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CFGM Instalaciones eléctricas y automáticas

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INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS Miquel Casa - Mónica Barrio

marcombo edic i ones

lécn lc as

Instalaciones solares foto voltaicas

Primera edición, 2012

© 2012 Miguel Casa Vilaseca - Mónica Barrio López

© 2012 MARCOMBO, S.A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona www.marcombo.com Maquetación: PAENDE

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. ISBN: 978-84-267-1813-6 D.L.: B-10242-2012 Impreso en GRAFO, S.A.

Printed in Spain

Presentación La energía solar evita las emisiones de gases de efecto invernadero y, junto con las otras energías renovables, disminuye la dependencia energética de los combustibles fósiles, que provienen mayoritariamente de otros países y pueden llegar a agotarse. La fotovoltaica posee unas características que le permiten tener grandes expectativas: - Instalaciones fiables, no producen ruido y son fáciles de instalar. - Poco mantenimiento, no tienen partes móviles que suelen crear más averías. - Se pueden montar en zonas donde las líneas eléctricas tienen difícil acceso. - El precio de los materiales cada vez es menor. Las primeras instalaciones eran de tipo autónomo para zonas rurales, aplicaciones de señalización, alumbrado, etc. A partir del año 2000 empezó el crecimiento de instalaciones solares conectadas a la red eléctrica, ya que se facilitó el conexionado con la compañía distribuidora y se establecieron primas económicas para los productores de energía solar. Actualmente, ha surgido una nueva normativa sobre balance neto o autoconsumo en la que se permite a los clientes producirse su propia electricidad y estar interconectados con la red para verter los excesos y consumir del sistema cuando su demanda lo precise. Se espera que sea un avance más para la fotovoltaica. Este libro se ha dirigido al alumnado de Ciclos de Grado Medio. Nos gustaría que pudiera servirles para dedicarse a este sector. Los contenidos tratados son los siguientes: - Conceptos básicos. - Componentes. - Cálculo de instalaciones. - Montaje y mantenimiento. - Normativa. - Prevención de riesgos laborales. - Protección ambiental.

Miquel Casa - Mónica Barrio

Queremos dar las gracias a la familial amigos/as y a las personas que colaboran con nosotros en nuestros institutos. Los autores. Agradecer también a María Núñez que me ayudara a elegir esta profesión. Mónica Barrio.

,

Indice general Unidad 1

Unidad 7

Conceptos básicos ....................................... 1 Montaje y conexionado ........................... 120 1.1 1.2 1.3

Introducción ......................................................2 Radiación solar sobre el punto de captación ....................................................6 Orientación e inclinación de los paneles .... 11

Unidad 2 El panel solar ................................................ 15 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Funcionamiento de la célula solar ............... 16 Fabricación de células Monocristalinas ...... 17 Módulo fotovoltaico ...................................... 19 Diodos de protección ....................................21 Tipos de conectores para paneles ..............23 Normativa de los módulos ............................ 24 Tipos de paneles .............................................25 Parámetros eléctricos ....................................27

Unidad 3 Componentes de la instalación ................ 33 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Baterías ............................................................34 El regulador .....................................................49 El inversor, ondulador o convertidor ............ 53 Cargas de consumo ......................................59 Elementos de monitorización ........................ 60

Unidad 4

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Unidad 8 Mantenimiento y averías en las instalaciones solares fotovoltaicas ......... 149 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

4.2 4.3

Cálculo de pérdidas por sombras de un obstáculo .............................................63 Distancia mínima entre fi las de paneles ..... 69 Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación .................................................... 70

Unidad 5 Diseño de instalaciones .............................. 73 5.1 5.2 5.3

Diseño de una instalación autónoma ........ .74 Elección de los cables ...................................82 Diseño de una instalación a red .................. 88

Módulos fotovoltaicos y estructuras ........... 151 Baterías .......................................................... 153 Mantenimiento del regulador de carga para batería de acumulación (CCB) ........ 157 Mantenimiento del inversor o convertidor CD/CA ........................................................... 157 Mantenimiento del circuito eléctrico ........ 158 Mantenimiento de seguidores solares ....... 158 Enlaces web interesantes ............................ 161 Anexo ............................................................. 162

Unidad 9 Normativa fotovoltaica ............................. 168 9.1

Pérdidas de radiación solar ....................... 62 4.1

Montaje de la instalación ............................ 122 Montaje de estructuras de soporte fi jo ..... 137 Conexión eléctrica y toma de tierra ......... 141 Montaje de baterías, acumuladores y resto de instalación ................................... 144 Elementos de protección y desconexión .145 Otras aplicaciones ....................................... 146

9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8

Instalaciones conectadas a la red eléctrica ........................................................ 169 Instalaciones autónomas ............................ 171 Otras normas ................................................. 171 Código Técnico de Edificación Sección HE5, Contribución mínima de Fotovoltaica ...... 171 Régimen económico de las ISF .................. 174 RD 1699/2011, Conexión a la red de instalaciones de baja potencia ................. 177 Procedimiento administrativo para la conexión .......................................... 182 Memoria' o proyecto técnico ..................... 184

Unidad 10

Unidad 6

Prevención de riesgos laborales

Aparatos de maniobra y protección ...... 102

y Protección ambiental ............................ 185

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Grupo generador ......................................... 103 Protecciones del inversor ............................ 107 Protecciones del inversor al Cuadro de Protección y Medida, CPM ................... 108 Protección contra sobretensiones ............. 108 Otras protecciones, del inversor a la red de distribución .............................................. 111 Esquemas de los equipos de protección .. 112 Puesta a tierra ............................................... 115

10.1 Introducción .................................................. 186 10.2 Medidas de seguridad y de protección individual .......................... 186 10.3 Riesgos eléctricos (RD 614/2001) ................ 189 10.4 Prevención de riesgos eléctricos ................ 189 10.5 Seguridad en el montaje y mantenimiento .......................................... 191 10.6 Protección ambiental .................................. 194

ix

Unidad 1 Conceptos

En este capítulo: 1.1

Introducción.

1.2

Radiación solar sobre el punto de captación.

1.3

Orientación e inclinación de los paneles.

básicos

Unidad 1 . Conceptos básicos- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

1.1. Introducción Las energías renovables son aquellas que están presentes de forma potencial en la naturaleza y que tienen unas posibilidades de uso prácticamente ilimitadas. El término energía renovable engloba una serie de fuentes de energía que en teoría no se agotarían con el paso del tiempo. Estas fuentes serían una alternativa a las otras, llamadas convencionales (no renovablesL y producirían un impacto ambiental mínimo. Las energías renovables más importantes aparecen organizadas en el esquema siguiente:

ENERGíA HIDRÁULICA

ENERGíA MAREOMOTRIZ

ENERGíA GEOTÉRMICA

ENERGíA EÓLICA ENERGíA DE LAS OLAS ENERGíA SOLAR

ENERGíA FOTOVO LTÁI CA ENERGíA TÉRMICA

ENERGíA BIOMASA

I----r--~

BIOMASA RESIDUAL

BIOCARBURANTES CULTIVOS ENERGÉTICOS

Fig 1.1. Fuentes de energía .

"---.¡

RESIDUOS SÓLIDOS AGRíCOLAS Y URBANOS

Como puedes ver, la mayor parte de energías renovables tienen como fuente de energía directa (fotovoltaica o térmica) o indirecta (hidráulica, eólica, etc.) las radiaciones solares. La energía solar es una de las alternativas energéticas más importantes en la actualidad, ésta ofrece una serie de ventajas tales como: Utiliza recursos naturales inagotables: la luz del Sol. Es una energía limpia que no genera emisiones de gases contaminantes ni otro tipo de residuos. Es una solución ideal para disponer de electricidad en zonas aisladas. Es la única energía renovable que puede instalarse a gran escala dentro de las zonas urbanas. En el caso de instalaciones conectadas a la red, hay subvenciones públicas y primas a la producción.

2

- - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - -- -- - -- --Unidad 1 . Conceptos básicos Los paneles y la estructura de soporte pueden desmontarse al final de la vida útil, pudiendo reutilizarse. Entre las desventajas, se encuentran: El impacto visual de los parques solares, que suelen ocupar grandes superficies de captación. Sólo se produce energía mientras hay luz y depende del grado de insolación. El costo de las instalaciones es elevado, sobre todo si se compara con otro tipo de instalaciones que generen la misma potencia_ El periodo de amortización de la inversión es largo, de unos diez años. El rendimiento es bastante bajo debido a la baja eficiencia de las células solares, en muchos casos inferior al 40%. El tiempo que deben esperar, según manifiesta la Asociación de la Industria Fotovoltaica (ASIF), las pequeñas y medianas instalaciones fotovoltaicas para que las compañías eléctricas las homologuen y compren su producción.

1.1.1. Definiciones previas Radiación solar: Energía procedente del Sol en forma de ondas electromagnéticas. Irradiancia: Densidad de potencia incidente en una superficie, se mide en kW/m 2 • Irradiación: Energía incidente en una superficie, se mide en kWh/m 2 o MJ/m 2 • De forma sencilla, se puede decir que la irradiancia es el valor instantáneo y la irradiación el valor durante un tiempo de radiación, ambos para una super,f icie de 1

m2 •

1.1.2. El efecto fotovoltaico y la radiación solar El término fotovoltaico significa: Photos (Griego): Luz. Volta: Físico descubridor de la pila eléctrica. El efecto fotovoltaico que se produce en algunos elementos químicos (silicio, germanio, etc.) es la capacidad de absorber fotones (partículas de luz) y liberar a continuación una corriente continua de electrones. Para que se pueda producir necesitamos al Sol, que se encuentra a temperaturas muy altas y por reacciones químicas que se producen en él, se libera una energía a la que llamamos radiación solar. Esta radiación llega a la Tierra, en los siguientes porcentajes:

* 7% ultravioleta

* 47% luz visible

* 46% radiación infrarroja

Flujo de energía (cal cm- 2 3 min- 1 Ilm- 1 )

2

1

0 4-~~~--~--~~==~~~=r 2,4 2,8 1,2 2,0 1,6 3,2 Longitud de onda (11m) O f,4 0,8 Flg 1.2. Espectro de radiación solar.

UV •

!..VIS...

IR

3

Unidad 1 . Conceptos b á s i c o s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Recuerda •••

Las células solares captan la mayor parte de luz visible, ya que la ultravioleta llega en poca cantidad (un 7%) y la infrarroja tiene poca energía.

Irradiancia: Potencia en 1 m 2, se mide en kW/m 2 •

La radiación que llega del Sol se llama constante solar, y tiene un valor de irradiancia de 1.353 W/m 2 al llegar a la Tierra, antes de la atmosfera terrestre. Al atravesar ésta, se producen unas pérdidas por los gases atmosféricos (nitrógeno, oxígeno, ... ), vapor de agua, etc. llegando a la superficie terrestre una irradiancia de 1.000 W/m 2 •

Irradiación: Energía en 1 m 2, se mide en kWh/m 2 • La Irradiancia que nos llega del Sol, constante solar, es de 1.000 W/ m 2 (por convenio). Las células calibradas son el medidor más utilizado en instalaciones solares.

Hay tres tipos de irradiancia incidente: Irradiancia directa (I): Es la que se recibe directamente del Sol. Irradiancia difusa (O): Es la que se recibe del Sol después de haber sido desviada por la dispersión atmosférica, llega desde todas las direcciones (nubes, cielo, etc.). Irradiancia reflejada o de albedo (R): Es la que ha sido reflejada por el suelo.

La suma de las tres da lugar a la constante solar o irradiancia solar global. La industria, para unificar criterios, ha tomado el valor de referencia de 1.000 W/m 2 (se consigue en días despejados).

1.1.3. Medidores de radiación solar Existen varios métodos para medir la radiación solar. El piranómetro. Instrumento que mide la radiación global (la directa más la difusa), habitualmente sobre una superficie horizontal. El pirheliómetro. Este instrumento se enfoca directamente hacia el Sol para medir la radiación directa. Debe contar con un sistema de movimiento para seguir el Sol con gran precisión. Las células calibradas. Son células fotovoltaicas que un laboratorio acreditado ha puesto a prueba, iluminándolas con luz solar artificial y estableciendo una relación proporcional entre la radiación recibida y la producción eléctrica. Se trata de medidores de menor precisión que los anteriores pero que, dado su bajo coste, son ideales como comprobadores del buen funcionamiento de las instalaciones. Así, colocando una de estas células, puede contrastarse la producción de las instalaciones con la radiación aproximada recibida.

Fig 1.3. Piranómetro, pirheliómetro y célula calibrada.

Al comprarlas vienen con una tabla. Nosotros medimos la corriente en la célula y de la tabla sacamos la irradiancia incidente. Irradiancia W/m

2

Célula mA

Irradiancia 2

Célula mA

1.000

267

W/m

950

254

500

134

900

240

400

107

800

214

300

80

750

200

250

67

600

160

125

33

- - -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Unidad 1· Conceptos básicos

1.1.4. Tipos de instalaciones Tenemos dos tipos: autónomas y conectadas a red que pasamos a detallar brevemente.

a) Instalación solar fotovoltalca autónoma CargasCC

Regulador

Cargas CA

l

Generador fotovo1taico

Convertidor DCIAC (Inversor)

l Baterias

Fig 1.4. Instalación autónoma.

Formada por: a) Módulos, paneles o generadores: Transforman la irradiación solar en energía eléctrica continua (KWh ó KJ). b) Regulador: Controla las sobrecargas y las descargas en las baterías. c) Acumuladores: Sirven para almacenar energía y dar una tensión estable, aunque los paneles no estén captando energía. d) Convertidor, ondulador o inversor: Transforma la energía eléctrica continua a alterna. e) Cargas: El consumo que conectamos en continua o alterna. f) Protecciones: Aunque no están en el esquema se utilizan para evitar daños a las personas y a los elementos de la instalación. Se utilizan en: •

Casas de campo aisladas o con fines medioambientales, barcos, caravanas, etc.

•

En juguetes, usos domésticos como relojes, linternas, etc.

•

Señales de tráfico, iluminación pública, parquímetros, etc.

b) Instalación solar fotovoltaica conectada a la red eléctrica Compañia

Inv ersor

Generador fotoyoltaíco

Caja de embarrado

Contadocde entrada

Flg 1.5. Instalación conectada a la red de distribución,

ConsUIDQ

5

Unidad 1 . Conceptos básicos,- -- -- - -- -- -- -- - - - -- - - -- - - - -- - -- - - Se prescinde del regulador y de las baterías. Se le añade un contador para saber la energía que se vende a la compañía eléctrica. Funcionamiento: Toda la energía generada por los módulos se lleva al inversor que se encarga de transformar a corriente alterna y de adaptar a las características eléctricas que tiene la red eléctrica. Se utiliza en la venta de energía a la compañía eléctrica.

Ejercicios 1. Explica la diferencia entre irradiancia e irradiación. 2. Escribe brevemente la definición del efecto fotovoltaico. 3. ¿En qué dispositivo se produce el fenómeno anterior? 4. De toda la radiación solar, ¿cuánta llega a la superficie terrestre y qué nombre recibe? 5. Explica los tipos de irradiancia que pueden incidir sobre un panel o una superficie. 6. Explica las diferencias entre el piranómetro y el pirheliómetro. 7. Haz los dos esquemas de las instalaciones solares fotovoltaicas y explica brevemente el funcionamiento de cada uno.

1.2. Radiación solar sobre el punto de captación 1.2.1. Coordenadas geográficas Para saber la irradiación solar que habrá en el punto de la instalación hemos de conocer la coordenada geográfica de la latitud (1), que junto a la longitud (L), nos permite definir la situación exacta de cualquier punto sobre la Tierra. El Ecuador es el círculo máximo perpendicular al eje de la Tierra. Los polos están separados 90° del Ecuador. La esfera terrestre queda dividida en dos semiesferas o hemisferios, llamados Norte o Sur, según el polo que tenga en su centro. Los paralelos son los círculos menores paralelos al Ecuador. Los meridianos son los círculos máximos que pasan por los polos y, por tanto, son perpendiculares al Ecuador.

6

•

Latitud (1 ó (j». Es el arco del meridiano que va del Ecuador al punto donde se encuentra el lugar. Siempre es menor de 90° y se llama Norte (N) cuando el lugar se encuentra en el Hemisferio Norte, y Sur (S) cuando está en el Hemisferio Sur.

•

longitud (L). Es el arco del Ecuador que va del meridiano de Greenwich al meridiano superior del lugar. La longitud siempre es inferior a 180°. Utilizamos la indicación Longitud Oeste (LW) cuando el lugar queda a la izquierda ya la inversa para Longitud Este (LE).

- - - - - - -- - - - -- - - - - - - - - -- -- - -- - - - - - - U nidad 1 . Conceptos básicos

Fig 1.6. Latitud y longitud.

Ejemplos

* L'Hospitalet de Llobregat (Barcelona) se encuentra en una latitud de 41,22 N yen una longitud de 2,08 E.

* Madrid se encuentra en una latitud de 40,24 N Y una longitud de 3A1 O.

Líneas principales de la Tierra Hay infinidad de paralelos, pero los siguientes tienen un nombre específico:

Paralelen¡¡ ... .. ..

,

•

Trópico de Cáncer. Es el paralelo del hemisferio Norte, separado del Ecuador 23ASo'.

•

Trópico de Capricornio. Es simétrico al de Cáncer en el hemisferio Sur, también separado del Ecuador 23ASo'.

•

Círculo polar Ártico. Es el paralelo que se encuentra separado del polo Norte 23ASo'.

•

Círculo polar Antártico. Es el paralelo que se encuentra separado del polo Sur 23ASo'.

-'"

Norte ..... - ... '-

Tr6~¡fO de

Clpricom lo

Fig 1.7. Paralelos y meridianos importantes.

7

cep os b á s i c o s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Existen muchos meridianos, pero los dos más importantes: Meridiano de Greenwich. Se toma como origen para medir las longitudes; se llama así porque pasa por el observatorio de esta ciudad inglesa.

El antimeridiano. Es opuesto a Greenwich (L=1800) y determina el cambio de día y fecha (más adelante).

1.2.2. Movimientos de la Tierra La Tierra hace dos movimientos, de translación alrededor del Sol y de rotación sobre su eje, que resulta que está inclinado 23,45°.

Equinoccio de primavera

+4-' - - - - - ~SOI

Fig 1.8. Movimientos de la Tierra.

Equinoccio de otoño

En la imagen se puede observar que: En invierno el Sol da perpendicular al Trópico de Capricornio, en el Hemisferio Sur (H. Sur). En el H. Norte los rayos llegan en diagonal, ya que la inclinación de la Tierra nos perjudica, reduciendo las horas que tenemos de Sol al día (movimiento de rotación). El día en que este efecto es mayor es el21 de diciembre y se llama Solsticio de Invierno. En verano pasa al revés ya que la radiación solar llega más perpendicular al H. Norte, toca en el Trópico de Cáncer y la inclinación de la Tierra favorece tener más horas solares . El día en que este efecto es mayor es el21 de junio y se llama Solsticio de Verano. Durante la primavera y el otoño el Sol da perpendicular al Ecuador y la inclinación no afecta, por eso hay las mismas horas de día que de noche. Estos días son el21 de marzo y el21 de septiembre y se llaman Solsticios de Primavera y Otoño.

Recuerda ••• España está en el Hemisferio Norte, por tanto, los paneles se inclinan más en invierno que en verano, para recibir los rayos de Sol perpendicularmente. De esta forma se consigue la máxima irradiación.

8

Conclusiones: Durante el movimiento de translación de la Tierra, los rayos solares llegan perpendiculares entre el Trópico de Capricornio y el de Cáncer, son las zonas donde tendremos más radiación solar. En el H. Norte los paneles se inclinan más en invierno que en verano, para recibir los rayos de Sol perpendicularmente.

1.2.3. Radiación sobre superficies La radiación es máxima cuando los rayos del Sol inciden verticalmente (en la fig. A). Cuando los rayos llegan inclinados, la misma cantidad de energía solar se extiende sobre una superficie mayor (en la fig. B) y, por tanto, se recibe menos

- - - - - - - - -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Unidad 1 . Conceptos básicos radiación solar para el mismo punto.

RAYO VERTICAL

RAYO OBLICUO

a

Fig 1.9. Radiación sobre superficies.

Por eso los rayos solares calientan más al mediodía que por la mañana o por la tarde. Ya que el movimiento de rotación de la Tierra hace que los rayos lleguen perpendiculares al mediodía y con más inclinación a la mañana y a la tarde. También los rayos llegan más inclinados y, por tanto, con menos energía en las latitudes altas (más cercanas a los polos).

RAYOS DI SOL

Fig 1.10. Incidencia rayos de Sol.

La masa de aire (Air Massa, AM) Cuanto más bajo está el Sol respecto al horizonte (ver figura), más recorrido de capa atmosférica tiene que atravesar la radiación y por tanto más perdidas, por los gases de la atmosfera. Se toma un valor intermedio, que relaciona la distancia que atraviesa un rayo solar inclinado respecto a la vertical:

Sol

-9Sol Atmósfera

e = 0° Fig 1.11. Masa de aire.

~

Atmósfera

e =48° 18°

cose = 1

cose = 0,67

AM = 1

AM = 1

9

~ - ' JeO

1 · Conceptos básicos--- - -- - -- - - - -- -- - -- - - - - - - - - - - - - - - -

1

1

Cos()- -7 AM=-AM Cos()

e =Ángulo entre el rayo de Sol y la perpendicular. 1 = Valor ideal de AM, cuando el rayo llega vertical. Los valores eléctricos de los paneles solares vienen dados, por convenio, para una AM = 1,5 (que corresponde a un ángulo de 48,18°).

1.2.4. Husos horarios y cambio de hora Un huso horario es una de las veinticuatro partes verticales en que está dividida la superficie terrestre y en el que reina la misma hora. Cada uno ocupa una longitud de 15° (360° / 24 = 15°).

I

i.

/'

I

Fig 1.12. Mapa husos horarios.

I -12 .11 .tI -9

.a •.,

~

-5

..

-3.2

.1

o

+1

...+3

+4 ...,

~

+'1

-ea

+9 +10 +11 +12

En todos los territorios de un mismo huso, la hora corresponde a la del meridiano central (hora legal). Los husos horarios están numerados del O al 23, de Oeste a Este. En Europa Occidental el huso O corresponde al meridiano de Greenwich y cuando se supera el antimeridiano de Greenwich se produce el cambio de fecha. En España tenemos una hora más respecto del Sol, en el mediodía solar nuestros relojes marcan las 13.00 horas. En primavera (último domingo de marzo), adelantamos los relojes una hora, con lo que llevamos 2 horas de adelanto respecto al mediodía solar. Este adelanto finaliza en otoño (último domingo de octubre).

Ejercicios 1. En

invierno, ¿qué latitud queda perpendicular al Sol? ¿yen verano?

2. ¿Por qué en

invierno hay menos horas de Sol?

3. En primavera yen 4.

otoño, ¿cuántas horas de Sol tenemos?

Cuando en el Hemisferio Sur están en verano, el H. Norte ¿en qué estación del año se encuentra?

5. ¿A qué hora recibimos la máxima 6.

10

radiación solar en verano? ¿Yen invierno?

Hace unos cuantos años en Valencia hubo una gran tempestad a medianoche. ¿Es posible que 72 horas después hiciera un tiempo soleado?

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - U nidad 1 . Conceptos básicos

Recuerda •••

1.3. Orientación e inclinación de los paneles

Los paneles se orientan al Sur (donde está el Sol para el H. Norte) y para una instalación fija, con inclinación próxima a la latitud.

La finalidad es conseguir la máxima cantidad de irradiación (energía solar). Si estamos en el hemisferio Norte, orientaremos los paneles hacia el Sur (donde está el Sol) con una inclinación próxima a la latitud, para recibir los rayos lo más perpendicularmente posible.

1.3.1. Azimut u orientación solar (A,a) Formado por la línea Norte-Sur y la proyección del rayo solar sobre el plano horizontal. Al amanecer es de -90 0 ya que los rayos solares están en el Este y forman este ángulo con el Sur. Se puede observar siguiendo la Trayectoria aparente del Sol. A las 12 horas solar, a = 0°, por que el Sol se encuentra sobre la línea del Sur, aquí se conseguirá la máxima radiación y es la mejor orientación para los paneles.

s TRA YECTORIA

APARENTE DEL SOL

Fig 1.13. Orientación y altura solar.

1.3.2. Altura solar (H) Ángulo que forma el rayo solar con el plano horizontal. De forma sencilla es el ángulo máximo que hace el Sol en su trayectoria Este-Oeste diaria. Pero va variando a lo largo del año, por el movimiento e inclinación de la Tierra. En el siguiente dibujo vemos los cambios para cada época del año:

-(fSOI

Flg 1.14.

Altura solar (color rojo) .

11

Unidad 1 . Conceptos b á s i c o s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - -- - - - - - La inclinación que lleva la Tierra se calcula como el ángulo que forma el Sol con el plano del Ecuador y se llama declinación solar (6).

Los valores para la ó de las 4 estaciones son: óp = 0°; p: primavera;

v: verano;

o: otoño;

i: invierno;

En primavera y otoño es 00 porque el Sol da perpendicular al Ecuador. La H es mayor en verano, porque la declinación solar favorece, menor en invierno e igual en primavera y otoño. Quedando:

Invierno

Primavera y Otoño

Fig 1.15. H durante el año.

Como comentario, las sombras son mayores en invierno porque al haber menor H los rayos llegan más inclinados y chocan en más superficie, haciendo sombras más grandes.

1.3.3. Inclinación paneles (p) Lo que interesa es que los rayos solares toquen el módulo perpendicularmente al mediodía. Si la radiación solar llega perpendicular entre los trópicos de Cáncer y Capricornio (o sea, con una desviación de 23,45° respecto del Ecuador), para conseguir lo mismo a otra latitud tendremos que inclinar los paneles el ángulo de la latitud incluyendo la ó (los ±23,45°). Por tanto:

f3=T1

1000W/m2

lec 1 lcc2

lec3

700W/m 2

1- -------__ 400W/m

T3

Vea

T2

T1

V(V)

V(V)

2. Un módulo solar de 60 células (en serie) y de 0,6 V cada una está a las siguientes temperaturas: a) En diciembre a las 14 horas y 25 oC b) En julio a las 14 horas y 55 oC Decir cuál será la Vca del panel en los dos casos.

29

_ - ' :ad 2 . El panel sola r- - - - - - - - - -- - - - - - - -- - -- -- - -- - - - - - - - --

Test 1. ¿De qué material, mayoritariamente, están hechos los paneles solares? a. Boro. b. Fósforo. c. Silicio. 2. ¿Qué lado de una célula queda expuesta al Sol? a. La zona p. b. La zona n. c. Es indiferente. 3. ¿Qué son los fotones? Partículas de ... a. luz. b. electricidad. c. las dos respuestas anteriores son correctas. 4. ¿Por qué se utiliza el material de la pregunta 1? Porque los fotones tienen una energía ... a. parecida a la de mover electrones en este material. b. mayor a la de mover electrones en este material. c. menor a la de mover electrones en este material. 5. Sobre las características del Silicio: a. Se encuentra en los granos de arena. b. Elemento químico muy abundante en la Tierra. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 6. Sobre la fabricación de una célula: a. El Silicio se deshace y se mezcla con el Boro, al solidificar es un cristal. b. Se cortan obleas de grosor entre 2 y 20 cm. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 7. A más contactos eléctricos sobre la oblea de Silicio se consigue: a. Menos radiación. b. Más corriente. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 8. En la fabricación de las células policristalinas: a. El control de temperatura será mayor. b. Habrá diferentes cristales de átomos ordenados. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 9. En un módulo solar: a. Las células están conectadas en paralelo. b. Las células están conectadas en serie. c. Las dos respuestas anteriores son correctas.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - -- - - - - - - - - - U nidad 2 . El panel solar

10. Los valores eléctricos de las células que forman un panel han de ser: a. Diferentes. b. Iguales los de cada fila. c. Iguales en todo el panel. 11. El panel está formado por: a. Un vidrio templado, las células y la protección posterior. b. Además de lo anterior, unas capas encapsuladoras de los contactos eléctricos y las células. c. Además de lo anterior, una o dos cajas de conexión de intemperie.

12. El marco soporte: a. Lleva taladros, se hacen previamente para evitar romper el cristal. b. Puede llevar una conexión de toma de Tierra. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 13. El diodo de bloqueo evita: a. Que la batería se descargue hacia los paneles. b. Daños por sombras parciales. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 14. El diodo bypass evita: a. Que la batería se descargue hacia los paneles. b. Daños por sombras parciales. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 15. ¿Qué pruebas se realizan a los módulos, según normativa? a. Resistencia a la radiación ultravioleta, formación de puntos calientes y granizo. b. Funcionamiento en baja irradiación. c. Las dos respuestas anteriores son correctas. 16. ¿Qué paneles tienen un rendimiento mayor? a. Monocristalinos. b. Policristalinos. c. Arseniuro de Galio. 17. ¿Qué paneles son los más utilizados? a. Monocristalinos. b. Policristalinos. c. Arseniuro de Galio.

18. ¿Qué ventajas tienen las Thin Film? a. Se fabrican de forma automatizada reduciendo costes. b. No tiene contactos eléctricos y el panel capta radiación en toda su superficie. c. Las dos respuestas anteriores son correctas.

31

L., -

:2: 2 . El panel sola r'- - - - - - - - - - - - - -- - -- - - - - - - - - - - - - - - - - -

19. ¿Qué paneles se utilizan en equipos espaciales y militares? a. CIGS. b. CdTe. C.

AsGa .

20. ¿Qué nuevo material se ha descubierto y puede ser un avance para los paneles solares? a. Grafeno. b. Polímero. c. Teluro.

Práctica paneles

1. Constitución panel solar a) Coger un panel y decir de cuantas células está formado. b) Explica cómo está hecho el conexionado de las células y dibuja la conexión de 4 células (serie, paralelo o mixto).

2. Diodo bypass a) Dibuja el conexionado del panel junto con los diodos (abrir la caja de conexiones). b) ¿Se parece este esquema al que tenéis al final de la explicación del diodo bypass?

3. Parámetros eléctricos Material Célula o panel de entre 1 y 5 W, por ejemplo. Resistencia variable que aguante esta potencia. Montaje Para medir Vp e Ip tendréis que conectar la célula con la resistencia variable. Realización a) Salir al exterior y colocar la célula para captar la máxima radiación. Medir los valores eléctricos del panel. Para Vp e Ip tendréis que ajustar la resistencia hasta que encontréis los valores que den la máxima potencia (Wp). Nota: Es probable que salgan valores más bajos, porque haya poca irradiancia. b) Calcula la superficie de una célula y después el rendimiento (con los valores Vp e Ip obtenidos y la irradiancia de vuestra zona). c) Calcula el rendimiento para un panel con 36 células de este tipo.

Unidad 3

Componentes de la instalación

En este capítulo: 3.1

Baterías.

3.4

Cargas de consumo .

3.2

El regulador.

3.5

Elementos de monitorización.

3.3

El inversor, ondulador o convertidor.

-- :ad 3 · Co~ponentes de la

instalación ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

3.1. Baterías

Recuerda ••• Las baterías se usan en cargas y descargas de duración diaria, no descargas rápidas como en los coches, por eso no se recomiendan de este tipo. Se usan las estacionarias o de ciclo profundo de Plomo-Ácido, ya que las de Níquel o Litio son más caras. En las descargas se pierde Plomo y en la carga electrolito, lo cual reduce su vida útil. Suelen ser de 6 vasos o elementos de 2 V, conectados en serie, que dan los 12 V.

Las baterías dan una energía constante aunque los paneles capten a intervalos. Pueden su~inistrar una potencia ~ás alta, co~o en el arranque de fluorescentes o ~otores. La capacidad dependerá de la radiación solar; por tanto, poner baterías cuanto ~ás grandes ~ejor no sirve, porque no se llenarán y se producirá sulfatación en

ellas; se han de calcular. El uso suele ser constante, con cargas y descargas de duración diarias. No suele haber descargas rápidas co~o en los coches, por eso no se reco~iendan de este tipo. Las baterías ~ás utilizadas son las estacionarias o de ciclo profundo. La ~ayoría de Plo~o-Ácido, ya que las de Níquel o Litio son ~ás caras. Co~o desventajas pode~os decir que au~enta el coste, el ~anteni~iento y hace ~ás co~pleja la instalación.

3.1.1. Funcionamiento Las baterías funcionan acu~ulando y cediendo energía eléctrica por una reacción quí~ica.

Durante la carga, la energía eléctrica se transfor~a en quí~ica yen la descarga al revés. El proceso se produce entre dos placas de metal - electrodos- y un líquido

con carga eléctrica -electrolito- que se descompone para producir corriente durante la descarga yola inversa en la carga.

Ejemplo del proceso de carga y descarga

Densidad 1 ,24

Densidad 1,18

D€nsidad 1,10

Densidad 1,18

Densidad

1.10

Densidad

1,24

Fig.3.1. ::lescarga y carga je la batería.

Estado batería 1- Cargada 2- En descarga 3-4 Descargada

Electrolito Máxi~o Míni~a

ácido agua

Baja el ácido Sube el agua Míni~o Máxi~a

ácido agua

Placa negativa Plo~o

Dióxido de Plomo

esponjoso

Baja el Plo~o Sube el Sulfato de Plo~o

Baja el Dióxido de Plomo Sube el Sulfato de Plo~o

Míni~o Plo~o

Míni~o Dióxido de Plo~o Máximo Sulfato de Plomo

Máxi~o

Sulfato de Plomo

5- En carga

Sube el ácido Disminuye el agua

Sube el Plomo Baja el Sulfato de Plomo

Sube el Dióxido de Plomo Baja el Sulfato de Plomo

6- Cargada

Máximo ácido Mínima agua

Plomo esponjoso

Dióxido de Plomo

Explicación: Descarga ~

Pb02 + Pb + 2S04 H2

...- - - Carga

34

Placa positiva

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Unidad

Recuerda ••• La cantidad de energía que se obtiene en una descarga es la capacidad y se mide enAh. Los tiempos de descarga suelen ser 10, 20 Ó 100 horas, 55 Ah C 20 -7 Se descarga en 20 h. En descargas lentas la capacidad es mayor. Con descargas superficiales, sobre el 25%, se alarga la vida de la batería.

3·

Co~ponentesde

la instalación

En la descarga, el ácido se transfor~a en sulfato de Plo~o en las placas y dis~inu­ ye el grosor de éstas. Cuanto ~ayor sea el grosor ~ás capacidad tiene la batería. En la carga, el ácido vuelve al electrolito, el Plo~o y dióxido de Plo~o a las placas. En el proceso hay pérdidas de Hidrógeno y Oxigeno que hacen necesario reponer el agua perdida. En las descargas se pierde Plomo y en la carga electro lito, limitando la vida de los acumuladores.

Constitución de la batería Las baterías se for~an de celdas, vasos o elementos, que tienen una tensión de 2 V (las de Níquel no). Un acu~ulador de 12 V corresponde a 6 vasos conectados en serie. Las monoblock son estructuras donde se agrupan los vasos y pueden ser cerradas o abiertas. Éstas últi~as necesitan ~anteni~iento del electrolito. Otra opción es con vasos independientes, que suelen tener la carcasa translúcida para poder ver el nivel del electrolito. Después se co~binan en serie y paralelo entre ellos. Tienen ~ayor capacidad que las ~onoblock.

"ISUNUGHT

TUDOR . . .

I

-

11

Fig.3.2.

1I

'

Sunlight de vasos abiertos. Heycar monoblock cerrada. Tudor mopnoblock abierta.

.~.

.

~

-

3.1.2. Características a) Capacidad nominal (e). La cantidad de energía que se obtiene en una descarga. Se ~ide en A~perios-hora (Ah).

C = Intensidad· Tiempo descarga = Ah Se ~ide a una temperatura de 25 oC y se considera la batería descargada a 1,8 V I vaso (10,8 V, batería 12 V).

Tiempo y régimen de descarga: La capacidad se suele referir a lO, 20 ó 100 horas. La no~enclatura es:

55 Ah C20 -7 C20 el tiempo de descarga son 20 horas. La corriente es el régimen de descarga, que varía según el tiempo de descarga:

...

13.0

12,0

I

~

'"'---

-- r-- ~

:E 1'1 .0

~

"\

4)

o ~ 10.0

110A

9.0

:'o!.. ,

-'t--

~ :::::; r--. t--..

\ 1l\,. ~ .~ \

....... .

~

'

.

\ \ .---

\

~

''':::

-.

...-;¡ ,....--~~ .?3A' ' _"- " L~9A'

SA J. . IA

I I I

I

8.0

Fig.3.3. Descarga de una batería de 55 Ah C 20 a diferentes regímenes.

,.t5.-\ I

I I

o

O 1

2

J~_'~b~

3

510 m 'n

20 30

60

2 3

5

10

20 30

h

35

Si anotamos los valores y calculamos la capacidad en cada caso obtenemos: Tiempo de descarga

lh

Régimen de descarga

11

Capacidad descargada a 10,8 V

=35,1 A

35,1 Ah

10 h

5h 15

=9,23 A

110

46,15 Ah

=5,2 A

20 h 120

52 Ah

=2,75 A 55 Ah

Con descargas lentas la capacidad es mayor. Para saber la capacidad con otro tiempo de descarga, existen unas fórmulas de cálculo:

Ejemplo Compramos una batería de 100 Ah en C20 , ¿cuál será su capacidad en C100 ? C10/C 20

::::

1,25 -7 C100

=1,25 . C20 =1,25 . 100 =1,25 Ah

-7 125 Ah C100

b) Profundidad de descarga (Po)' La capacidad que se puede descargar respecto a la nominal. Hay acumuladores de: Descarga superficial. Descargas entre 10 y 15% normalmente, pudiendo llegar al 40-50%. Se utilizan en equipos de telecomunicaciones. Descarga profunda. Descargas entre un 20 y un 25% normalmente, pudiendo llegar al 80%. Son las utilizadas en fotovoltaica. c) Vida útil en ciclos. Un ciclo está formado por una carga y una descarga. A mayor profundidad de descarga, menos ciclos de vida tiene la batería. 120

100

¡:. ~ '13 ll:l

Q.

ll:l

80

60

.---:=

\ ~ ,---- r----\

'"

H ~ DO.D.

U

40

'"

Sff: ~

[>o. )

~-

~~

3~'o D~pth

r--

oC u charg!:

20 Fig.3.4. Ciclos según descarga (000: Profundidad de descarga).

I

O

200

400

600

800

1000 1200

1400

Number of cycfes(cycles)

En la gráfica, de una batería AGM (la veremos), se ve que si trabajan en funcionamiento normal se podrán hacer unos 1.300 ciclos. Las baterías pierden un 10% de capacidad en la mitad de su vida y otro 10% hasta que dejan de funcionar, se ha de tener en cuenta para aplicaciones muy seguras.

Estas tres características las da el fabricante. Resumiendo: Mayor capacidad si la carga y la descarga es lenta. Si se descargan sobre el 25% habitualmente, alargamos la vida de las baterías.

36

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad

3

·Co~ponentesde

la instalación

Ejercicios 1.

Di qué batería de las tres es ~ayor:

a) 125 Ah ClO

b) 140 Ah c40 c) 160 Ah ClOO

2. ¿Cuál es la capacidad de la batería para C10? ¿y para C/ 120

lOO

¡ :; OC) i!; Q.

lit

80 60

o

~

---------

\ -~ ~

1 ~ 1).O.D.

40

" S~~

0 .0 )

I I

r-_

~ .......... 30% Depth of lscharg

20 I

Flg.3.4. Gráfica de descarga de la batería.

3.

O

200

400

600

1000 1200

800

1400

Number of cycles{cycles)

Di, para la gráfica de batería anterior, cuantos ciclos es capaz de hacer si se descarga:

a) A150% b) Al 100%

3.1.3. Cálculo de la batería a) Lo pri~ero es saber el consu~o de la instalación. Supone~os una casa con las siguientes cargas eléctricas:

Servicio

Unidades

Potencia (W)

Horas/dra

Consumo diario (Wh/día)

Lámparas de bajo consumo

8

10

2,5

200

TV

1

60

2

120

Frigorífico

1

200

6

1.200

Lavadora

1

400

0,75

300

670

Energía diaria, ED

1.820

Potencia total, PT

b) La Eo se convierte a Ah que es la unidad de la capacidad y le llamamos Lo' consu~o diario (Load daily).

Lo=Eo/V V = Tensión de la batería (al dividir Wh entre V nos da Ah). Si las baterías son de 12 V, el consu~o diario es de:

Lo =Eo/ V =1.820/12 =151,66 Ah / día c) Se ha de tener en cuenta los días de autono~ía para la batería y los consu~os de la instalación:

37

Unidad 3

·Co~ponentesde

la

instalación ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Autono~ía ~íni~a

(A): 3 días*, tie~po en el que la batería dará energía y

no recibirá. Consu~o regulador y batería un 20% de su potencia ~ I1 rb = 80% Consu~o inversor un 15% de su potencia ~ l1¡nv

=85%

*Según el Instituto de Diversificación y Ahorro Energético, IDAE. d) Ta~bién se ha de incluir la profundidad de descarga (Po)' Es la parte útil, que de ~edia será un 70%. La fór~ula queda:

e

e=

Lo'A Po'l1rb 'l1inv

Lo'A Po 'l1 rb 'l1inv

955,84Ah

151,66·3 0,7·0,8·0,85

d) Para el cálculo del tie~po de descarga (e): He~os de saber el tie~po diario de consu~o

(t o) y nos lo da la fór~ula:

71h/d'la t o -_ Eo -_1820Wh/dia -2 - ,

t o =EoPr

Pr

670W

Ahora ~ultiplica~os por los días de autono~ía y ya lo tene~os:

ex = t o · A

~

ex = 2,71 hjdía . 3 días = 8,13 h

~ Será

e

10

Esta vivienda necesita una batería de 955,84 Ah C10 ' e) Elección de la tensión de las baterías: Se ha de intentar que la intensidad de los paneles hasta el regulador/batería no supere los 50 A. Se reco~ienda: En caravanas, e~barcaciones o pequeñas casas, 12 V (es la ~is~a que en los accesorios de auto~óviles). Sería para una potencia de hasta 800 Wp (el panel trabaja a unos 18 V, lo que da una corriente de 44 A). De 800-1.600 Wp, la corriente es elevada con 12 V Y hay pérdidas en los conductores. Por lo que se au~enta la tensión a 24 V. De 1.600- 3.000 W, tensiones de 48 V. Para potencias superiores se puede au~entar la tensión (con ~ás baterías en serie). Ta~bién se puede poner un convertidor de continua (a veces va en el regulador). Su función es pasar de una tensión alta a una ~ás baja. Este dispositivo per~ite una configuración de paneles a tensión ~ayor, por tanto ~enos intensidad. Al llegar al regulador es cuando baja la tensión y sube la corriente (~anteniendo la potencia, se explica en el punto 3.2. apartado e).

Ejercicio 1. Calcular la batería necesaria para un Recinto de Infraestructura de Teleco~unicaciones Superior, RITS, de un edificio. Está for~ado por: Servicio

Unidades

Potencia (W)

Horas/día

1

24W

12

1

15W

12

1

60W

1

Fuente de . ali~entación

A~plificador

satélite lIu~inación

Potencia total, PT

38

Energra diaria, Eo

Consumo diario (Wh/día)

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Unidad

3·

Co~ponentesde

la instalación

3.1.4. Otras características a) Capacidad útil. La capacidad utilizable de la batería. Es el producto de la capacidad y la profundidad de descarga (POma). b) Estado de carga (EC o SOC, State of Charge). Cociente entre la capacidad en ese y la capacidad no~inal.

~o~ento

c) Auto descarga. La energía que pierden al estar inactivas (circuito abierto) . Depende del tipo de batería y se ~ide a 25 oc. Se indica en % ~es (respecto la capacidad no~inal).

Ejercicios 1. Una batería estacionaria de 100 Ah C20 tiene una profundidad de descarga del 80%. ¿Cuál es su capacidad útil?

2.

La batería anterior tiene ahora una capacidad de 75 Ah, ¿cuál es su estado de carga?

3. ¿Cuánto tarda

una batería en descargarse si tiene una auto descarga del 5% y una PO max = 70%?

d) Tensión de las baterías. Valores en los que la batería se considera cargada o descargada (para 12 V): Conectada al generador

Circuito abierto

14-14,4 V (2,35 V/Vaso)

12,6-12,8 V (2,13 V/Vaso)*

Conectada a la carga

Circuito abierto

10,5-10,8 V (1,5 V/Vaso)

11,8-12 V (2 V/Vaso)

Batería cargada

Batería descargada

*AI acabar de cargarse son 13,2 V Y caen lenta~ente hasta 12,6 V. e) Temperatura. Afecta a la tensión y a la capacidad. Los valores co~erciales de las baterías vienen dados a 25 oc. e.1.) Tensión. A bajas te~peraturas la batería necesita ~ás tensión para cargarse ya la inversa.

;;N

3'

~

~

......

tU

15.8 t5:fJ

2.5

14.4 13.8 23 132 2.2

Fig.3.5. Relación temperatura-tensión.

- tO

o

10

2{}

30

Ambient temperatu rerC) El valor ideal es a 25 oc. Para -10 oC la tensión es de 14,4 - 15,6 V Y a 50 oC es entre 13,2 - 13,8 V. Si no se tiene en cuenta la te~peratura, la batería no se cargará del todo o se sobrecargará, reduciendo su vida útil. El regulador controla los ca~bios de temperatura.

39

La tensión varía -2,2 mV / oC, por tanto: Vcelda (T) = Vcelda (25 OC) - 0,0022 . (T-25)

e.2.) La capacidad. A bajas temperaturas disminuye y a la inversa (al revés que la tensión). En la siguiente gráfica vemos que a -10 oC queda un 80% de capacidad. 120 100

Capacidad (%)

80

/

eo

~

~

40

20

Fig.3.6. Curva capacidad-temperatura.

o .2()

-10

o

10

20

30

40

so

Temperatura (OC)

Para solucionarlo, a bajas temperaturas cogeremos un acumulador mayor. A continuación se muestra un posible cálculo.

Ejemplo Una batería de 100 Ah a-10°, le quedan 80 Ah -7 80%. La batería equivalente a-lO ° es: Ceq = C/C (%r 10 •C = 100/0,80 = 125 Ah

Porque de este valor aprovecharemos el 80%, que es 100 Ah. El campo solar también se tendrá que aumentar, ya que ponemos una batería mayor y se ha de poder cargar al completo. Si la batería está poco cargada puede llegar a congelarse.

Ejercicios 1. En verano el repetidor llega a estar a 40 oc. ¿Qué tensión necesita la batería para cargarse correctamente? ¿Ya 25 OC? 2. Di la tensión a la que estará cargada una batería para 60 oc. 3. Un repetidor necesita una batería de .100 Ah a 25 oC pero llega a temperaturas de -20 oc. Calcula la batería adecuada.

4. La batería del cálculo anterior a 25 oC, ¿cómo funcionará?

f) Conexionado de las baterías. Han de ser de las mismas características eléctricas y estar en el mismo estado de carga, para evitar problemas en el funcionamiento global.

40

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad

+

3·

Co~ponentesdela

instaladón

24Vy 100Ah

Fig.3.7. Conexionado de las baterías. Serie (negativo a positivo). Las tensiones se su~an, consiguiendo baterías de 4, 6, 12 V, etc. Es reco~endable en cada cadena serie poner un fusible de protecdón. Paralelo (positivo a positivo, negativo a negativo). Las capacidades de las celdas se su~an. Intentar que el cableado sea si~étrico y las baterías sean igual de antiguas. No se recomienda esta conexión ya que es difícil que las baterías tengan sie~pre los ~is~os valores eléctricos. g) Sobrecarga. A partir de cargas superiores a 2,35 V (14,1 V) e~piezan a gasificar ya que el electrólito se desco~pone. A veces los tapones de las baterías están quitados para liberar estos gases de for~a natural y reponer el agua perdida. Si no está controlada la sobrecarga se perderá el agua y se produdrá oxidación o corrosión en el electrodo positivo. h) Sobre descarga. En los bornes se for~an cristales de sulfato que ya no se pueden volver a desco~poner, provocando una dis~inución de la capacidad de la batería. Es lo que se conoce co~o sulfatación. Ta~bién sucede si la batería está durante tie~po descargada. i) Densidad de los acumuladores. Al descargarse la batería, el agua pierde la acidez y se convierte casi en agua destilada que tiene una densidad de 1 gr/c~3. Cargada la batería, tiene una densidad de electrolito aproxi~ada de 1,24 gr/c~3. Los fabricantes suelen dar una tabla que reladona la carga de la batería con su densidad, a ~odo de eje~plo:

Recuerda ••• Según la temperatura, la tensión de carga de la batería cambia. A temperaturas bajas, la capacidad disminuye. La sobrecarga produce corrosión en el electrodo positivo.

Densidad electro lito (g/cm 3 )

Carga batería

1,24

100

1,23

94

1,22

88

1,21

82

1,20

75

1,19

69

1,18

62

1,17

56

1,16

50

1,15

45

1,14

39

1,13

33

1,12

28

1,11

24

1,10

20

La sobredescarga produce sulfatación en el fondo de la batería.

41

Unidad 3·

Co~ponentesde

la

instalación~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Ejercicios 1. Con baterías de 12 V Y 25 Ah se quiere conseguir un grupo de 36 V Y 100 Ah. Haz el conexionado. 2. Una batería tiene una densidad de 1,16 g/C~3, ¿qué carga tiene?

3.1.5. Tipos de baterías Las características que han de tener son: Baja auto descarga. Poco

~anteni~iento.

Fácil transporte e instalación. Larga vida. Tipos: Plo~o-Ácido. Níquel-Cad~io.

Níquel-Metal Hidruro y Litio. Las primeras son las más utilizadas, ya que se adaptan a cualquier corriente de carga y son ~ás econó~icas. Las de Níquel-Cad~io son ~ejores pero bastante ~ás caras.

a) Baterías Plomo-Ácido. El ácido puede ser de: Plo~o-Anti~onio. Plo~o-Selenio.

Plomo-Calcio.

".Mi .. ,.'.. . ;. . \

Fig.3.8. Estacionaria, monoblocks: abierta, gel y AGM.

Las ~ejores son las estacionarias, de Plo~o-Anti~onio (Pb-Sb). Son de ciclo profundo (mayor descarga). Se fabrican, mayoritariamente, en vasos. Se les deno~ina OPzS porque al ~enos la placa positiva es de tipo tubular y contiene ~ás ~ateria activa, asegurando una larga duración. Las baterías monoblock abiertas. Son de una calidad inferior y de menor capacidad . Buen uso para ciclos ~edios y ~ás econó~icas. Las baterías de gel vienen selladas, sin ~anteni~iento y el electrolito está in~ovi­ lizado. Pueden ser monoblock o de elemento. El gel es el ácido sulfúrico con una sílice especial (Si0 2 ).

42

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Unidad3· Co~ponentesdela

Recuerda ••• Estacionarias: PlomoAntimonio (Pb-Sb), ciclo profundo y más duración pero son las más caras.

instalación

Durante la carga en el gel se producen unas grietas que per~iten la reco~binación de los gases liberados y así se evita el uso del agua. Tienen ~enos profundidad de descarga. Se cargan con un poco ~enos de tensión, se ha de tener en cuenta en el regulador. Su duración en a~bientes calurosos está entre 4 y 6 años . Las baterías AGM (Absortion Glass Mat, fibra vidrio) son ~onoblock, selladas y pueden tener una válvula de regulación de presión (para la carga).

Monoblock abierta: bien en ciclos medios.

En el interior de las mallas de fibra de vidrio está el electrolito y se intercalan entre las placas de la batería.

Baterías de gel: selladas, sin mantenimiento, menor profundidad de descarga, se cargan con un poco menos de tensión.

No tienen pérdida de agua y per~iten una ~ayor descarga que las de gel, tienen una ~ayor resistencia ~ecánica, son las ~ás resistentes. Se pueden instalar en cualquier posición.

Baterías AGM: selladas, mayor descarga que las de gel, son las más resistentes y se pueden instalar en cualquier posición. Las estacionarias pueden llegar a capacidades de 4.000 Ah Y las Monoblock a 400 Ah .

Características Capacidades de 1 a 4.000 Ah. Las baterías ~onoblock hasta unos 400 Ah. Necesitan ~anteni~iento (las cerradas no). Necesitan ventilación y protección contra a~bientes corrosivos (ácido) y explosivos (desprendi~iento de Hidrógeno en la carga). Peso y tamaño grandes. Tienen una baja densidad energética (energía que acumulan respecto al peso), alrededor de 40 Whjkg. b) Baterías Níquel-Cadmio. Ventajas respecto a las anteriores: Mayor descarga, llega hasta el 80-90%. Tensión por celda 1,2 V. Más ciclos de trabajo, ~ás duración. A te~peraturas bajas, si el electrolito se congela, al deshiele vuelve a funcionar. Pueden quedarse sin agua, que al volverles a poner, se recuperan. No tienen gases corrosivos y pueden ir en el ~is~o ar~ario que los aparatos electrónicos que ali~entan.

... ... - --..~.

••

,,Fig.3.9. Níquel-Cadmio. c) Baterías Níquel-Metal Hidruro (Ni-Mh) y Litio. El Metal Hidruro es Hidrógeno con un ~etal y junto a las de Litio (Li) están destacando en el ~ercado. Se usan en aplicaciones críticas, de baja potencia y portátiles. Tienen una alta densidad energéti'ca y las primeras son una alternativa a las de Cadmio, que es tóxico y perjudicial para el ~edio a~biente. Las de Litio son ~ás caras, pero tienen hasta cuatro veces ~ás densidad energética y per~ite un ~ayor nú~ero de ciclos.

43

Fig.3.10. Ni-Mh.

Otras características: El electrolito es alcalino (Litio, Sodio, Potasio, etc.). Baja auto descarga. Alto rendimiento en temperaturas extremas. Bajo mantenimiento. Se fabrican abiertas o selladas.

Flg.3.11. Litio.

44 .

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad

3·

Co~ponentesde

la instalación

a) Tensión 1. Medir en

las baterías de vuestro taller la tensión y decir cuál está cargada y cual no.

2. La que esté cargada conectarla al cargador y mirar la tensión. ¿Es la misma que cuando la medimos sin el cargador?

3. La descargada conectarla a la carga y ~irar la tensión. ¿Es la

~is~a que cuando la ~edi~os sin la carga?

b) Densidad 1. Medir la densidad de las baterías del taller y decir cuál

es su estado de carga.

e) Datos técnicos A partir de la hoja de datos de una batería de Plo~o-Ácido responde a las siguientes preguntas:

1. Di de qué tipo de batería se trata (de vasos o monoblock y electrolito líquido, gel o fibra). 2.

La capacidad nominal y cuál será para descargas a C20 y C100 •

3. La tensión nominal (V). 4.

El número de ciclos de vida (Expected Cycle Lije) de la batería . ¿Para qué profundidad de descarga PD?

5.

En las gráficas, mira la de número de ciclos de descarga y responde: ¿Cuántos ciclos dura la batería si se descarga un 20%? ¿y si lo hace un 80%?

A mayor profundidad de descarga, el número de ciclos es _ _ _ _ _ _ _ _ __

6. La auto descarga (Self-discharge), ¿qué valor tiene? Si miráis en la gráfica, ¿a qué T corresponde? Dar los valores aproximados para un mes y a las te~peraturas de lO, 20 Y40 oc. A partir de las gráficas:

7.

Las baterías, cuánto tiempo de servicio (Service Life, en años) pueden tener a las siguientes temperaturas: 20 oC: _ _ _......,....-_ _ _ _ 25 oC: _ _ _ _ _ _ _ _ 40°C: _ _ _ _ _ _ _ _ __

Conclusión: _~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~_

8. A -20 oC ya 40 oC, ¿qué capacidad tiene la batería? Conclusión: _~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~____

45

Unidad 3·

Co~ponentes

de la

instalación ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Test 1. A la hora de co~prar una batería: a. Hare~os el cálculo. b. Que tenga bastante capacidad. c. Todas las respuestas son correctas. 2. Las baterías: a. Son de descargas lentas y frecuentes. b. Son caras pero hacen ~ás sencilla la instalación.

c. Son baratas pero hacen ~ás co~pleja la instalación.

3. Les baterías están for~adas por: a. Dos electrólitos y un electrodo. o. Dos electrodos y un electrólito. c. Vasos o ele~entos de 1,2 V cada uno.

4,. E .la carga de la batería: a. La energía eléctrica se transfor~a en quí~ica. b. La energía química se transforma en eléctrica.

c. Hay pérdidas de agua en el electrolito. 5. La vida de las baterías está limitada por el: a. Dióxido y sulfato de Plo~o perdidos. b. Plomo y el electrolito perdidos. c. Todas las respuestas son correctas. 6. Les baterías monoblock: a. Se forman uniendo vasos. b. Sólo pueden ser cerradas. c.

Pueden ser abiertas o cerradas.

7. Una batería de 12 V, ¿cuántos vasos tiene?

a. 3. b. 6.

c. 12. 8. Tienen mayor capacidad cuando se cargan/descargan: a. Rápido. b. Normal. c.

Lento.

9. Las ~ás utilizadas en fotovoltaica son las de: a. Descarga superficial. b. Descarga profunda o estacionarias. c. Todas las respuestas son correctas.

46

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad

3 . Co~ponentes de la instalación

10. ¿Cuándo dura ~ás una batería? Con descargas ... a. Poco profundas. b. Superiores al 50%. c. Superiores al 80%.

11. La vida de una batería se mide por el número de: a. Ciclos. b. Cargas. c. Descargas.

12. ¿De qué depende la elección de la tensión de la batería? a. De los paneles que haya en serie. b. De los paneles que haya en paralelo. c. De la potencia de la instalación.

13. Una batería de 100 Ah está 3 meses sin conectar y su autodescarga es del 3%. ¿Qué capacidad le queda? a. 91 Ah. b. 94 Ah.

c. 97 Ah. 14. A mayor temperatura, las baterías se cargan a una tensión: a. Más baja. b. Igual. c. Más alta. 15. A mayor temperatura, la capacidad es: a. Menor. b. Igual. c. Mayor. 16. ¿Qué conexionado de baterías no se recomienda? a. Serie. b. Paralelo. c. Todas las respuestas son correctas. 17. En una sobrecarga, la batería: a. Saca gases, se pierde agua y puede producir corrosión en el borne positivo. b. Forma cristales de sulfato, se conoce como sulfatación. c. Explota. 18. En una descarga excesiva, la batería: a. Saca gases, se pierde agua y puede producir corrosión en el borne positivo. b. Forma cristales de sulfato, se conoce como sulfatación. c. Explota.

47

Unidad 3·

Co~ponentesde

la

instalación ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

19. La densidad del electrolito es ~ayor cuando la batería: a. Está descargada. b. Está en reposo. c.

Está cargada.

20. Las baterías ~ás utilizadas son de: a. Plo~o y Ácido. b. Níquel y Cad~io. c.

Litio.

21. Las ~ás utilizadas, de las

estacionarias, son de:

a. Vasos. b. Monoblock sellada. c.

Monoblock abierta.

22. Las que tienen ~ayor capacidad son las de: a. Vasos.

b. Gel. c. Fibra de vidrio.

23.

Les baterías de gel: a. No necesitan

~anteni~iento.

b. Se cargan con ~enos tensión que las de líquido. c. Todas las respuestas son correctas. 24. Las baterías de Níquel-Cad~io: a. Cada vaso es de 1,2 V. b. Si se quedan sin agua son recuperables. c. Todas las respuestas son correctas. 25. Las baterías NI-Mh y Litio: a. Mayor densidad energética. b. Buen rendi~iento a te~peraturas extre~as. c. Todas las respuestas son correctas.

48

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ U nidad

3·

Co~ponentesde

la instalación

3.2. El regulador Se encarga de controlar las cargas y descargas de la batería, protegiéndola yevitando averías. Ta~bién evita que la corriente no vuelva hacia los paneles, durante la noche, gracias a un diodo que hace esta función. Paneles

Regulador Cargas

-L Baterías

l

Fig.3.12. Conexiones del regulador.

Fig.3.13. Reguladores comerciales.

Funcionamiento básico El panel envía energía al regulador y éste vigila el paso de corriente que entra en la batería y sale hacia el consu~o.

a) Funciones Al detectar que la batería está cargada dis~inuye o corta el paso de corriente. Detiene la salida de corriente en la batería si la tensión es baja. Monitoriza infor~ación de la instalación: valores de tensión, de corriente, estado de carga, etc. Regula la tensión de carga, a partir de la te~peratura. Alar~as: lu~ínicas

o sonoras. Avisan de sobrecarga o descarga.

b) Características Tensión nominal. Los valores ~ás usuales son 12, 24 ó 48 V. Intensidad nominal. La intensidad del ca~po FV que puede ~anejar el regulador suele coincidir con la de la línea de consu~o.

c) Constitución Existen dos tipos:

Fig.3.14. Reguladores en serie yen paralelo o Shunt.

49

Control sobrecarga

Serie

Paralelo

El interruptor tiene la capacidad de interrumpir la carga a la batería. No disipa potencia.

Un disipador térmico disipa la potencia que sobra de los paneles, provocando pérdidas en forma de calor. Ésto hace que se utilicen sólo para aplicaciones pequeñas.

Control sobre descarga

Interrumpe el consumo.

Descarga batería - paneles

Si el interruptor es electrónico (transistor) no necesita diodo.

Se necesita un diodo interno.

Además incluyen amperímetro, voltímetro y sensor de temperatura. d) Generalidades Actualmente van con microprocesador convirtiéndose en los gestores del sistema. Permiten ajustar la capacidad de la batería, elegir tipo de batería (líquido, gel, etc.), etc. Cada regulador nos dice cual es el orden de conexionado de los elementos. Usualmente es baterías, paneles y carga. Incorporan protecciones contra inversión de polaridad, cortocircuito, sobreintensidad y sobretensión.

e) Seguidor del punto de máxima potencia (MPPT) Al conectar el módulo con el regulador-batería, la tensión que tendremos será de 12 a 15 V, que es la de carga de la batería (conexión en paralelo) y, en cambio, los paneles trabajan entre 18 y 21 V. La potencia de la gráfica es de 20 W, pero para 12 V es de 16 W (perdiendo un 20%).

I(A)

Fig.3.15. Curva V-I y potencia.

12

15

18

20

V(V)

La solución es un convertidor continua-continua entre panel y regulador que baja la tensión en el regulador y sube la corriente (manteniendo la potencia). Además, se adapta a los valores de tensión y temperatura de la batería (cargada o descargada). De esta forma el panel siempre puede generar a la máxima potencia.

Se conoce por seguidor del punto de máxima potencia, MPPT. Por su coste, se utilizan en instalaciones relativamente grandes. Hay algunos reguladores que lo tienen incorporado, pero se encuentra más en inversores en las instalaciones de conexión a red.

f) Modo de regulación Es la forma en que la batería se carga o descarga. Puede ser en 2, 3 ó 4 etapas:

50

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad

3 · Co~ponentesde la instalación

Tensión {V}

15V 14,7V 14V 13,5V Salida Flotación

12,5V

Fig.3.16. Etapas de regulación.

Tiempo

Etapa inicial, profunda o de carga. Entra toda la corriente de los paneles hasta que la tensión llega a un valor prefijado (alrededor de 14 V). El regulador per~ite progra~ar el valor final de tensión y la capacidad de la batería. Si no se hace, viene con unos valores estándar de fábrica. La corriente inicial de carga es 0,1 C ó 0,2 C a~perios. Siendo C la capacidad de la batería . Entrará en esta fase cuando la batería esté descargada por debajo de flotación (lo ve~os). eli~inar el sulfato, instalado en las placas durante la descarga anterior, se fija una tensión un poco ~ás alta (sobre los 14,7 V) durante un tie~po pero con una corriente ~enor.

Etapa de absorción. Para

Etapa de flotación. Después de la de absorción, se deja descargar la batería hasta unos 13,5 V. Aquí el regulador se activa entre dos valores de tensión (13,5 V Y otro 0,1-1 V por enci~a). Cuando se llega a un valor míni~o de flotación (~ás o menos 12,5 V) se vuelve a la etapa profunda. En esta etapa se controla la corriente de entrada y se evita el sobrecalenta~iento. Ta~bién consegui~os un valor de carga elevado.

Etapa de ecualización o igualación. Periódica~ente (o después de un bajo estado de carga) se aplica una ligera sobrecarga controlada, por enci~a de la tensión de absorción, durante unos 30 ~inutos.

Recuerda ••• El regulador controla las cargas y descargas de la batería, lleva un procesador que gestiona toda la instalación. El orden de conexio-

nado suele ser: batería, panel y carga . El MPPT (seguidor de potencia) trabaja a la tensión de máxima potencia del panel y luego la convierte a la tensión de la batería, aumentando la corriente y manteniendo la potencia. Se instala más en inversores con conexión a red.

Se inhibirá el control del regulador si no tiene esta etapa incluida, ya que si no, supone que está cargada y pasa a flotación. Los pri~eros reguladores iniciaban la recarga alrededor de los 12,25 V hasta que llegaban a los 14 V (2,34 V por vaso), éste era todo su funciona~iento. Estaban en un pro~edio de carga alrededor del 60%. Hasta hace poco tie~po eran de etapa inicial y de flotación. Consiguiendo un prode carga alrededor del 90%.

~edio

La últi~a técnica es la de modulación por anchuras de pulsos (PWM). Ha mejorado la etapa de flotación (varia el ancho de los pulsos con transistores, tie~pos ON / OFF diferentes). Consigue valores de carga cercanos al 95%. Ventajas: se alarga la vida de la batería porque las descargas son bajas y se aprovecha ~ás la energía de los paneles ya que la batería está ~ás tie~po en proceso de carga.

51

Unidad 3·

Co~ponentesde

la

instalación ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Ejercicios 1. Haz el esque~a básico de conexionado. 2. Definición del regulador.

3.

Di cuáles son sus funciones.

4. ¿Con qué valores de tensión trabaja? 5. Qué tipo de regulador sirve para potencias ~ás grandes y por qué. 6. Explica la regulación de la carga de una batería en 4 etapas. ¿Cuáles son las ventajas de este proceso?

Práctica regulador 1. Funcionamiento básico 1. Dibuja o consigue el frontal del regulador, traza el conexionado de entradas-salidas y señala las partes de las que consta.

Fig.3.17. Regulador. 2. Describir la función que realizan cada uno de los leds indicadores.

3. ¿Qué indican cada

uno de los pulsadores/interruptores?

2. Instalación y configuración a) Mira en el

~anual el orden de conexionado/desconexionado en el regulador y anótalo.

b) ¿Cuál es el

pri~er borne que se conecta entre regulador y batería?

e) ¿Qué

pará~etros del regulador son configurables?

¿Qué sección de conductores se ha de poner? ¿Cuál es la caída de tensión per~itida en éstos? En caso que el ~anual no dé la infor~ación, realiza tu ~is~o el cálculo de la sección par..a una caída de tensión del 1,5% a la corriente no~inal y para las distancias:

d)

Paneles a regulador: 10 ~. Regulador a batería: 1,5 ~. Regulador a cargas: S ~.

52

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-Unidad

3 . Co~ponentes de la instalación

3. Valores de carga ¿Cuál es la ~áxi~a corriente de carga y consu~o que ad~ite el regulador?

A partir de las características técnicas del regulador, hacer la gráfica de las etapas de regulación para vuestro tipo de batería.

4. Monitorización del regulador Di los pará~etros que nos ~uestra el display del regulador y anótalos en datos visualizados. Con el regulador configurado para nuestra batería y cargas, conectar el siste~a (panel, batería y consu~o) y apunta los valores para vuestra instalación. Datos visualizados

Valor

Nota: el panel puede ser sustituido por un cargador de baterías. Con estos datos, ¿podrías decir en qué etapa de carga se encuentra la batería?

5. Alarmas y protecciones Con la ayuda del ~anual, explica las protecciones y alar~as de este regulador.

6. Mantenimiento y reciclaje En el ~anual ha de constar el ~anteni~iento y las reco~endaciones para favorecer la gestión ~edioa~­ biental, haz un breve explicación.

3.3. El inversor, ondulador o convertidor Si se trabaja en continua a una tensión diferente de la no~inal (paneles y baterías) se utiliza un convertidor continua-continua, CC-Ce. Si el consu~o, o parte, trabaja con valores alternos ha de utilizarse un convertidor Continua-Alterna, CC-CA.

Fig.3.18. Convertidor CC-CC y CC-CA.

3.3.1. Convertidor CC-CC Se utiliza cuando la tensión de los paneles es alta, a partir de 48 V, Y hay recorridos grandes. Se consigue reducir la sección de los conductores y dis~inuir el coste de la instalación. En el punto de consu~o es donde se dis~inuye la tensión. Sus especificaciones son: -

Tensión

no~inal

de entrada.

Tensión no~inal de salida. Potencia

no~inal

de salida.

Rendi~iento.

53

Jnidad 3 . Co~ponentes de la instalación

Recuerda ••• Elegiremos un inversor en función de la tensión y potencia del campo solar. Soportan sobrecargas momentáneas para el arranque de motores, etc.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

3.3.2. Convertidor CC-CA Definición y características Están for~ados de un circuito electrónico con transistores o tiristores que se encarga de convertir la CC en CA y un transfor~ador para elevar la tensión (12, 24 V

a 230 V). Los convertidores crean una onda de for~a cuadrada que se puede filtrar para obtener una onda sinusoidal co~o la de la red eléctrica. Se utilizan para ali~entar a aparatos que trabajan a 230 V alternos o para inyectar energía en la red eléctrica. Se lIa~an autónomo o de conexión a red, respectiva~ente.

Para cargas resistivas pueden ser de onda trapezoidal; para motores y aparatos electrónicos de onda senoidal.

Se caracterizan por: a) Tensión nominal de entrada. Rango en el que pueden trabajar. b) Potencia nominal. Rango en el que se consigue una ~ayor eficiencia. c) Eficiencia. Relación entre la potencia de entrada y la de salida. Potencia de salida

1J=---~---

Potencia de entrada Nos dice el co~porta~iento del inversor para potencias diferentes a la no~inal. La ~ayor diferencia es cuando trabaja con baja potencia porque las pérdidas y el consu~o afectan ~ás. En la gráfica ve~os que a 300 W la eficiencia es del 86% y de 500 a 3.000 W se ~antiene al 94%. A la hora de co~prar un inversor, nos per~ite ver cual funciona ~ejor.

98

96 94 ~ 92

e-

90 U...

88

300vec

U... "QOV ce UO\/- 480vce

86

Fig.3.19.

1000

Rendimiento inversor de 3.000 w.

2000

3000

PCA [W] d) Sobrecarga. Soporta potencias varias veces superiores a la no~inal durante un breve periodo de tie~po, para per~itir las puntas de corriente que se crean; por eje~plo, en los ~otores.

w 6000

4500 3000 1500

Fig.3.20. Curva de sobrecarga del inversor de 3.000 W.

2

10

30

60

90

minutos

e) Tipo de señal. Hay dos: senoidal (la de la red) y senoidal (~odificada o trape-o zoidal).

54

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Unidad

v(V)

3·

Co~ponentesde

la instalación

V(V)

Tiempo

Flg.3.21.

Tiempo

Señales: senoidal y trapezoidal. A los aparatos resistivos (bo~billas incandescentes, resistencias, etc.) no les afecta el tipo de onda. Los electrónicos (ordenadores, televisores, etc.) dependen de las variaciones de tensión que hay en sus circuitos (cargas condensadores) y si hay cambios bruscos de tensión se producen sobrecalenta~ientos y averías. Los inversores trapezoidales soportan peor la sobrecarga. Ésto significa que en un ~otor en su arranque puede calentarse ~ás de lo normal.

La señal es senoidal pura cuando los harmónicos no superen el 5% de la potencia del primer harmónico o frecuencia funda~ental: . ., h ,. I (THD) Potencia resto de har~ónicos Dlstorslon ar~onlca tota = ~~~~~~~~~~Potencia IIhar~ónico 111

V1 =

Har~ónico funda~ental.

Vn =Har~ónico enésimo.

Explicación harmónicos Se considera senoidal pura cuando sólo tiene una frecuencia. Pero sie~pre hay interferencias y la defor~an un poco. Esta ~odificación crea nuevas frecuencias, en que la pri~era es la frecuencia fundamental (pri~er harmónico, 50 Hz) y las otras son frecuencias ~últiples y con ~enos potencia. Se lIa~an har~ónicos y defor~an la señal senoidal (excepto el pri~ero), por eso cuanto ~enos halla ~ejor. f) Factor de potencia. Es el coseno entre el desfase de la corriente y la tensión. Se crea sobre todo por cargas inductivas. Ha de ser próxi~o a 1. g) Monitorización. Es aconsejable que tengan una pantalla donde ~uestren infor~ación sobre averías, datos de los sensores y ~edidores (radiación, te~peratura, tensión, rendi~iento, etc.). Pueden tener una conexión para transferir datos a un ordenador externo.

Configuraciones

I

Se pueden realizar varias y no se ha de confundir con el siste~a fotovoltaico al completo. a) Batería e inversor. El convertidor tendrá un valor ~íni~o de entrada de tensión para controlar la descarga de la batería.

Flg.3.22. Batería e inversor.

[n teri.~230VC. b) Inversor con regulador incorporado. Se reconocen porque el inversor per~ite la conexión de la batería y del panel fotovoltaico.

55

Unidad 3·

Co~ponentesde

la

instalación~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Fig.3.23.

230Vca

Inversor con regulador incorporado.

c} Inversor híbrido. Ade~ás de la entrada de la batería/regulador tiene otra para un generador auxiliar o conexión a la red eléctrica.

230Vca

Fig.3.24. Inversor híbrido.

d} Inversor a red. La entrada es el panel y la salida se conecta a la red eléctrica.

230f400Voa

Fig.3.25. Inversor de conexión a la red. e} Conexión entre convertidores. Cuando son de conexión a la red se pueden conectar en paralelo en el lado de alterna si el fabricante lo per~ite. Así se au~enta la energía eléctrica entregada. En el lado de continua no se puede porque se eli~ina el funciona~iento del MPPT, que sólo i~plica a los ~ódulos que están conectados a ese inversor. Los autóno~os se pueden co~binar en paralelo a la entrada (parte da según el fabricante.

ee) ya la sali-

3.3.3. Tipos de inversores CC-CA El IDA E reco~ienda unos requisitos técRicos. Va~os a destacar algunos.

3.3.3.1. Inversores aislados o autónomos

Fig.3.26. Inversores autónomos de menos a más potencia (de 500 W a 7 KW) .

56

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Unidad3 ·Co~ponentesdela

instalación

Ca racterísticas: De onda senoidal, excepto si es inferior a 1 kVA y no producen daño a las cargas. La tensión y la frecuencia de salida en los ~árgenes: VNOM 50 Hz ± 2%.

±

5% y

Protegidos frente a: - Tensión de entrada fuera del ~argen de operación. - Cortocircuito en la salida de corriente alterna. - Sobrecargas que excedan la duración y Ií~ites per~itidos. El autoconsu~o del inversor ~enor o igual al 2%. El rendi~iento con cargas resistivas será superior a los Ií~ites de la siguiente tabla:

Onda sinusoidal

Rendimiento al 20% de la potencia nominal

Rendimiento a potencia nominal

PNOM < 500 VA

>80%

> 70%

PNOM > 500 VA

> 85%

> 80%

>85%

> 80%

Onda no sinusoidal, sólo < 1 KVA

3.3.3.2. Inversores de conexión a la red

Fig.3.27. Inversores de red de potencia entre 1 y 5KW. Son la parte ~ás i~portante y co~pleja de la instalación ya que han de sincronizarse con los valores de tensión y de frecuencia de la red de distribución eléctrica y no pueden funcionar de for~a aislada (modo isla). Han de incorporar protecciones frente a: Cortocircuitos en alterna. Tensión y frecuencia de red fuera de rango. I

Sobretensiones, ~ediante varistores o si~ilares. Perturbaciones presentes en la red co~o ~icro cortes, pulsos, defectos de ciclos, etc. Las características eléctricas: Se activan a potencias superiores al 10% y soportan picos de un 30%. Rendi~iento superior al 92% a partir del 50% de potencia no~inal.

Grado de protección ~íni~a IP20 para interior y lugares inaccesibles, IP30 para interior y lugares accesibles e IP65 para inte~perie. Ta~bién han de cu~plir lo que ~arca el Real Decreto 1699/2011 Conexión de ins-

talaciones fo to voltaicas a la red.

57

Unidad 3

·Co~ponentesde

la

instalación ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Ejercicios

1. Di en qué casos se utiliza un convertidor CC-Ce. 2. Explica breve~ente có~o se transforma de CC-CA.

3. Define la potencia nominal de un convertidor CC-CA. 4 . Di cuándo es más pequeña la eficiencia de un inversor y por qué. 5. ¿Qué sobrecarga pueden soportar los inversores? ¿Durante cuánto tie~po y cuál es el motivo? 6. Tipos de señales y para qué cargas pueden servir. 7. Explica y dibuja 2 tipos de configuraciones para el inversor.

a. ¿Cómo se pueden interconectar dos inversores CC-CA?

Práctica

1. Funcionamiento básico de un inversor autónomo a) Dibuja o consigue el frontal del inversor, traza el conexionado de entradas-salidas y señala las partes de las que consta.

b) Describir la función

que realizan cada una de las partes anteriores.

2. Cálculo del rendimiento del convertidor El cálculo del rendimiento del convertidor viene dado por la fórmula siguiente: Potencia de salida

1J=-~~-~~-

Potencia de entrada

a) Con el manual, decir la potencia de salida (potencia nominal) y su

rendi~iento a plena carga .

b) Con los datos anteriores, calcular la potencia de entrada que se obtiene de la batería.

3. Medida de la potencia de entrada y salida. Cálculo del rendimiento Monta el siguiente circuito:

Fig.3.28. Medidas en el inversor. Coloca cargas de valor aproximado a la potencia no~inal y a un tercio de ésta. Rellena la tabla siguiente. Para el cálculo puedes utilizar las fórmulas:

P{CC) = V (ce) . I (ce) P{ca)

=V (ca) . I (ca)

fJ = 100 . P{ca) / P{cc)

58

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad

Corriente continua (CC) Carga

V (V)

I (A)

P (W)

3·

Co~ponentesde

la instalación

Corriente alterna (CA)

V (V)

I (A)

P (W)

r'J (%)

Frecuencia

¿Cuándo es ~áxi~o el rendi~iento?

4. Autoconsumo Calcula el consu~o del convertidor. Se ~ide, en el lado de continua, la corriente y la tensión, sin ninguna carga en alterna. Después se calcula la potencia, ¿coincide con el valor dado por el fabricante?

5. Sección de los conductores de conexión al inversor Según el ~anual: ¿Qué sección de conductores se ha de poner? ¿Cuál es la caída de tensión per~itida en éstos? En el caso que el ~anual no dé la infor~ación, realiza tu ~is~o el cálculo de la sección para la parte de continua y la de alterna, si la caída de tensión es del 3%. Distancias: Regulador a inversor: 1,5 ~. Inversor a cargas: 5

6. Protecciones

~.

,

Con la ayuda del ~anual, explica breve~ente las protecciones que tiene vuestro inversor.

3.4. Cargas de consumo El IDA E, en el pliego de condiciones de instalaciones autóno~as, las detalla en el

punto 5.7. Aquí tenéis un

resu~en:

Se reco~ienda utilizar electrodo~ésticos e ilu~inación de alta eficiencia . Éstas últi~as serán de tipo LEO o fluorescente y con el factor de potencia corregido. Las to~as de corriente para continua protegidas contra inversión de polaridad y distintas a las de corriente alterna. No se reco~ienda cargas para cli~atización.

Actual~ente encontra~os bastantes aparatos en continua. Ésto nos per~i­ te ahorrarnos el inversor. Eje~plos: - lIu~inación interior y pública. - Frigoríficos. - Pequeños electrodo~ésticos. - Bo~bas de extracción de agua, etc. Si el generador fotovoltaico supera los 500 W tendrá un contador para ~e­ dir el consu~o de energía (excepto siste~as de bo~beo). En siste~as con consu~os en continua y alterna, bastará un contador para ~edir el consu~o de las cargas CC y del inversor. En siste~as de corriente alterna se coloca el contador a la salida del inversor.

59

Unidad 3 · Co~ponentesde la

instaladón ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Ejercicio

Buscar cargas que se usan en fotovoltaica para aplicaciones co~o: Viviendas: alu~brado, pequeños electrodo~ésticos. Alu~brado

público.

Señalización ~aríti~a (balizas, etc.). Siste~a de teleco~unicaciones (radioco~unicadones en ~ontaña, repetidor de TV, etc.).

Satélites. E~barcaciones.

Bo~beo

de agua, pastor auto~ático, etc.

Algunos proveedores o páginas donde podéis encontrarlas: Fadisol www.elektron.org Jhroerden Tritec

3.5. Elementos de monitorización Es i~portante que el usuario tenga infor~adón sobre el co~porta~iento de todo el siste~a. Hay equipos, co~o el regulador o inversor, que nos la ~uestran recogidas por diferentes indicadores. El IDAE dice que, co~o ~íni~o, han de dar infor~ación sobre: Voltaje y corriente CC a la entrada del inversor. Voltaje de fase/s en la red y potenda total de salida del inversor. Radiadón solar en el plano de los ~ódulos, ~edida con un ~ódulo o una célula. Te~peratura a~biente

en la so~bra.

Otros datos pueden ser: Tensiones en la batería y generador. Intensidades de consu~o y del ca~po solar. Estado de la batería y etapa de reguladón de la carga. Energía eléctrica consu~ida o inyectada a la red. Los inversores disponen ade~ás de una conexión para el datalogger. Es un dispositivo que sirve para controlar y evaluar las instalaciones solares. Ta~bién trans~ite los datos y, según el ~odelo, pueden ser visualizados in situ. Algunas de las funciones que realizan son: Monitorización de cadenas (valores eléctricos correctos). Control de sensores de te~peratura, radiación, etc. Control de averías y rendi~iento de cada uno de los inversores. Control de estado y fallos.

60

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Un idad

3 . Co~ponentes de la instalación

Fig.3.29. Dos data/ogger de Tritec.

Ejercicios 1. ¿Qué valores ~onitorizan los reguladores e inversores de vuestro taller?

2. Mirar si a alguno de los inversores de los que disponéis se le puede conectar un datalogger y en caso afir~ativo,

encontrar el ~odelo adecuado, describiendo sus características.

61

Unidad 4

Pérdidas de radiación solar

En este capítulo: 4.1

Cálculo de pérdidas por sombras de un obstáculo.

4.2

Distancia mínima entre filas de paneles.

4.3

Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad

4 . Pérdidas de radiación solar

A veces no es posible dar la inclinación y orientación óptimas debido a sombras, a

Recuerda •••

que los paneles se integran en edificios, cambios de posición por la resistencia al viento, etc. Ésto produce unas pérdidas de captación de la radiación solar.

La orientación (azimut) óptima es a = 0° e inclinación, l3 oPt' depende del uso de la instalación:

El IDA E permite que sean para instalaciones autónomas del 20% en la colocación de los paneles y hasta un 10% por sombra. La suma de las dos no puede superar el 20%. En el caso de instalaciones a red:

(cp -7 Latitud) Orientación e inclinación (01) Sombras Total (01+5) Diciembre

~ODI cp+lO

Julio

cp -20

Anual

cp - 10

Periodo de diseño

General

10%

10%

15%

Superposición

20%

15%

30%

Integración arquitectónica

40%

20%

50%

La diferencia entre superposición e integración, es que la primera va paralela a la estructura del edificio y la segunda sustituye a elementos de la construcción.

Tendremos sombras, cuando el obstáculo esté más al Sur que el campo solar.

Vamos a ver, con los métodos del IDA E, el cálculo de la sombra que da un obstáculo externo a la instalación y el de la que se dan unas filas de paneles a otros. Después, el cálculo de pérdidas por la colocación de los paneles.

4.1. Cálculo de pérdidas por sombras de un obstáculo Para que en un campo solar haya sombras el obstáculo ha de estar más al Sur, que es la dirección en la que llegan los rayos del Sol. El procedimiento consiste en comparar el diagrama solar con el perfil del obstáculo. Elevación (0) 8 0 1T~-'~-''-~'-~'-~'-~-'~-'~-'~

60 I--+-~-+-----""-'F+-

40

20

-30

O

30

Azimut (0)

Fig.4.1. Diagrama solar y perfil de obstáculos.

Los pasos a seguir son:

a) Localización del obstáculo En azimut (ángulo de desviación respecto al Sur) y en elevación (ángulo de inclinación desde el plano horizontal). Hay dos formas: 1) Utilizar un teodolito. Mide ángulos verticales y horizontales.

63

Unidad 4· Pérdidas de radiación

solar~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-

Fig.4.2. Teodolito.

2) Encontrar la azimut y la elevación: 2.1.) Azimut u orientación. Desde el punto central de la instalación y mirando al Sur, se determina cada ángulo horizontal de los puntos del contorno del obstáculo (imagen).

2.2.) Elevación. Para cada punto del obstáculo, se mide la altura que hay hasta el plano de la instalación solar. También se mide la distancia al centro de la instalación, y se calcula: ({J2 (elevación) =

altura arctg - - distancia

Pl

Fig.4.3. Cálculo azimut de sombras.

N Los valores de azimut se trasladan al diagrama solar mediante una línea vertical. Los valores al Este son negativos y al Oeste positivos. Los valores de elevación se trasladan al diagrama solar mediante una línea horizontal. Los puntos de unión resultantes, junto con las líneas externas, son la representación del obstáculo. b) Representación del perfil de obstáculos en el diagrama solar El diagrama solar es la banda de trayectorias del Sol a lo largo de todo el año en la Península Ibérica y Baleares (para Canarias el diagrama debe desplazarse 12° en el eje de elevación). Está dividido en porciones de horas solares identificadas por una letra y un número (Al, A2,,,., D14). Las que quedan cubiertas por el obstáculo son pérdidas de irradiación, los valores nos los dan unas tablas.

Se escoge la tabla que más se acerca a la inclinación y orientación de nuestros paneles (Figuras 4.6. y 4.7.).

64

- - - - - - -- - -- - - -- - -- - -- - - - - - - - - --Unidad 4 . Pérdidas de radiación solar Elevación (0) 80 ~----~--~~--~----~---,---,----.--.-.

60 f--t-----+---='*+-

40

O ~~~~~~L---~----~--~--~~~--~~

-120

Fig.4.4.

-90

-60

-30

O

30

60

90

120

Azimut (0)

Diagrama solar.

c) Cálculo final

Se han de sumar las porciones que resulten total o parcialmente ocultas por el obstáculo utilizando los factores: 0,25, 0,50, 0,75 ó 1.

Ejemplo Calcular las pérdidas por sombreado de un grupo de paneles con inclinación de 30° 10° al Sudeste (a = 10°).

(~

=30°) Yque están orientados

Ya se ha hecho el perfil del obstáculo y se ha representado en el diagrama solar (imagen inferior). Sólo queda el cálculo de pérdidas de radiación: Elevación (0) 80,,-----,----_.----_,-----r----~----~----._---.__

Oh

60 r;-----+--~~-

40 f---+--

20 I--t---+--'\J'-

Fig.4.5. Ejemplo de diagrama solar con obstáculo.

O -120

-90

-60

-30

O Azimut (0)

30

60

90

Cogemos la tabla que más se acerca a la inclinación y orientación del campo solar,

~ =

120

30° Ya = 10° -7 La tabla V-l

(página siguiente).

Cálculo de pérdidas por sombreado: As = 0,25 x 84 + 0,5 x A5 + 0,75 x A6 + 86 + ... = 0,25 x 1,89 + 0,5 x 1,84 + 0,75 x 1,79 + 1,51 + ... = 6%

65

Unidad 4· Pérdidas de radiación

solar~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Tabla V-J /l-35"

o

fJ·oe

0.00

0,0'3

13

o.U

0.44

11

1.49

1)

A

B

e

13

0.00

11

()~OO

9

O.U

0.00 0.01 0.41

0.62

7 5

1.00

0.95

l.n

2,76

7

1.84

1.50

:un

5 3

«.~

A.

B

e

o

0.00 0.00 O.OS

0.00

0.18

0.32

0.00 0.18 0,70

0.71

1.32

3.56

1.85

4,66

J,1S

1.26 J.6O

2.20

5,44

2.10

1.81

2.40

S~18

2.11

1.80-

2.30

S.l)

1.15

1.61

2.00

'.19

1.09

1.26

1,6.5

4,37

8

0.51

0.82

I,ll

3.23

10

0.05 0.00

0.33

O.!i? 0,15

0,96

0.00

0.11

Ir-O·

I

--

,3

2.70

1.88

J.83 2.21

I 2 4

3.1S

2.12

1.43

4.61 S.o.l

3,17

2.12

2.13

"~99

l,7 IIlR

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U nidad6·Aparatosde ~aniobrayprotección

Ejemplo 1 Tene~os

un grupo for~ado por 3 filas de 10 paneles en serie. Los datos son: leep = 5 A

~Gca =450 V a) Cálculo de los diodos: '¡nv = 2 . leep = 10 A V¡nv =1~2 . VGca

=540 V

b) Cálculo de los fusibles: '

F

=1~25... 2 . leep =6~25 ... 10 A V = 1~2 . VGca = 540 V

c) Cálculo del interruptor auto~ático:

I =1~5 . 5

= 7~5 A V =1~2 . 450 =540 V La In de este interruptor será de unos 3 A~ ya que saltará al superar 2 Ó 3 veees ésta (1 ::: 2~5 In). Buscare~os valores co~erciales de protecciones para estas corrientes y tensiones.

Ade~ás,

los fusibles y PIAS sirven para desconectar cada fila del resto de la instalación cuando sea necesario.

Características: Bases portafusibles secciona bies. Incorporan los fusibles, per~iten desconectar la ra~a pero no hacer la maniobra en carga, se desconecta antes el interruptor general o seccionador. Protegen a las dos polaridades, en la figura 6.4. de F1 a F4. Interruptores automáticos bipolares. Pueden abrir el circuito en carga y no necesitan reponer co~ponentes, cada vez se usan ~ás. La desventaja es que son ~ás caros. A la salida del grupo solar habrá un seccionador para desconectar el grupo en carga (Q1 en la figura 6.4.). Se di~ensiona para soportar 1~5 . ' GCC y la tensión VGca en condiciones CEM. En instalaciones autónomas se sitúa junto al regulador para desconectar antes el solar que la batería de acu~uladores.

ca~po

CAMPO

MANIOBRA C.C.

P1

Fig.6.4. Cuadro de maniobra continua. En el ~is~o cuadro inclui~os la protección contra sobretensiones (Pl) y el detector de aisla~iento a tierra (DA1). Se explican ~ás adelante.

105

Unidad 6 . Aparatos de

~aniobrayprotección~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Ejemplo 2 Va~os a calcular el seccionador para el eje~plo 1:

1= 1,5· ' Gcc

=1,5 . Iccp . 3 filas =22,5 A VGca = 450 V

-.,.

Buscare~os un valor co~ercial para esta corriente y tensión.

Ejercicios 1. Co~pleta la siguiente tabla con las fór~ulas de cálculo para las protecciones de continua. Co~o eje~plo ya están las del diodo. Protección Diodo en inversa

I

V

2· Iccp

1,2.VGca

Fusible Magnetotérmico

ee

Interruptor de maniobra grupo

2. Tene~os un grupo de paneles for~ado

por 4 paneles en serie y 4 filas. Encontrar las características eléc-

tricas que han de tener las protecciones.

Panel

Wp

Vp

Ip

Vea

lec

230Wp

42 V

5,48 A

45V

6A

Protección

I

V

Diodo en inversa Fusible Magnetotérmico

ee

Interruptor de maniobra grupo

hoja aparte, porque ire~os añadiendo ele~entos, haz el esque~a del grupo solar con sus protecciones (elige entre fusible o ~agnetotérmico).

3. En una

Encuentra fusibles y ~agnetotérmicos co~erciales para los valores anteriores (por eje~plo, en la página deABB).

4.

6.1.2. Del regulador a las baferías Pueden aparecer corrientes muy elevadas, la batería tiene una resistencia interna baja yen caso de cortocircuito, la corriente la limita ésta y los conductores. Se pone un fusible, lo ~ás cerca posible al positivo de la batería (ver figura 6.5.). Su valor se calcula 1,5 Ó 2 . 'CCG y la tensión VcaG ' el poder de corte superior al de cortocircuito de la batería. Pueden ser de tipo gG (estándar). Antes de abrir la base portafusibles, el orden es desconexión del campo fotovoltaico y de la salida de consumo.

106

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Unidad6·Aparatosde

Q

Regulador --./

Bateria

maniobra y protección

Inversor

-L

Fig.6.5. Fusible de la batería. También se pueden poner magnetotérmicos de continua, con curva de disparo normal, tipo B. Pero el valor de corte frente a cortocircuitos es elevado yeso los hace caros. El dimensionado es igual que en el fusible. El regulador suele tener incorporadas las protecciones de sobreintensidades en la línea de consumo.

Ejemplo 3

Vamos a calcular el fusible para la batería si tenemos el grupo del ejemplo 1: 1= 1,5 ... 2 . IGCC = 22,5 ... 30 A VGca = 450 V

Ejercicios

5. ¿Qué tipo de fusible es el gG?

6. Calcula el fusible que se pondría para proteger la batería en el grupo solar de los ejercicios anteriores. 7. La batería que ponemos es de 200 Ah Y tiene una Icc = 2.226 A. ¿Cuál será la capacidad de corte que ha de tener el fusible? 8. Queremos sustituir el fusible de la batería, ¿cómo lo extraeríais?

6.2. Protecciones del inversor Variarán según el tipo y tendrán, como mínimo, las siguientes protecciones: a) Inversor autónomo

-

Tensión de entrada fuera del margen de operación. Cortocircuitos en alterna. Sobrecargas que superen la duración y límites permitidos.

b) Inversor conectado a la red

Cortocircuitos en alterna. -

Tensión y frecuencia de red fuera de rango.

107

Unidad 6

·Aparatosdemaniobrayprotecdón ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Sobretensiones, con varistores o similares. Fallos en la red como microcortes, defectos de delos, ausenda y retorno de la red, etc.

6.3. Protecciones del inversor al Cuadro de Protecció!) y Medida, CPM No son obligatorias pero sí recomendables para operaciones de mantenimiento. Así se aísla a los inversores y se protege la línea de salida. Le llamaremos cuadro de maniobra CA, formado por: Interruptor automático, Q2. Protecdón contra sobretensiones, P2. Interruptor diferencial de 30 mA para evitar contactos indirectos. El interruptor automático: Actuará como máximo al 130% de la potenda. Con poder de corte, Icc = 4,5 KA. Bipolar (2 polos protegidos) o tetrapolar (3 polos protegidos y neutro seccionable). Q2

_

) ~~

--L7-_ _~+-+-----'í

101 ,

30mA

~-+---,.-t:r-..-r Fig.6.6. Cuadro de maniobra CA.

Ejemplo 4

Para el interruptor automático hemos de saber la Pnom de la instaladón (la de los inversores). En el ejemplo 1 sólo hay 1 grupo. Por tanto:

Pnom = 4,6 KW PIA

=1,30 . Pnom =5,98 KW

-7 PIA (25 A) =5.750 W

Con uno de 32 A nos pasaríamos.

6.4. Protección contra sobretensiones Hay sobretensiones transitorias por descargas atmosféricas que se han de derivar a tierra. Se utilizan los descargadores y la puesta a tierra de unos 100, hadendo que la corriente del rayo descargue por ésta. En instalaciones en terrados, al ser parcialmente aérea, según la ITC-BT 23 y el artículo 16.3 del REBT, es obligatorio el uso de protección para las sobretensiones. Las huertas solares, por su gran extensión, están expuestas a problemas atmosféricos. Muchas discontinuidades en el servido eléctrico tienen su origen en este motivo. Se suele utilizar una protección externa contra el rayo (pararrayos) y una interna contra las sobretensiones.

108

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Un idad

6 . Aparatos de

~aniobra

y protección

Ta~bién hay sobretensiones per~anentes, que provocan una subida de tensión

Recuerda ••• La protección contra sobretenslones transitorias hace que las

descargas eléctricas se deriven a tierra. Según los dispositivos a proteger, utilizaremos protecciones de tipo I a IV para equipos más o menos sensibles. Se instalan después de un interruptor automático, evitando un cortocircuito si se avería el sobretensiones, y antes del diferencial para evitar disparos innecesarios de éste. Se deterioran con el uso, se han de incluir en el mantenimiento. La protección contra sobretenslón permanente sirve para desconectar la instalación, de esta forma se evitan posibles daños.

~enor

pero no se sabe su duración. Se originan por variaciones de tensiones en la red o por fallo del neutro. Al detectarlas se ha de desconectar la instalación auto~ática~ente ya que pueden provocar envejeci~iento pre~aturo de los aparatos, sobrecalenta~iento, fuego, etc. Este tipo de protección la suele llevar incorporada el inversor en la parte de alterna, para evitar las interferencias a la red de distribución y viceversa.

-y

6.4.1. Protección de sobretensión en continua Se instalan en la caja de conexiones del generador o a la entrada del inversor. La distancia de cobertura es de unos 15 ~. Se conectan entre el positivo, el negativo y tierra, P2 en la figura anterior. Sie~pre lo ~ás cerca posible del equipo a proteger. Para su di~ensionado aplicare~os: Tensión de servicio (Ve). Tensión ~áxi~a de trabajo. Vc (cc) = 1,25 . VGea Tensión de protección (Vp). La que hay ~ientras se está descargando la la tierra. Está Ii~itada por el pico de tensión que puede soportar un equipo (ITC-23). Hay cuatro categorías:

Categoría l. Equipos ~uy sensibles (1,5 KV). Por eje~plo, los ordenadores. Categoría IV. La ~ás robusta (6 KV). Para contadores o equipos principales de protección. Inom dese ~ 5 KA. Corriente de descarga a tierra. Imáx ' Corriente ~áxi~a que soporta el descargador sin deteriorarse. Si no hay pararrayos, unos 40 KA, sino puede ser ~enor. En zonas aisladas y con equipos de alto coste se puede llegar a 65 KA.

6.4.2. Parte de alterna Se coloca, entre el Inversor y el Cuadro de Protección y Medida, la conexión entre la fase, el neutro y tierra (si~ilar a la parte de continua). Para el cálculo sólo varia la tensión de servicio (Ve). Sus valores están entre 255 y 275 V.

Ejemplo 5 La protección para sobretensiones de los eje~plos anteriores: a) Continua: Ve (ce)

=1,25' V =562,5 V Gca

Vp suele ser suficiente para aparatos Tipo 11. Por tanto:

Inomodese ~ 5 KA ' máx

=20 Ó 40 KA.

b) Alterna. Sólo ca~bia Ve que será 255 ó 275 V.

109

Unidad 6 . Aparatos de

~aniobrayprotecció n~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Ejercicios 9. Calcula, para el ejercicio 2, los valores de las protecciones del cuadro de maniobra de alterna y de la protección de sobretensión de continua. 10. Añade en el esque~a del grupo la protección de sobretensiones y las del cuadro de maniobra de alterna. 11 11. ¿Dónde se suelen utilizar pararrayos?

12. ¿Qué son

las sobretensiones per~anentes? ¿Qué riesgo tienen? ¿Có~o se solucionan?

6.4.3. otras características Se conectan aguas debajo de un interruptor auto~ático o fusible para evitar un cortocircuito en caso de que se averíe (Fig. 6.7.).

_.......

_~

.. ___ .. ___ . ,...... _-.: ___ _.. __ ~

',.1

._~

e_.,

.'"I I I

1

Fig.6.7. Posición de sobretensiones.

'1

I

•

t,. •• • • • • • • • • ~ • •

"

~ • • ~ • •• •• • ••

Van antes del interruptor diferencial para evitar disparos innecesarios de éste. Los conductores son cortos « 0,5 ~) Y la sección al menos de 4 ~~2, aunque si hay pararrayos será de 10 ~m2. Se suele utilizar protección Tipo 1 ó 11 para proteger a un inversor. Si se prevé corrientes de rayo, se necesitan dos escalones de protección: el descargador basto (Tipo 11 ó 111) irá aguas arriba derivando la ~ayor parte de energía yel de Tipo 1, cerca del aparato a proteger para eli~inar la energía residual que haya quedado (Fig. 6.8.).

P 3F+ 65 kA 25kA

P2 F~

Fig.6.8. Posición de sobretensión en dos tramos.

110

S leA 2kV

10

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Unidad

6 . Aparatos de

~aniobrayprotección

Se deterioran pasadas unas cuantas sobredescargas (unas 20), se ha de tener en cuenta en el ~anteni~iento. Pueden llevar una pequeña ventana en la que avisan de su fin con un ca~bio de color o un ~edidor de i~pedancia para poder ser televigilados.

Ejercicios 13. ¿Có~o se conectan las sobretensiones l el interruptor y el diferencial? 14. Cuando hay posibilidad de descargas de rayos próxi~as se ponen dos protectores de sobretensión. Explica el funciona~iento. 15. ¿Qué duración tiene este tipo de protección?

6.5. Otras protecciones: del inversor a la red de distribución Están reguladas por el RD 1699/2011, sobre conexión de instalaciones¡otovoltaicas a la red de baja tensión. A continuación tenéis un resu~en:

Artfculo 14. Protecciones. Se han de detallar en la docu~entación de características de la instalación l artículo 4. Se instalarán: a) Dispositivo de corte general. Con aisla~iento para la protección y seguridad frente al riesgo eléctrico. Un ~agnetotér~ico con lec superior a la que indique la e~presa distribuidora en el punto de conexión.

b) Interruptor automático diferencial. c) Interruptor automático de interconexión. Conexión-desconexión auto~á­ tica de la instalación en caso de pérdida de tensión o frecuencia de la red l junto a un relé de enclava~iento (nunca trabajará en modo isla).

Modo isla significa que el inversor no puede trabajar sólo si la red eléctrica está parada ya que existe el riesgo de operarios trabajando en la red y que sufran una descarga eléctrica. d) Protección para la interconexión de máxima y mínima frecuencia (5015 y 48 Hz) y de tensión (1 1 15 y 01 85 U nom )' La reconexión por ~áxi~a frecuencia se hará para un valor ~enor o igual a 50 Hz. Estas protecciones pueden actuar sobre el interruptor general o sobre el interruptor del equipo generador. Las protecciones serán precintadas por la e~presa distribuidora tras las verificaciones.

Fig.6.9. Inversor con protecciones.

111

Unidad 6· Aparatos de

~aniobra

y

protecció n~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Si el equipo generador o el inversor incorporan las protecciones de los apartados e) y d), no será necesaria su duplicación.

Ejercicios

16. ¿Sobre qué dispositivos actúan las protecciones? 17. ¿Qué protecciones pueden incorporarse en el inversor, según el RD 1699/2011?

6.5.1. Protecciones requeridas por la compañía eléctrica Nos concreta ~ás las características eléctricas a cu~plir. Por eje~plo Fecsa-Endesa lo hace en su nor~a NTP-FVBT, va~os a verlo.

a) Cuadro de protección y medida

1. Interruptor manual, IGA/ICP: Actuará co~o ~áxi~o al 130% de la Pnom Poder de corte para una lec de 4,5 KA. Bipolar (2 polos protegidos) o tetrapolar (3 polos protegidos y neutro seccionable). 2. Interruptor diferencial. De sensibilidad 30 ~A ó 300 ~A si hay otro aguas arriba.

b) Del CPM hasta la Caja General de Protección (CGP) Conductores de cobre, sin e~pal~es y ~íni~o de sección 16 ~~2. Sie~pre irán las 3 fases y el neutro. Su cálculo, instalación y ~ateriales según su nor~a NTP-IEBT para la LGA (Línea General de AIi~entación). En la CGP se pondrán los fusibles para proteger la línea de conexión y ~e­ dida. Hasta aquí llega la responsabilidad del propietario de la ISF.

6.6. Esquemas de los equipos de protección La resolución de 31 de ~ayo de 2001, de la Dirección General de Política Energética y Minas, publicó un esque~a unifilar de generación y enlace. Después, la e~presa de energía de cada co~unidad autóno~a estableció sus nor~as técnicas y concretó este esque~a.

Recuerda ••• El cuadro de protección y medida, como mínimo, tendrá un Interruptor'General y un Diferencial. La responsabilidad de la Instalación solar Fotovoltaica (ISF), oca ba en los fusibles de la CGP.

112

A continuación se ~uestran el esque~a unifilar de la Dirección General y los aplicados en Cataluña por Feesa-Endesa (NTP-FVBT) junto con algunas explicaciones.

Generador fotovoltáico

CT,

o::::;"

n

e

ti)

Q)

n n

c.. ...,

O

o

~ Q)

c..

ro

:l

:l

..... ro ..., ..., e "tJ ..... O ..., c..

~

iiJ(t

ro

~c..

ri

g

Caja de embarrado

n ro Q)

~

e

c..:l

ro :l

Qj'

o~ ~

~

Q)

:l

Q


C:::>

c:::>

~ ~

••• ..

: : : : : : : : : JI I ~

:~

......... p

••

~~~~~ -

Fig.7.8. Cartel.

Para poder evaluar con precisión la fuerza que puede actuar sobre cada uno de los módulos utilizaremos la expresión matemática siguiente: F = P S sen 2 a S = Superficie de los módulos.

a =Ángulo de inclinación de los módulos respecto a la horizontal. p = Presión frontal del viento; es decir, presión que haría el viento sobre los módulos si estuvieran en posición perpendicular al viento. Se puede consultar en la siguiente tabla:

Velocidad del viento (mIs) Velocidad del viento (km/h) Presión del viento (N/m2) 28

100,8

479

30

108

550

32

115,2

626

34

122,4

707

36

129,6

792

38

136,8

883

40

144

978

42

151,2

1.078

44

158,4

1.184

46

165,6

1.294

48

172,8

1.409

50

180

1.528

52

187,2

1.653

54

194,4

1.783

56

201,6

1.917

58

208,8

2.057

60

216

2.201

Aplicando las prescripciones del Código Técnico de la Edificación (CTE), el sistema ha de estar diseñado para soportar 140 Km/h en su posición más desfavorable. Ésto es en la posición en la que la plataforma se encuentra en su posición más vertical y el viento sopla perpendicular a ésta.

127

Unidad 7 . Montaje y conexionado - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Ejercicio

Calcular la fuerza que hace un viento de 100 km/h sobre un grupo de cuatro módulos fotovoltaicos, con una superficie de 0,8 m 2 cada módulo, que están inclinados 60° sobre la horizontal. Superficie de la estructura = OJ8 . 4 = 3J2 F

=P S sen

2

m

a = 479·3,2 . sen 60 =1.149 6 N 2

J

Los fabricantes de los soportes para los paneles fotovoltaicos siempre facilitarán la información sobre la carga de viento que soportan. Recordemos que otra unidad de fuerza bastante utilizada son los kilopondios (kp). La equivalencia entre ésta y los newtons es la siguiente: 1 kp = 9J 8 N

Ejercicio

Calcular la fuerza del viento de 150 km/h sobre una placa fotovoltaica de 1,2 m 2, que están inclinados 45° sobre la horizontal. F

=P S sen

2

a

= 1.078 . 1,2 . sen 2 45

=646 8 N J

Rayos Los rayos son descargas eléctricas que se producen en las nubes de tormenta. Los rayos portan inmensas cantidades de energía con lo que pueden causar graves daños sobre los objetos en los que caigan. Las instalaciones solares fotovoltaicas, al tener sus captadores solares generalmente en los tejados, tienen posibilidades de recibir la caída de rayos. Es muy excepcional que un rayo llegue a caer en un captador solar. En cualquier caso, si se considera que existe riesgo de caída de un rayo en las placas solares se recomienda la instalación de un pararrayos junto al equipo. Dotado éste de una toma de tierra específica, con la finalidad de hacer mínimos los daños en el caso ~ de que llegue a ocurrir. El aislamiento y la separación galvánica entre la red y el generador fotovoltaico son esenciales. El sistema fotovoltaico también incorpora dispositivos de protección como fusibles, seccionadores, varistores y relés de tensión. Los varistores son dispositivos de protección contra sobretensiones producidas por descargas atmosféricas. Son aislantes hasta que llegan a la tensión a la que han sido tarados, entonces se convierten en conductores. Después de su actuación quedan inutilizados y hay que sustituirlos.

Nieve La nieve es un tipo de precipitación sólida que se produce cuando la temperatura del ambiente está por debajo de los O grados en la superficie. El agua cae en copos formados por cristales de hielo. En instalaciones de energía solar fotovoltaica la nieve no supone ningún peligro para la integridad de los módulos solares.

128

Sí puede mermar la eficacia dado que la nieve, al ser sólida, se acumula en el lugar donde cae. Así, con una nevada intensa y prolongada, nos podemos encontrar con una capa de nieve que cubra la parte inferior de los captadores. Ésto puede provocar lo que se conoce como el fenómeno del punto caliente, que es que la parte enterrada no trabaja y el rendimiento en conjunto del captador disminuye proporcionalmente a la cantidad de panel que esté enterrado. A parte de otros problemas explicados en temas anteriores. Para evitar o minimizar los efectos de la acumulación de nieve se puede elevar la estructura soporte, para permitir que la nieve se acumule fuera de los módulos fotovoltaicos.

,

Al recibir la luz solar, ésta calentará al conjunto y derretirá la nieve; por tanto, tenemos que tener en cuenta algún sistema de drenaje. Una de las ventajas de la nieve es que al tener color blanco refleja la luz del Sol y ese mayor nivel de luminosidad puede mejorar el rendimiento del conjunto.

Calor extremo Los paneles solares fotovoltaicos y el equipo eléctrico asociado están preparados para soportar temperaturas altas sin sufrir daños. Como inconveniente, tenemos que los paneles solares, a partir de los 25 oC, pierden eficacia progresivamente con el aumento de temperatura.

Frío extremo Los paneles solares fotovoltaicos y el equipo eléctrico asociado están preparados para soportar temperaturas bajas sin sufrir daños. Donde nos puede crear problemas es en las baterías, que pueden llegar a congelarse y a echarse a perder. Para minimizar este efecto hemos de dimensionar, convenientemente, la batería para evitar que el nivel de descarga sea excesivamente bajo en los momentos en los que el frío es más intenso.

7.1.3. Estructura soporte La estructura soporte es un elemento auxiliar. La estructura es la encargada de sustentar los módulos solares y dar al panel la inclinación más adecuada en cada caso para optimizar el rendimiento energético. Pero lo primero que tenemos que saber es donde vamos a instalar los paneles solares fotovoltaicos. A modo de ejemplo ponemos la siguiente clasificación: Único apoyo Montaje sobre suelo

Instalación fija

Soportes de entramado longitudinales

Montaje sobre pared

Techo Inclinado

Montaje sobre techo

T POS de Insta'laclones para paneles fotovoltalcos

Techo plano

Seguidores a un eje Instalación móvil

Seguidores a dos ejes

Fig.7.9. Distribución de la instalación.

129

Unidad 7 . Montaje y conexionado - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - Como podemos ver en el gráfico, el montaje sobre suelo se divide en estructuras de único soporte, por ejemplo mástiles. Las estructuras sobre mástiles están pensadas para paneles pequeños. Su aplicación más característica es en aplicaciones para señales de tráfico o farolas de alumbrado público.

Fig.7.10. De izquierda a derecha: farola solar, soporte mástil. señal mástil. Soporte sencillo sin movimiento. Dependiendo de la latitud de la instalación y de la aplicación que se quiera dar se dotan a los paneles de la inclinación más adecuada para captar la mayor radiación solar posible. Es el sistema más habitual que se encuentra en las instalaciones. Las estructuras de soportes de entramado longitudinal son ampliamente utilizadas en instalaciones con muchos generadores fotovoltaicos. Como ventaja tienen la facilidad de montaje por accesibilidad y la posibilidad de estructuras más robustas. Como inconveniente, la proyección de sombras entre filas de módulos. Hemos de tener en cuenta el posible crecimiento de la vegetación circundante, en la altura desde el suelo a los paneles solares. Módulos fotovoltaicos

Fig. 7.11. Estructura de suelo. Otra ventaja que tienen es que la inclinación es muy fácil de hacer y que es adaptable a la orografía del lugar.

Fig.7.12. Orografía.

130

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - U nidad 7· MontijI!yaJlleDonado Sobre pared es una buena opción en instalaciones autónomas siemple que la orientación sea la adecuada.

Flg.7.13. Ejemplo de instalación sobre pared. Sobre tejado plano. Si éste es plano se utiliza, generalmente, una estructura fijada al tejado (Fig. 7.14.).

Flg.7.14. Placas sobre tejado plano. Sobre tejado o cubierta. A modo de ejemplo, en el siguiente dibujo podemos ver: •

en la imagen a una placa fotovoltaica cuando el tejado no corresponde con la inclinación de la placa

•

en la imagen b un módulo fotovoltaico coincidiendo con la inclinación del tejado

•

en la imagen c una instalación sobre pared.

Flg.7.15. Sobre teja.

i Si es inclinado depende del tipo de cubierta para escoger los soportes. A continuación, y a modo de ejemplo, se especifican algunos materiales utilizados en los tejados: •

Chapa ondulada.

•

Fibrocemento ondulado.

Flg.7.16. Instalación fibrocemento.

m

Unidad 7 . Montaje y conexionado- - -- - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - •

Flamenco y de teja cerámica.

•

Tipo sándwich.

•

Cubierta invertida (grava o pizarra).

•

Tipo DECK.

Flg. 7.17. Instalación teja.

Flg.7.18. Tejado sándwich.

Aspecto de seguridad Hay que cercar el espacio alrededor del sistema solar para evitar el acceso de animales y personas no autorizadas, sobre todo niños. La cerca, a la vez, disminuye los golpes del viento. El anclaje debe resistir hasta las condiciones más difíciles de los vientos locales. El Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía establece, respecto a las estructuras, lo siguiente:

132

•

Se dispondrán las estructuras soporte necesarias para montar los módulos y se incluirán todos los accesorios que se precisen.

•

La estructura de soporte y el sistema de fijación de módulos permitirán las necesarias dilataciones térmicas sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad ~e los módulos, siguiendo las normas del fabricante.

•

La estructura soporte de los módulos ha de resistir, con los módulos instalados, las sobrecargas del viento y nieve, de acuerdo con lo indicado en el Código Técnico de la Edificación (CTE).

•

El diseño de la estructura se realizará para la orientación y el ángulo de inclinación específico para el generador fotovoltaico. Teniendo en cuenta la facilidad de montaje y desmontaje y la posible necesidad de sustitución de elementos.

•

La estructura se protegerá, superficialmente, contra la acción de los agentes ambientales. La realización de taladros en la estructura se llevará a cabo antes de proceder, en su caso, al galvanizado o protección de la misma.

•

La tornillería empleada deberá ser de acero inoxidable. En el caso de que la estructura sea galvanizada se admitirán tornillos galvanizados, exceptuando los de sujeción de los módulos a la misma, que serán de acero inoxidable.

- -- - -- - - -- - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - U nidad 7 . Montaje y conexionado

" •

Los topes de sujeción de módulos, y la propia estructura, no arrojarán sombra sobre los módulos.

•

En el caso de instalaciones integradas en cubierta que hagan las veces de la cubierta del edificio, el diseño de la estructura y la estanquidad entre módulos se ajustará a las exigencias del Código Técnico de la Edificación y a las técnicas usuales en la construcción de cubiertas.

•

Si está construida con perfiles de acero laminado conformado en frío, cumplirá la Norma MV102 para garantizar todas sus características mecánicas y de composición química. Si es del tipo galvanizada en caliente, cumplirá las normas UNE 37-501 Y UNE '!:--7- 508, con un espesor mínimo.

Integración edificio Existen módulos fotovoltaicos que puede sustituir a elementos de construcción.

Fig.7.19. Integración edificio. Cada vez son más numerosas las formas de situar sobre edificios campos fotovoltaicos con funciones diversas (además de la estrictamente energética): •

Tejado fotovoltaico. Sustituye el acabado final y, en algunos casos, la impermeabilización.

•

Tejado en dientes de sierra. La vertiente sur es fotovoltaica y la norte puede ser opaca o permitir la entrada de luz cenital.

•

Fachada. El campo solar puede recubrir totalmente la fachada.

•

Pérgolas, porches, voladizos.

•

Franjas fotovoltaicas a lo largo de la fachada, alternando con franjas transparentes.

•

Lamas de sombreado. Situadas encima de las ventanas permiten evitar la entrada de radiación directa en verano. Es la aplicación más sencilla de una instalación fotovoltaica en fachada.

Fig.7.20. Aparcamiento.

133

Unidad 7 . Montaje y c o n e x i o n a d o - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Fig.7.21. Lamas. •

Marquesinas. Es la aplicación más sencilla de una instalación fotovoltaica. Además, produce una sombra que puede ser muy útil en los meses de verano en el caso en que se encuentre una terraza por debajo.

Fig.7.22. Ejemplo de marquesina. Los fabricantes de placas fotovoltaicas han empezado a suministrar variantes de placas y de células para atender las demandas de los arquitectos solares. Para ello, se han desarrollado modelos con variantes de tonos, colores, formas de células, así como sistemas de fijación que permiten adoptar diversas soluciones o mejoras estéticas. También se habla de arquitectura fotovoltaica cuando se hace referencia a instalaciones fotovoltaicas, habitualmente conectadas a red, en las que el generador fotovoltaico está integrado en el edificio desde el diseño de éste.

. Fig.7.23. Integración edificio .

Sistemas de seguimiento solar Existen dos métodos para aumentar la energía obtenida de una instalación fotovoltaica . El primero consiste en mejorar los componentes internos de un panel fotovoltaico de manera que su rendimiento aumente. El segundo consiste en aumentar la cantidad de radiación solar recibida por el panel. En los sistemas solares fotovoltaicos existe la posibilidad de emplear elementos seguidores del movimiento del Sol. Son estructuras móviles sobre las que se colo-

134

can los módulos para poder optimizar la incidencia de los rayos solares sobre éstos en cada momento y así aumentar la captación. Buscan la posición óptima de los paneles respecto a los rayos solares y en función de las partes móviles que tienen y de la disposición de los paneles sobre ellos, se distinguen los siguientes tipos:

a) Sistemas de seguimiento solar de un eje Estos soportes realizan un ci~rto seguimiento solar. La rotación del soporte se hace por medio de un solo eje, ya sea horizontal, vertical u oblicuo. Este tipo de seguimiento es el más sencillo y el más económico resultando, sin embargo, incompleto ya que sólo podrá seguir o la inclinación o el azimut del Sol, pero no ambas a la vez.

Fig.7.24. Seguimiento de un eje. •

Fig.7.25.

Un eje polar. La superficie gira sobre un eje orientado al Sur e inclinado un ángulo iglJal a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. La velocidad de giro es de 15° por hora, como la del reloj (lxp).

o

Seguimiento de un eje polar. •

Un eje azimutal. La superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol. La velocidad de giro es variable a lo largo del día.

•

Un eje horizontal. La superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección Norte-Sur o Este-Oeste. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

Fig.7.26. Seguimiento de un eje horizontal.

135

Unidad 7 . Montaje y conexionado- - -- - - - - - -- - - - - - - - - -- - - -- - -- - - - - -

b) Sistemas de seguimiento solar de dos ejes Con este sistema ya es posible realizar un seguimiento total del Sol en altitud y en azimut y siempre se conseguirá que la radiación solar incida perpendicularmente obteniéndose la mayor captación posible. Existen tres sistemas básicos de regulación del seguimiento del Sol por dos ejes:

E ~ /' ,/

I I \ \

Fig.7.27. Seguimiento de dos ejes.

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o Sistemas mecánicos. El seguimiento se realiza por medio de un motor y de un sistema de engranajes. Dado que la inclinación del Sol varía a lo largo del año es necesario realizar ajustes periódicos, para adaptar el movimiento I del soporte. Dispositivos de ajuste automáticos. El ajuste se realiza por medio de sensores que detectan cuando la radiación no incide perpendicular al panel corrigiéndose la posición por medio de motores. Dispositivos sin motor. Sistemas que, mediante la dilatación de determinados gases, su evaporación y el juego de equilibrios, logran un seguimiento del Sol.

Se estima que con estos sistemas se puede lograr un aumento de entre el 30% y el 40% de la energía captada. Se hace necesario evaluar el costo del sistema de seguimiento y la ganancia derivada del aumento de la energía para determinar su rentabilidad. Si tenemos un seguimiento de dos ejes podremos controlar la azimut (orientación) y la altura solar (inclinación) para conseguir una captación óptima. Los seguidores solares se pueden clasificar según el tipo de algoritmo utilizado: Según la luminosidad. Este tipo de algoritmo basa su funcionamiento en la señal entregada por uno o varios sensores. Dependiendo de dicha señal se envía un comando de control a uno o varios motores para que se posicionen en el punto más adecuado de luminosidad. Este tipo de seguimiento resulta ser de fácil implementación. Con programación astronómica. Este tipo de algoritmo presenta una total independencia de las condiciones climáticas (ya no requiere de sensores que indiquen cual es el punto más luminoso). El seguimiento, en este caso, depende únicamente de una serie de ecuaciones que predicen la ubicación del Sol en cualquier momento. Este tipo de seguidor resulta ser de gran precisión pero, como inconveniente, tenemos que mencionar que la implementación del algoritmo representa un alto grado de complejidad.

136

- - - - - - - - - - - -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - U nidad 7 . Montaje y conexionado

Funcionamiento del seguidor solar Programa

Parámetros

Fig.7.28. Funcionamiento de un seguidor solar.

Movimiento del seguidor solar: por ejemplo sistema hidráulico Alimentación externa CA

El funcionamiento del seguidor solar normalmente se hace mediante un PLC ubicado en un armario estanco apto para su uso en intemperie. Cada seguidor incorpora su propio autómata, lo que le da a cada uno de ellos total independencia de movimiento. Este autómata gobierna el funcionamiento de los motores (moto-bomba, etc.) ejecutando los movimientos precisos para lograr la orientación adecuada con respecto al Sol. El autómata garantiza el posicionamiento correcto del seguidor -superficie fotovoltaica normal a los rayos solares- y permite la automatización del posicionamiento nocturno y de defensa. El seguidor se coloca en posición de defensa (horizontal) en el caso de fuertes vientos. Éstos los podemos detectar mediante un anemómetro. Estos sistemas normalmente también llevan un sistema antirrobo (mediante detectores de manipulación) y protección contra granizo (dispone de un cable detector de vibraciones que, en caso de granizo, colocará automáticamente el seguidor en posición de ángulo máximo, evitando colisiones que pueden causar importantes daños en la superficie del panel). En el caso de oscuridad y/o niebla el seguidor se coloca en forma horizontal. Cuando se entra en la pantalla de la fecha, hora y coordenadas del lugar, con los pulsadores se apunta el seguidor al Sol. A partir de este momento el seguidor funciona. Cada X minutos (entre 1 y 90, según se programe) calcula la posición y mueve el seguidor si es necesario. Cuando se pone el Sol, cuando la inclinación del Sol sobre el horizonte es negativa, el seguidor vuelve al Este y se pone cerca de la horizontal. Al amanecer, el seguidor vuelve a ponerse casi vertical. A partir de ese momento hace de nuevo el movimiento normal diurno.

7.2. Montaje de estructuras de soporte fijo 7.2.1. Estructuras para montaje sobre suelo Cuando hacemos el montaje sobre soportes en el suelo tenemos que tener en cuenta algunas cosas que ya hemos estudiado: •

La separación entre filas de módulos fotovoltaicos para prevenir las sombras entre ellos.

•

La elevación de los módulos del suelo para prevenir la acumulación de nieve en la parte inferior. Esta misma elevación nos irá bien en el caso del crecimiento de la vegetación.

137

Unidad 7 . Montaje y conexionado--- -- -- - - - - - - -- - -- - - - - - - - - - - - - -- -

Preparación del terreno Según las características del suelo, las patas de la estructura pueden ser ancladas de distintas formas, por ejemplo:

•

Pernos de anclaje al suelo. Poco utilizado porque depende mucho del tipo de terreno.

•

Zapatas de hormigón armado con pernos de anclaje. Tubo pasacables

t

Fig.7.29. Perno roscado.

•

Anclaje roscado sobre losas de hormigón prefabricado.

I

"

r

Fig.7.30. Anclaje roscado.

-1.::

T X:S: -s: -S=.3i Es conveniente que los cables que vienen de los paneles solares estén lo más ocultos y protegidos posible. Por lo tanto, hay que hacer una canalización dentro de la propia zapata (como se puede ver en la anterior figura). El siguiente paso es el anclaje de la estructura, la cual podemos haber premontado mientras esperábamos el fraguado del hormigón. Cabe recordar que hay que poner la estructura a tierra, mediante conductores desnudos de puesta a tierra y conectarla en cualquier pletina que se haya alojado en los pernos/tornillos de anclaje.

Fig. 7.3l. Montaje estructura.

Una vez anclada y asegurada la estructura se ensamblan los perfiles transversales para los módulos fotovoltaicos.

138

Fig.7.32. Montaje estructura. Una vez acabado se colocan los paneles fotovoltaicos (como se puede ver en la siguiente figura):

Fig.7.33. Montaje estructura. Sobre todo hemos de pensar que este tipo de instalaciones no siempre son definitivas, dado que se puede sustituir un módulo fotovoltaico o ampliar la instalación. Por lo tanto, se tiene que utilizar tornillería de buena calidad para evitar corrosiones, etc y reducir el tiempo de trabajo posterior. En el montaje de un poste procederemos de forma parecida, ya sea un seguidor solar o, por ejemplo, una farola. Primero haremos la cimentación, como se puede ver en la siguiente figura:

Fig.7.34. Cimentación poste. Seguidamente montaremos el poste y una vez anclada se montan los perfiles transversales para los módulos fotovoltaicos mediante una grúa, dependiendo de la altura. Colocaremos los paneles fotovoltaicos, como se puede observar en la siguiente figura:

Fig.7.35. Cimentación poste.

139

Unidad 7 . Montaje y conexionado------ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - -

7.2.2. Estructura para montar sobre tejado plano En este caso el procedimiento es igual que el montaje sobre suelo, salvo en el anclaje de la estructura. En este caso se suelen utilizar zapatas prefabricadas que sustentan la estructura por gravedad. Otro sistema es amarrar la estructura directamente en el tejado.

Fig.7.36. Instalación sobre techo.

7.2.3. Estructura para montar sobre tejados inclinados Aquí nos podemos encontrar con diferentes tipos de tejados; por tanto, parte del material y su tipo depende de que este hecha la cubierta. Si el tejado es de teja (independientemente del tipo) podemos utilizar una pieza como la de la figura, llamada salvateja.

Fig.7.37. Salvateja.

La forma de colocación entre tejas sería como muestra la figura siguiente:

Fig.7.38. Salvateja.

140

- - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Unidad 7 . Montaje y couexionado Seguidamente, pondríamos un perfil genérico y encima el perfil para sujetar las placas solares.

Sección

Fig.7.39.

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I

_

Perfil.

[J

En las siguientes imágenes se puede ver un detalle de cómo se sujeta la placa solar y otro de cómo se sujetan entre placas.

Fig.7.40. Detalle.

Con techo de fibrocemento o panel sándwich haremos lo que detalla la siguiente figura y después seguiremos como en el caso anterior. Espiga roscada

Fig.7.41. De izquierda a derecha y de arriba a bajo: fibrocemento, instalación de fibrocemento, instalación en teja y sujeción paneles.

7.3. Conexión eléctrica y toma de tierra Una vez que hemos fijado los módulos fotovoltaicos a la estructura de soporte tenemos que hacer la conexión eléctrica entre ellos. Como ya hemos visto en capítulos anteriores, existen conectores que nos ahorran tiempo y dan seguridad en el cableado de paneles. los paneles solares disponen en la parte posterior de una caja, tal y como hemos explicado anteriormente. Esta caja dispone de unos orificios destinados a admitir tanto canalizaciones eléctricas (tubos) o prensaestopas. Éstos últimos nos aseguran la estanquidad en la caja de conexiones y también nos ofrecen una resistencia a la tracción.

14 ·

Unidad 7 · Montaje y conexionad o - - - - -- - - - - - -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Fig.7.42. Caja de conexiones.

A la salida de cada placa existe una caja de conexiones en cuyo interior se conectan los cables eléctricos que, según el tipo de conexión (serie o paralelo) deberán respetar las adecuadas secciones. En el interior de la caja de empalme deberá ponerse también un diodo de un valor de Amperios relacionado con el panel y, según la conexión (serie o de paralelo) podrá proporcionar funciones de by-pass o de bloqueo. La conexión en serie de paneles iguales logrará aumentar la tensión, manteniendo la intensidad igual en toda la rama. En este caso, todos los paneles tendrán entre los bornes un diodo de by-pass y el último panel tendrá en su salida positiva un diodo de bloqueo. La conexión en paralelo de paneles iguales o de ramas iguales sirve para que, aun manteniendo la misma tensión, se incremente la intensidad de corriente. En este caso, a la salida de la línea de cada rama se colocará una caja eléctrica ya partir de aquí se realizará una línea eléctrica que recogerá todas las ramas. Cuando conectemos los paneles fotovoltaicos tendremos que tener en cuenta, en primer lugar, la polaridad, dado que estamos trabajando con corriente continua. Y en segundo lugar, la forma de conectarse entre ellos.

Fig.7.43. Conexión tres paneles.

Si observamos con detenimiento la siguiente figura, podremos ver que los dos apartados están conectados en paralelo pero hay una diferencia. En el apartado A la conexión en paralelo se hace utilizando las cajas de conexiones de los paneles y en el apartado B la conexión en paralelo se hace utilizando una caja de conexiones general. En el primer apartado podemos tener algún problema. El primero, que si se estropea una de las cajas de conexiones finales dejará de suministrar corriente. El segundo, lo ineficiente que puede ser tener una sección igual, si está calculado para la intensidad total, tenemos un elevado coste.

142

- - - - - - - - -- - - - - - - - -- -- - - - -- -------Unidad 7 . Montaje y conexionado

A)

B)

Fig.7.44. Conexión eléctrica.

Tornillería y bornes utilizados para la conexión eléctrica de los diferentes elementos.

Fig.7.45. lornillería.

En la siguiente figura podemos ver un detalle de la canalización eléctrica de unas placas solares.

Fig.7.46. Canalizaciones eléctricas.

La conexión a tierra es la unión eléctrica directa, sin fusibles ni protección alguna, de una parte conductora (por ejemplo, la estructura) no perteneciente al circuito eléctrico, mediante una toma de tierra con un electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo. Mediante la instalación de puesta a tierra se deberá conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima de terreno, no aparezcan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiem;x permita el paso a tierra de las corrientes de defecto o las de descarga de orgeatmosférico.

Unidad 7 . Montaje y conexionado- - -- - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - -- - - -- - -

Fig.7.47. Detalle medida tierra.

Por tanto, hemos de seguir lo que nos obliga el REBT: la existencia de una puesta a tierra para conducir las corrientes de fuga. También dentro del sistema, en la zona que trabaja con corriente continua, una toma de tierra de la estructura soporte garantiza el camino para una descarga atmosférica accidental. La estructura soporte del generador fotovoltaico debe encontrarse conectada a una toma de tierra independiente de la del neutro de la red. Todos los marcos de los paneles solares deben estar conectados a tierra para su seguridad. La estructura de soporte también debe estar conectada a tierra a menos que estén conectados mecánicamente por la tuerca y tornillos de los paneles de conexión a tierra solares.

Fig.7.48. Puesta a tierra estructura .

Conecte un cable separado de puesta a tierra en los agujeros de los marcos de los paneles solares con un tornillo de rosca. Los marcos de los paneles solares están provistos de orificios de conexión a tierra. El cable a tierra debe ser, al menos, del mismo tamaño que los conductores eléctricos. En instalaciones solares conectadas a la red tenemos que tener en cuenta que las compañías eléctricas prestan mucha atención a la calidad de la electricidad que se introduce en las redes eléctricas. Así como también a las medidas de seguridad con las que trabajan las instalaciones.

7.4. Montaje de baterías, acumuladores y resto de la instalación El lugar donde estén ubicados los acumuladores y las baterías deberá tener unas características concretas:

144

•

Ha de ser seco, fresco y protegido de la intemperie.

•

La ventilación ha de ser adecuada, debido a la evacuación de gases (Hidrógeno y Oxígeno) desprendidos por su proceso químico.

•

Las aberturas de ventilación tienen que estar situadas en la parte superior, dado que el Hidrógeno es más ligero que el aire.

•

Es aconsejable que sea de acceso restringido.

•

Evidentemente tiene que tener las señalizaciones tratadas en el apartado de prevención.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - -- Unidad 7 . Montaje y conexionado •

Colocar las baterías sobre una estructura soporte o bancada, con la finalidad de aislarlas del suelo (proteger de la humedad).

Fig.7.49. Bancada de baterías.

Las baterías y/o acumuladores deben estar lo más cerca posible de los módulos fotovoltaicos, con el fin de limitar las caídas de tensión en los conductores. El conexionado lo haremos con terminales. Los terminales de la batería son los contactos eléctricos usados para conectar una carga y/o un cargador con una batería de la célula o de la múltiple-célula. Estos terminales tienen una variedad amplia de diseños y de tamaños.

Fig.7.50. Tipos de terminales.

Las conexiones entre baterías y/o celdas las hemos visto en capítulos anteriores. Respecto a la conexión del inversor, regulador, etc. comentar que estos elementos suelen estar en un mismo armario ubicado, generalmente, con las baterías. Teniendo en cuenta que lo hemos de poner en un sitio que facilite su posterior mantenimiento y, sobre todo, seguir las instrucciones facilitadas por el fabricante.

7.5. Elementos de protección y desconexión Hemos de hacer un cuadro eléctrico donde se instalen tanto los elementos que sirven para la desconexión de los diferentes circuitos de la instalación, como los elementos que sirven para la protección. Tiene que estar ubicado en un sitio de fácil acceso. Los elementos que integran este cuadro lo hemos tratado en un capítulo anterior. En la figura siguiente podemos ver un esquema eléctrico con sus diferentes elementos.

Fig.7.51. Esquema eléctrico. Centro de transformación

Contador de entrada

Contador de salida

~I¡:~~~¡~;

Interruptor Magnetotérrni o

Cuadro conexlone< DC

K-+-~TI~~~~v~~~~~~ Interruptor Magnetotérmlco

Caja protecclón AC Protecdón contra fallo aislamiento

Protecdone