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CENTRO DE FORMACIÓN PROFESIONAL ESPECÍFICA NUESTRA SEÑORA DE LAS MERCEDES

Capitulo 5 Conexión a red Instalaciones Solares Fotovoltaicas Jonathan Medina García

Centro de Formación Profesional Nuestra Señora de las Mercedes. Instalaciones Solares Fotovoltaicas. Jonathan Medina García.

5.1. Introducción. La conversión directa de la energía solar en electricidad a través de células fotovoltáicas se ha desarrollado durante los últimos años como una alternativa para el suministro eléctrico en numerosos países. Y en las ocasiones donde el abastecimiento eléctrico por red convencional ya existe, la tendencia será que las células fotovoltáicas trabajen con ella. Inicialmente, los sistemas fotovoltáicos de conexión a red se desarrollaron para centrales fotovoltáicas de gran tamaño. Ya que se pensó que podrían en un futuro resolver en algunas zonas ciertos problemas existentes en la generación y distribución de energía convencional. Tras examinar que dichas centrales trabajaban correctamente y, en la medida que avanzó el mercado de la electrónica se comenzaron a diseñar sistemas de menor envergadura. Sistemas más pequeños y manejables, con la finalidad de ser instalados a modo de pequeñas centrales domésticas. Sistemas solares totalmente adaptables a viviendas dotadas de acometida convencional de suministro eléctrico. La primera central fotovoltáica conectada a la red en Europa (9,3 kWp. 13/05/1982 Lugano School of Engineering) se construye para estudiar los efectos de seguridad eléctrica que pudieran darse cuando se conecta una instalación de este tipo a la red pública. A finales de 1998 existían más de 30.000 instalaciones fotovoltáicas conectadas a la red eléctrica repartidas por todo el mundo. Hoy existe un claro apoyo institucional a la tecnología fotovoltáica. Buen ejemplo de ello, se encuentra en la lectura de Energía para el futuro, fuentes de energía renovable (Libro Blanco para una estrategia y un plan de acción comunitarios. Comisión Europea). Donde se muestra la articulación de una campaña para contribuir al despegue real de las energías renovables. La Comisión Europea, en lo referente a fotovoltáica propone fomentar la implantación de un millón de sistemas fotovoltáicos. Una campaña con la finalidad de construir una base de mercado suficientemente amplia para que los costes de fabricación desciendan de manera sustancial. Un programa de despegue para proteger el mercado interior y fomentar la exportación. A tal efecto, la campaña organizada incluye una iniciativa para la instalación de 500.000 sistemas fotovoltáicos conectados a red y destinados dentro del mercado interior de la UE. Para completarla, incluye una iniciativa de exportación de 500.000 sistemas fotovoltáicos autónomos a los países en desarrollo. La política energética no es un oráculo, y las perspectivas no son previsiones sino reflexiones sobre la gama de futuros posibles. Teniendo esto último en cuenta y si todo marcha según los planes operativos en EEUU, Japón y Europa, es posible que se alcance el 2010 con más de 1.000.000 de instalaciones fotovoltáicas conectadas a la red eléctrica en muchos países. Si a esta cifra le sumamos las instalaciones fotovoltáicas autónomas, en la próxima década se formará un mercado fotovoltáico que tendrá un volumen superior a los 2,5 billones de dólares. 2


5.2. Sistemas Fotovoltaicos conectados a la Red SFCR. Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son aquellos cuya instalación está motivada por la inyección de energía eléctrica a la red, ya sea con ánimo de venta de la producción eléctrica de nuestro sistema fotovoltaico o como apoyo a la red eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica (SFCR) constituyen una de las aplicaciones de la Energía Solar Fotovoltaica que más atención están recibiendo en los últimos ańos, dado su elevado potencial de utilización en zonas urbanizadas próximas a la red eléctrica. Estos sistemas están compuestos por un generador fotovoltaico que se encuentra conectado a la red eléctrica convencional a través de un inversor, produciéndose un intercambio energético entre ésta y el sistema fotovoltaico, característico de este tipo de instalaciones. Así, el sistema inyecta energía en la red cuando su producción supera al consumo local, y extrae energía de ella en caso contrario. La diferencia fundamental entre un sistema fotovoltaico autónomo y los conectados a red, consiste en la ausencia, en este último caso, del subsistema de acumulación, formado por la batería y la regulación de carga. Además, el inversor, en los sistemas conectados a red, deberá estar en fase con la con la tensión de la red. Uno de los factores favorables de los sistemas conectados a la red, es la posibilidad de mejorar la calidad del servicio de la energía suministrada por la red, ya que la máxima producción del sistema fotovoltaico coincide con horas en que los problemas de suministro para las compańías eléctricas son más graves.

5.3. Elementos principales de un SFCR. El esquema de un Sistema Fotovoltaico conectado a la red podría ser el siguiente:

Los elementos principales de un SFCR serían los siguientes: 3


 Generador Fotovoltaico (GFV): Sin el cual lógicamente no existirían los SFCR.  Inversor: Un inversor es un convertidor DC-AC.Normalmente un inversor está compuesto por una etapa sintetizadora y por otra filtradora. La etapa sintetizadora se ocupa de producir a su salida una onda de impulsos a partir de la tensión en continua que tiene en su entrada (proveniente del GFV). La etapa filtradora tiene como misión la eliminación de los armónicos indeseados de la onda de impulsos para producir una onda totalmente senoidal.  Contadores de producción: Normalmente en las instalaciones eléctricas conectadas a la red poseen un solo contador de energía consumida. En los SFCR existen dos contadores: uno de consumo y otro de producción la diferencia entre lo marcado en los dos contadores será el déficit o superhabit de energía producida.

5.4. Dimensiona de los sistemas Fotovoltaicos conectado a la red (SFCR). El dimensionamiento de los Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red comprende los siguientes puntos: 1.-Dimensionamiento del generador fotovoltaico (GFV). 2.-Dimensionamiento del inversor. 3.-Dimensionamiento de las secciones del cableado. 4.-Dimensionamiento de las protecciones.

5.4.1.

Dimensionamiento del generador fotovoltaico (GFV).

Para el dimensionamiento del generador nominal se hace necesaria la observancia de los siguientes condicionantes.

5.4.2.

Potencia nominal (Kwp)

En la práctica se elige en función del presupuesto disponible y de la cantidad de electricidad solar que se desea generar. La energía que podría ser obtenida puede obtenerse mediante la siguiente expresión: E  Gda ( a,b ) * SSFCR * PR *365 Donde: E: producción de electricidad solar anual (Kwh·año-1) Gda(a ,b ):valor medio anual de la irradiación diaria sobre superficie orientada con acimut a e inclinación b (Kwh·m-2· día-1) SSFCR: Superficie del Sistema fotovoltaico conectado a red en m². PR: rendimiento del sistema o performance ratio (adimensional).

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5.4.3.

Módulos fotovoltaicos a emplear (modelo(s))

Existen varios fabricantes en el mercado, de modo que cada uno de ellos ofrece varios modelos. El modelo de módulo se caracteriza por: PM: potencia del módulo (Wp) VOC: tensión de circuito abierto (V) ISC: corriente de cortocircuito (A) VM: tensión en el punto de máxima potencia (V) IM: corriente en el punto de máxima potencia (A) RS: resistencia serie de la célula (W) También resulta de interés conocer: NCP: número de células en paralelo NCS: número de células en serie Parece que si se quiere instalar una potencia del GFV PGFV y se dispone de módulos fotovoltaicos de potencia PM, el número de éstos a instalar sería igual a:

PGFV PM En general no es así: se ha de tener en cuenta también el margen de tensiones de entrada del inversor N º deModulos 

5.4.4.

Conexionado de los módulos

Se ha de determinar: NMP: número de módulos en paralelo NMS: número de módulos en serie Dichos valores dependen del modelo de módulo fotovoltaico a utilizar y del margen de tensiones de entrada en las que el inversor busca el punto de máxima potencia del GFV. Asimismo se ha de cuidar el no sobrepasar la máxima tensión en circuito abierto que el inversor es capaz de soportar. NMS debe ser tal que la variación con el tiempo de la suma de las tensiones en el punto de máxima potencia de todos los módulos se encuentre en el margen de tensiones en el cual el inversor busca el punto de máxima potencia de la curva V-I del GFV. Se deben ańadir tantas ramas en paralelo NMP como sean necesarias hasta completar, aproximadamente, la potencia del GFV que se desea instalar. La simulación puede partir de los valores de NMS y NMP siguientes, y luego ser modificados hasta conseguir que se cumplan los dos requisitos que se les exigen: NMS 

Vmax inv VM

NMP 

PGFV PM

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Donde VMAXINV es el límite superior del margen para el que el inversor busca el punto de máxima potencia de la curva V-I del GFV

5.4.5.

Dimensionamiento del inversor

Se ha de determinar la potencia DC de entrada nominal (máxima) que debe admitir el inversor PINV En general, PINV depende de PGFV. Una recomendación muy usada que proporciona valores de PR = PINV / PGFV, en función de la latitud, es la siguiente:  Sur de Europa: PR = 0.8 - 1.0  Centro de Europa: PR = 0.75 - 0.9  Norte de Europa: PR = 0.7 - 0.8 La recomendación anterior es válida para GFVs orientados al Sur e inclinados un ángulo aproximadamente igual a la latitud del lugar.

5.4.6.

Dimensionamiento de las secciones del cableado

La sección de los cables debe ser tal que soporten la máxima corriente que circulará por ellos, a la temperatura de trabajo. Cabe seńalar además, la necesidad de realizar una simulación del comportamiento del nuestro generador, en pos de un mejor resultado en las secciones. A efectos de ańadir un margen de seguridad al dimensionamiento de las secciones de los cables, es conveniente considerar la máxima corriente que va a atravesar los conductores un 20% mayor que la obtenida a través de la simulación. Los cables utilizados para conectar las ramas de módulos a la caja de conexión suelen estar al aire y ser unipolares. Los cables utilizados para conectar la caja de conexión con el inversor suelen estar al aire y ser unipolares. Los cables utilizados para conectar la salida del inversor a la red no suelen estar al aire y a menudo son unipolares. A partir de los valores obtenidos en la simulación, la máxima corriente que deben soportar es igual a: a) Inversor monofásico: I c max 

PAC max V

Donde: Icmáx (A) es la máxima corriente que circula por el conductor PACmáx (W) es la máxima potencia que suministra el inversor a lo largo de todo un ańo de operación. b) Inversor trifásico:

I C max 

PAC max 3 *VL 6


Donde: Icmáx (A) es la máxima corriente que circula por el conductor PACmáx (W) es la máxima potencia que suministra el inversor a lo largo de todo un ańo de operación.

5.4.7.

Dimensionamiento de las protecciones

No se tratará en profundidad aquí. Tan sólo mencionar: 1.-Los módulos fotovoltaicos deben incorporar diodos de paso, para evitar la formación de "puntos calientes". 2.-El empleo de diodos de bloqueo es controvertido. En general, deben usarse cuando NMP > 5 3.-Cada rama del GFV debe incorporar un fusible de protección de cables en serie (tipo gl) de corriente igual a la máxima que se espera que va a circular por el cable en cuestión. 4.-Poner a tierra los marcos de módulos, cajas de conexión y armario del inversor. El cable de puesta a tierra tendrá una sección, como mínimo de 16 mm². 5.-Utilizar la configuración flotante para el GFV: ambos polos deben estar aislados de tierra.

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