementos descritos en el sistema de instalaciones airadas ya no lo repetiremos aquí justo que son similares para ambas instalaciones y pasaremos a describir los componentes nuevos, representados en el esquema
El regulador aquí tiene como misión estabilizar la tensión de salida del campo solar, para mantenerlo en valores aceptables, ya que en este caso no existen baterías de almacenamiento.
El inversor tiene que transformar la corriente continua en alterna, de la misma tensión y frecuencia que la de la red donde vaya a ser insertada.
Contador
El contador sirve para medir la energía eléctrica en el caso de inserción en la red eléctrica, para cuantificar la energía de vida y poder evaluar el importe que abonar a la compañía eléctrica y en el caso del consumo de la red para abordar éste consumo y tarifas lo acompaña.
Los contadores miden la energía consumida en vatios hora o kilovatios hora.
Cuadro eléctrico de transferencia
Este cuadro se interpone entre la red eléctrica y el contador, y en él se instalan todos los dispositivos de maniobra, protección, señalización y control de todos los parámetros que deben sincronizarse con la red eléctrica a la que sirven.
La casa de Rafael 