Instalación Solar Fotovoltaica para Vivienda Cálculo y diseño de una instalación solar fotovoltaica para autoconsumo en vivienda AUTOR: Hermenegildo Rodríguez Galbarro – Ingeniero Industrial
Nota del autor Este libro forma parte de una colección más amplia de tutoriales técnicos de ingeniería y arquitectura incluidos en la web www.ingemecanica.com web www.ingemecanica.com © Hermenegildo Rodríguez albarro. Re!isión de "#
%$ Nota del autor Este libro forma parte de una colección más amplia de tutoriales técnicos de ingeniería y arquitectura incluidos en la web www.ingemecanica.com web www.ingemecanica.com © Hermenegildo Rodríguez albarro. Re!isión de "#
%$ Tabla T abla de contenidos
Instalación Solar Fotovoltaica para Vivienda Cálculo y diseño de una instalación solar fotovoltaica para autoconsumo en vivienda Nota del autor Tabla Tabla de contenidos Introducción Capítulo 1 !rincipio fotoel"ctrico Capítulo # $r%uitectura del sistema Capítulo & Componentes del sistema Capítulo ' (atos de partida para el diseño Capítulo ) Cálculo de la instalación
Introducción En este tutorial que constituye el libro se !a a realizar el estudio& cálculo y dise'o de las instalaciones solares foto!oltaicas de tipo aisladas que permiten la generación de electricidad para el consumo directo en una !i!ienda unifamiliar& la cual podrá estar aislada de cualquier red de suministro p(blico de energía eléctrica. El principal ob)eti!o de una instalación solar aislada es la de producir energía eléctrica para el autoconsumo& sin necesidad de depender de una red eléctrica p(blica de distribución y suministro& de modo que se logre ser autosuficiente a este respecto. *e tratará en este tutorial por tanto& de describir los elementos que componen una instalación foto!oltaica autónoma& incluyendo +o)as de especificaciones técnicas de los distintos equipos y e,poner un caso práctico de cálculo de una instalación solar foto!oltaica& que pueda ser!ir de guía y modelo para otras instalaciones que el lector pueda lle!ar a cabo. Esperando que le resulte de gran utilidad este libro& reciba un cordial saludo. Hermenegildo Rodríguez albarro.
Capítulo 1 !rincipio fotoel"ctrico -a base sobre la cual se fundamenta cualquiera de los sistemas foto!oltaicos comerciales es el denominado principio fotoeléctrico& mediante el cual las radiaciones de la luz solar se pueden transformar en energía eléctrica. Este efecto tiene lugar en las llamadas células fotoeléctricas& unidad básica que componen los módulos o paneles foto!oltaicos.
oda radiación de luz solar está compuesta por partículas elementales& llamadas fotones. Estas partículas lle!an asociada un !alor de energía / E 0& que depende de la longitud de onda / λ 0 de la radiación& y cuyo !alor cuantitati!o !iene e,presado por la formulación siguiente1 E = h · c / λ donde /h0 es la constante de 2lanc3 y /c0 es la !elocidad de la luz. 4uando un módulo foto!oltaico recibe radiación solar& los fotones que componen dic+a radiación inciden sobre las células foto!oltaicas del panel. -os fotones podrán entonces ser refle)ados& absorbidos o pasar a tra!és del panel. *ólo los fotones que quedan absorbidos por la célula foto!oltaica del panel son los que& finalmente& !an a generar electricidad.
En efecto& cuando el fotón es absorbido por la célula& la energía que porta el fotón es transferida a los átomos que componen el material de la célula foto!oltaica. 4on esta nue!a energía transferida& los electrones que están situados en las capas más ale)adas son capaces de saltar y desprenderse de su posición normal asociada al átomo y entrar a formar parte de un circuito eléctrico que se genera.
2or lo tanto& un factor crucial para que pueda generarse el efecto foto!oltaico es que las células de los paneles solares estén compuestas por un tipo determinado de material que permita que sus átomos sean capaces de liberar electrones al recibir energía& y así crear una corriente eléctrica. -os átomos de los materiales llamados semiconductores ofrecen esta propiedad& es decir& materiales que act(an como aislantes a ba)a temperatura y como conductores& al desprenderse de sus electrones& cuando se aumenta la energía que incide sobre ellos. 4on el ob)eto de me)orar las prestaciones de estos materiales semiconductores& éstos son tratados y procesados industrialmente de forma que se crean dos capas diferentes dopadas /tipo 2 y tipo 50& con el ob)eti!o de formar un campo eléctrico& positi!o en una parte y negati!o en otra. 6sí& cuando la luz solar incide sobre la célula y se liberan electrones& éstos pueden ser atrapados por el campo eléctrico más fácilmente& y formar así una corriente eléctrica.
En la actualidad& la mayoría de las células solares están construidas utilizando como material semiconductor el silicio& en sus formas mono o policristalina. -as células solares de silicio monocristalino se fabrican a partir de secciones cortadas o e,traídas de una barra de silicio perfectamente cristalizado de una sola pieza& y que permiten alcanzar rendimientos del "78 en ensayos de laboratorio y del $98 para células de paneles fabricados comercialmente. 2or el contrario& para obtener células solares de silicio puro del tipo policristalino el proceso de cristalización del silicio es diferente. En este caso se parte de secciones cortadas de una barra de silicio que se +a estructurado desordenadamente en forma de peque'os cristales. *on más baratas de fabricar y se reconocen !isualmente por presentar su superficie un aspecto granulado. -os rendimientos obtenidos son inferiores& alcanzándose del orden del "#8 en ensayos de laboratorio y del $78 en módulos comerciales. En consecuencia& los módulos solares foto!oltaicos fabricados con células de silicio monocristalino ofrecen una mayor potencia nominal que los de silicio policristalino. Esto es debido principalmente a las me)ores propiedades que ofrece el silicio monocristalino& un material muy uniforme& frente a la falta de uniformidad que presentan los límites de grano del silicio policristalino.
6demás& otro aspecto importante es la te,tura final en la superficie que presentan las células monocristalinas& de mayor calidad y con me)ores propiedades antirrefle,i!as que permiten me)orar las prestaciones del módulo.
Capítulo # $r%uitectura del sistema :na instalación foto!oltaica para !i!ienda está destinada a satisfacer las necesidades de consumo propio de electricidad& y consta de un esquema de instalación cuyos componentes principales se muestran en la figura siguiente.
Paneles o módulos solares: son los encargados de captar la radiación solar y
transformarla en electricidad& generando una corriente continua /440& también llamada corriente directa /;40. El n(mero de paneles quedará determinado por la potencia que se necesita suministrar& y su disposición y forma de cone,ionado /en serie o en paralelo0& será en función de la tensión nominal de suministro y la intensidad de corriente que se desee generar.
Regulador o controlador de carga: encargado de controlar la carga de las
baterías o acumuladores solares que reciben la corriente desde los módulos o paneles generadores& así como regular su descarga +acia el circuito de alimentación interior de la !i!ienda& e!itando además que se produzcan cargas o descargas e,cesi!as del con)unto de baterías. Acumuladores o baterías: permiten el almacenamiento de la energía que se
produce durante el día con la radiación solar para ser utilizada en la noc+e o durante periodos prolongados de mal tiempo o con poca radiación solar. 6demás el uso de baterías permite poder inyectar una intensidad de corriente superior a la que los propios paneles solares puedan entregar& si la instalación interior de la !i!ienda lo requiere.
Inversor o convertidor !"A!: dispositi!o que permite la con!ersión de la
corriente continua /;40 generada en los paneles foto!oltaicos en corriente alterna /640 para que pueda ser empleada por los receptores y electrodomésticos utilizados en la !i!ienda. En la figura siguiente se representan de una manera esquemática la disposición en la !i!ienda de los principales componentes que conforman la instalación de un
sistema solar foto!oltaico aislado de red /
Capítulo & Componentes del sistema
#ódulos $otovoltaicos:
-os módulos o paneles foto!oltaicos están formados por la intercone,ión de células solares dispuestas en serie y>o en paralelo de manera que la tensión y corriente que finalmente proporcione el panel se a)usta al !alor requerido.
-a cone,ión entre células puede ir en serie y>o en paralelo& para adaptar el panel a los ni!eles de tensión y corriente requeridos. 4ada célula de las que compone un panel foto!oltaico es capaz de ofrecer una tensión del orden de #&? !oltios y una potencia eléctrica alrededor de los @ watios& aunque este !alor dependerá de la superficie que mida la célula. ;e esta manera& la potencia que pueda ofrecer un módulo dependerá del n(mero de células que posea& estando dise'ado para el suministro eléctrico en corriente continua /440& también llamada corriente directa /;40& a un determinado !olta)e /normalmente $" ó "7 A0. -a tensión e intensidad de corriente que es capaz de ofrecer un panel foto!oltaico dependerá del n(mero de células que disponga y el tipo de cone,ión entre células. 4omo norma general& los paneles solares se fabrican disponiendo primero en serie a las células solares +asta que se alcance la tensión que se desee a la salida del panel /normalmente $" ó "7 A0& y a continuación& estos ramales de células en serie se asocian en paralelo +asta alcanzar el ni!el de intensidad de corriente eléctrica deseado. 6l sistema completo formado por el con)unto de módulos o paneles foto!oltaicos ya cone,ionados en serie y>o en paralelo se le suele denominar generador foto!oltaico.
4on el fin de poder ofrecer la potencia eléctrica deseada& así como de la tensión e intensidad de corriente a la salida del generador foto!oltaico& los distintos módulos o paneles serán distribuidos en serie y>o en paralelo& seg(n con!enga. :n panel o módulo foto!oltaico se construye conectando las células solares unas con otras& encapsuladas y montadas sobre una estructura soporte o marco& conformando todo el con)unto el llamado módulo foto!oltaico.
;e acuerdo a la figura anterior& los elementos que componen un módulo foto!oltaico son los siguientes1 -
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:na cubierta e,terior transparente realizado en !idrio templado de unos @ ó 7 mm de espesor& con su cara e,terior te,turada de modo que me)ore el rendimiento cuando la radiación solar ocurra a ba)o ángulo de incidencia& así como para absorber me)or la radiación solar difusa del ambiente. :n material de relleno interior& que funciona de encapsulante& +ec+o a base de !inilo de acetato etileno /EA60& que sir!e para recubrir las células foto!oltaicas dentro del módulo& protegiéndolas de la entrada de aire o +umedad& y e!itando así que se produzca la o,idación del silicio que conforma las células& dado que de producirse de)arían de funcionar. :na cubierta posterior realizada normalmente a base de fluoruro de poli!inilo /2AB0& que además de sus propiedades como aislante dieléctrico& ofrece gran resistencia a la radiación ultra!ioleta& contribuyendo a ser!ir de barrera a la entrada de +umedad y ofreciendo una gran ad+esión al material del que está +ec+o el encapsulante interior.
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-as propias células fotoeléctricas o foto!oltaicas& generadoras de la corriente eléctrica.
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Elementos de cone,ión eléctrica entre células& para establecer el circuito eléctrico.
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:na ca)a estanca de cone,iones& dotada de bornes de cone,ión normalizados y con grado de protección C29?& de donde parte el cableado e,terior del módulo para su cone,ión con otros módulos que conforman el sistema completo de generación foto!oltaica. En dic+a ca)a se incluyen los diodos de protección cuya misión es la de reducir la posibilidad de pérdida de energía debido a un mal funcionamiento por sombreados parciales de paneles y de e!itar la rotura del circuito eléctrico por este efecto. Esto es así porque cuando se produce una sombra parcial sobre un panel& éste de)a de generar corriente y se con!ierte en absorbedor de energía& lo que produciría un recalentamiento e,cesi!o del mismo que podría da'arlo. El marco estructural realizado generalmente en aluminio anodizado que ofrece resistencia mecánica y soporte al con)unto. *e deberá comprobar en las especificaciones del fabricante del módulo& su resistencia mecánica frente al !iento y frente a cargas de nie!e& de manera que el con)unto se adecue a las condiciones ambientales del lugar donde se instalen.
-as prestaciones de los módulos que aparecen en la información técnica que proporciona cualquier fabricante están obtenidas sometiendo a los módulos a unas 4ondiciones Estándar de Dedida /4ED0 de irradiancia y temperatura& que son siempre las mismas y son utilizadas uni!ersalmente para caracterizar células& módulos y generadores solares. Estas condiciones son las siguientes1 Crradiancia solar1 $### >m" ;istribución espectral1 6D $&? emperatura de célula1 "? F4 5o obstante& las condiciones reales de operación de los módulos una !ez instalados& serán distintas a las estándares anteriores& por lo que +abrá que aplicar los correspondientes coeficientes correctores a los procedimientos de cálculos que se realicen. 4omo se indican en las gráficas siguientes donde se define el funcionamiento de un módulo foto!oltaico& el !alor de corriente generado por el módulo crece con la intensidad de radiación solar& mientras que la tensión que ofrece cae conforme aumenta la temperatura alcanzada en las células del módulo.
4uando se +abla de temperatura alcanzada en las células del módulo& se entiende que es la temperatura que tiene la superficie del panel foto!oltaico& que e!identemente no tiene que ser igual a la del ambiente& puesto que la superficie del módulo se calienta por la radiación solar que recibe. :n módulo foto!oltaico suele traba)ar dentro de un rango determinado de !alores de intensidad y !olta)e& dependiendo de la intensidad de radiación solar recibida& de la temperatura alcanzada en su superficie o el !alor de la carga eléctrica que alimenta. En la siguiente gráfica se representa esquemáticamente en línea continua la cur!a intensidad=tensión /C=A0 de un módulo foto!oltaico cualquiera& mientras que en línea discontinua se representa la potencia entregada por el módulo& para dos situaciones de traba)o /6 y G0 distintas.
;e la gráfica anterior se obser!a que se debe +acer traba)ar a todo módulo foto!oltaico en el rango de la tensión de má,ima potencia& para así obtener su me)or rendimiento. En resumen& en función de la radiación solar& la temperatura de las células del módulo /que dependerá a su !ez de la temperatura ambiente& +umedad& !elocidad del !iento& material de fabricación del módulo& etc.0 y de la carga eléctrica que alimente& el módulo foto!oltaico generará una determinada
intensidad de corriente / I 0 a una determinada tensión /V 0& y cuyo producto /V·I 0 marcará la potencia eléctrica / P 0 generada por el módulo. 6 continuación& se incluye la fic+a de especificaciones técnicas del modelo de módulo foto!oltaico que se +a seleccionado para la realización& a modo de e)emplo& de la instalación solar de la !i!ienda ob)eto de este tutorial. -os datos técnicos siguientes +an sido suministrados por la casa comercial que distribuye los módulos foto!oltaicos seleccionados.
2ara entender me)or los parámetros incluidos en la anterior o en general& en cualquier fic+a de características técnicas de un módulo foto!oltaico& se e,ponen algunas definiciones técnicas para su me)or comprensión1 -
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2otencia nominal o má,ima / P MÁX 01 es también conocida como potencia pico del panel. Es el !alor má,imo de potencia que puede entregar el panel& y se obtiene del producto de la tensión por la corriente de salida del panel. 2ara el módulo seleccionado C*B="??& el !alor de P MÁX = 255 W /4ED0. ensión en circuito abierto /V OC 01 es el !alor má,imo de !olta)e que se mediría en el panel o módulo si no +ubiese paso de corriente entre los bornes del mismo /intensidad de cero amperios0. 2ara el módulo seleccionado C*B="??& el !alor de V OC = 37,9 V /4ED0.
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Cntensidad de cortocircuito / I SC 01 es la má,ima intensidad que se puede obtener del panel foto!oltaico /tensión de salida cero !oltios0. 2ara el módulo seleccionado C*B="??& el !alor de I SC = 8,86 A /4ED0. ensión en el punto de má,ima potencia / V M ó V MÁX 01 es el !alor de la tensión en el punto de má,ima potencia o potencia pico& que suele ser el #8 de la de !acío. ambién se suele representar como V MP . 2ara el módulo seleccionado C*B="??& el !alor de V MP = 30,9 V /4ED0. Cntensidad de corriente má,ima / I M ó I MÁX 01 es el !alor de la corriente en el punto de má,ima potencia o potencia pico. ambién se suele representar como I MP . 2ara el módulo seleccionado C*B="??& el !alor de I MP = 8,27 A /4ED0. Regulador de carga:
:n regulador de carga& cuyo emplazamiento se indica con la letra G en la figura siguiente que se ad)unta& es un equipo encargado de controlar y regular el paso de corriente eléctrica desde los módulos foto!oltaicos +acia las baterías. 2or tanto& un regulador funciona como si fuera un cargador de baterías& e!itando además que se produzcan sobrecargas peligrosas y a la !ez limitan la tensión de las baterías a unos !alores adecuados para su funcionamiento.
;e este modo& un regulador de carga se encarga de controlar la forma de realizar la carga de las baterías cuando los paneles solares están recibiendo radiación solar e!itando que se produzcan cargas e,cesi!as. I también a la in!ersa& esto es& durante el proceso de descarga de las baterías destinado al consumo de electricidad en la !i!ienda& el regulador e!ita igualmente que se produzcan descargas e,cesi!as que puedan da'ar la !ida de las baterías. ;e un modo sencillo& un regulador se puede entender como un interruptor colocado en serie entre paneles y baterías& que está cerrado y conectado para el proceso de carga de las baterías& y abierto cuando las baterías están totalmente cargadas. En la actualidad& la mayoría de los reguladores de carga disponen de una función que permite ma,imizar la energía capturada por el generador foto!oltaico
mediante el uso de una tecnología específica de seguimiento y b(squeda del punto de má,ima potencia de funcionamiento del generador /D22& Da,imum 2ower 2oint0& también llamado D22=trac3ing ó D22 /del inglés& trac31 seguir& rastrear0. ;urante el dise'o de una instalación& el regulador de carga se seleccionará para que sea capaz de resistir sin da'os unos !alores de tensión nominal e intensidad má,imos de acuerdo a la configuración del sistema de generadores foto!oltaicos instalados. 6sí& éste deberá estar dimensionado para soportar la intensidad má,ima de corriente generada en el sistema& tanto en la línea de entrada al regulador procedente de los generadores foto!oltaicos& como en la línea de salida +acia las cargas que alimenta.
En este sentido& la corriente má,ima pre!ista por la línea de entrada al regulador desde los generadores foto!oltaicos es la correspondiente a la corriente de cortocircuito / I SC 0 del generador foto!oltaico& más un margen de seguridad /generalmente un "?80& para tener en cuenta los posibles picos de irradiancia o los cambios de temperatura. 2or otro lado& la corriente má,ima pre!ista por la línea de salida !endrá establecida por el consumo de las cargas del sistema /aparatos eléctricos& electrodomésticos& etc.0 también incrementada en un "?8 / I !"#$!0. -a elección del regulador adecuado será aquel que soporte la mayor de las dos anteriores corrientes eléctricas& como se !erá más adelante en este tutorial durante el procedimiento de dise'o de una instalación a modo de e)emplo. ambién& todo regulador de carga actuará interrumpiendo el suministro de electricidad desde las baterías de acumulación +acia la instalación interior de la !i!ienda cuando el !olta)e de las baterías quede por deba)o del umbral de funcionamiento& con ob)eto de e!itar su descarga total que pueda pro!ocar da'os en las baterías. Cgualmente& durante los periodos de insolación donde los paneles solares están generando electricidad y el !olta)e de las baterías llegue a un !alor límite má,imo& el regulador interrumpirá la cone,ión entre los módulos foto!oltaicos y las baterías& o bien actuará reduciendo gradualmente la corriente media entregada por los paneles.
2or lo tanto& a la +ora de seleccionar el regulador más idóneo& se deberá tener en cuenta que la tensión de descone,ión de la carga de consumo del regulador deberá elegirse para que la interrupción del suministro de electricidad a las cargas se produzca cuando la batería +aya alcanzado la profundidad má,ima de descarga permitida& seg(n indique las especificaciones del fabricante de la batería. 6simismo& todo regulador de corriente instalado deberá estar con!enientemente protegido frente a cortocircuitos que se produzcan en la línea de consumo de la !i!ienda& además de contra la posibilidad de poder producirse una descone,ión accidental de la batería mientras los paneles están generando energía. -as caídas internas de tensión del regulador entre sus terminales de generador y acumulador serán inferiores al 78 de la tensión nominal /#&? A para $" A de tensión nominal0& para sistemas de menos de $ 3& y del "8 de la tensión nominal para sistemas mayores de $ 3& incluyendo los terminales. 6simismo& las caídas internas de tensión del regulador entre sus terminales de batería y consumo serán inferiores al 78 de la tensión nominal /#&? A para$" A de tensión nominal0& para sistemas de menos de $ 3& y del " 8 de la tensión nominal para sistemas mayores de $ 3& incluyendo igualmente los terminales. En todo caso& las pérdidas de energía diarias causadas por el autoconsumo del regulador en condiciones normales de operación deberán ser siempre inferiores al @ 8 del consumo diario de energía. 2or (ltimo& indicar que todo regulador que se emplee en la instalación deberá estar etiquetado con al menos la siguiente información1 -
ensión nominal /A0
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4orriente má,ima /60
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Babricante /nombre o logotipo0 y n(mero de serie
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2olaridad de terminales y cone,iones
%aterías o sistemas acumuladores solares:
-as baterías& también llamado acumuladores solares o foto!oltaicos& se utilizan para almacenar la energía eléctrica generada por el sistema de generadores foto!oltaicos& con ob)eto de disponer de ella en periodos nocturnos o en aquellas +oras del día que no luzca el sol. 5o obstante& también pueden desempe'ar otras funciones& como elementos que sir!en para estabilizar el !olta)e y la corriente de suministro& o para inyectar picos de corriente en determinados momentos& tales como en el arranque de motores.
-as baterías se componen básicamente de dos electrodos que se encuentran sumergidos en un medio electrolítico. -os tipos de baterías más recomendadas para uso en instalaciones foto!oltaicas son las de tipo estacionarias de plomo ácido y de placa tubular& compuestas de un con)unto de !asos electroquímicos interconectados de "A cada uno& que se dispondrán en serie y>o paralelo para completar los $"& "7 ó 7 A de tensión de suministro y la capacidad de corriente en continua que sea adecuado en cada caso. eneralmente a la asociación eléctrica de un con)unto de baterías se le suele llamar sistema acumulador o simplemente acumulador. En la siguiente tabla se indica el ni!el del !olta)e del módulo foto!oltaico en función de las necesidades de consumo de potencia que se demande en la !i!ienda. Potencia demandada (en W)
Tensión de trabajo del sistema fotovoltaico (en V)
< de 1500 W
12V
Entre 1500 W y 5000 W
2V ó !V
" 5000 W
120V ó #00V
abla $. ensión de traba)o del sistema foto!oltaico
-a capacidad de una batería se mide en amperios=+ora /6+0& unidad de carga eléctrica que indica la cantidad de carga eléctrica que pasa por los terminales de una batería. Cndica la cantidad de electricidad que puede almacenar durante la carga la batería& para después de!ol!erla durante su descarga. 5o obstante& el tiempo in!ertido en la descarga de la batería influye de manera decisi!a en su capacidad de almacena)e. ;e esta forma& conforme más rápido se realice la descarga de la batería su capacidad de suministro disminuye& debido a que más energía se pierde por la resistencia interna& y a la in!ersa& conforme el tiempo de descarga aumenta y se realiza de forma más lenta& entonces la capacidad de la batería aumenta. 2or ello& al depender la capacidad de una batería del tiempo in!ertido en su descarga& éste !alor se suele suministrar referido a un tiempo estándar de descarga /$# ó "# +oras0& y para un !olta)e final determinado.
6 continuación& se indicarán las definiciones y comentarios sobre los parámetros más importantes que definen a las baterías o acumuladores solares. -
Bactor de rendimiento de la batería1 parámetro que se define como el cociente entre el !alor de los amperios=+ora que realmente se puede descargar de la batería di!idido por el !alor de los amperios=+ora empleados en su carga.
- 6utodescarga1 es la pérdida de carga de la batería cuando ésta permanece
en circuito abierto. Habitualmente se e,presa como porcenta)e de la capacidad nominal& medida durante un mes& y a una temperatura de "#F4. En general& los !alores de autodescarga de las baterías empleadas no e,cederá del 98 de su capacidad nominal por mes.
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4apacidad nominal& 4"# /6+01 es la cantidad de carga eléctrica que es posible e,traer de una batería en "# +oras& medida a una temperatura de "# F4& +asta que la tensión entre sus terminales llegue a $& A>!aso. Régimen de carga /o descarga01 es un parámetro que relaciona la capacidad nominal de la batería y el !alor de la corriente a la cual se realiza la carga /o la descarga0. *e e,presa normalmente en +oras& y se representa como un subíndice en el símbolo de la capacidad y de la corriente a la cual se realiza la carga /o la descarga0. 2or e)emplo& si una batería de $## 6+ se descarga en "# +oras a una corriente de ? 6& se dice que el régimen de descarga es "# +oras /4"# J $## 6+0 y la corriente se e,presa como C"# J ? 6. 2rofundidad de descarga /2; ó ;<;01 se define como el cociente entre la carga e,traída de una batería y su capacidad nominal& e,presándose normalmente en 8. 2rofundidad de descarga má,ima /2;má,01 en este caso se define como el ni!el má,imo de descarga que se le permite a la batería antes que se produzca la descone,ión del regulador& con ob)eto de proteger la durabilidad de la misma. -as profundidades de descarga má,imas que se suelen considerar para un ciclo diario /profundidad de descarga má,ima diaria0 están en torno al $?="?8. 2ara el caso de un ciclo estacional& que es el n(mero má,imo de días que podrá estar una batería descargándose sin recibir los módulos radiación solar suficiente& está en torno a los 7=$# días y un profundidad de descarga del %?8 apro,imadamente. En todo caso& para instalaciones foto!oltaicas no se recomiendan descargas agresi!as& sino más bien progresi!as& por lo que las baterías a utilizar suelen ser con descarga de $## +oras /4$##0& pues cuanto más intensa y rápida es la descarga de una batería& menos energía es capaz de suministrarnos.
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4apacidad (til1 es la capacidad disponible o utilizable de la batería y se define como el producto de la capacidad nominal por la profundidad má,ima de descarga permitida. Estado de carga1 se define como el cociente entre la capacidad residual de una batería& en general parcialmente descargada& y su capacidad nominal.
En la mayoría de las ocasiones& los sistemas de acumulación de energía estarán formado por asociaciones de baterías& que estarán conectadas en serie o en paralelo& para satisfacer las necesidades& bien de tensión& o bien de capacidad que sean demandadas. Dediante las asociaciones en serie de baterías se consigue aumentar el !olta)e final respecto a la tensión de ser!icio que cada batería por sí sola puede ofrecer. En el cone,ionado en serie de !arias baterías se debe conectar el borne negati!o de cada batería con el positi!o de la siguiente& y así sucesi!amente. -a tensión o !olta)e que proporciona el con)unto es igual a la suma de las tensiones de cada una de las baterías indi!iduales. 2or el contrario& mediante las asociaciones en paralelo de baterías se consigue aumentar la capacidad de suministro del con)unto& es decir& su autonomía& sumando las capacidades nominales de cada batería y manteniendo el mismo !olta)e de cada batería indi!idual.
En otro orden de cosas& la capacidad nominal de los sistemas acumuladores empleados /medido en 6+0 no e,cederá en "? !eces la corriente /en 60 de cortocircuito en 4ED del generador foto!oltaico seleccionado. -a !ida de un acumulador o batería& definida como la correspondiente +asta que la capacidad residual caiga por deba)o del # 8 de su capacidad nominal& deberá ser superior a $### ciclos& cuando se descarga el acumulador +asta una profundidad del ?# 8 a "# F4. 6unque siempre se seguirán las recomendaciones de los fabricantes& durante la instalación de un sistema acumulador solar se deberá asegurar que1 -
el acumulador solar o baterías se sit(en en lugares !entilados y de acceso restringidoK
-
se adoptarán las medidas de protección necesarias para e!itar el cortocircuito accidental de los terminales del acumulador& por e)emplo& mediante cubiertas aislantes.
oda batería empleada en los sistemas acumuladores solares deberá estar etiquetada& al menos& con la siguiente información1 -
ensión nominal /A0
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2olaridad de los terminales
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4apacidad nominal /6+0K
-
Babricante /nombre o logotipo0 y n(mero de serie.
Inversor o !onvertidor !"A!:
El con!ertidor de corriente ;4>64& también llamado in!ersor u ondulador& es un dispositi!o electrónico de potencia encargado de con!ertir la corriente continua /;40 pro!eniente de los generadores foto!oltaicos en corriente alterna /640 para su consumo en la !i!ienda. 6demás& este dispositi!o sincroniza la frecuencia de la corriente inyectada con la de la red& adaptándola a las condiciones requeridas seg(n el tipo de carga& y garantizando así la calidad de la energía !ertida en la instalación eléctrica de la !i!ienda.
-os in!ersores !ienen caracterizados principalmente por la tensión de entrada desde las baterías& la potencia má,ima que puede proporcionar y su eficiencia o rendimiento de potencia.
Este (ltimo se define como la relación entre la potencia eléctrica que el in!ersor entrega para su uso /potencia de salida0 y la potencia eléctrica que e,trae del sistema de baterías o de los generadores foto!oltaicos /potencia de entrada0. En general& los in!ersores en las instalaciones foto!oltaicas deberán cumplir las siguientes e,igencias1 -
;eberán ofrecer una eficiencia lo más alta posible que minimice las pérdidas. El rendimiento de potencia de los in!ersores /cociente entre la potencia acti!a de salida y la potencia acti!a de entrada0& oscila entre el L#8 y el L%8. El !alor del rendimiento depende muc+o de la potencia de entrada& que deberá ser lo más cercana& o incluso tratar que sea igual a la nominal de funcionamiento del in!ersor& dado que si !aría muc+o entonces el rendimiento del in!ersor disminuye sensiblemente.
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Estar adecuadamente protegidos contra cortocircuitos y sobrecargas& como más adelante se !erá.
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;isponer de elementos que incorporen el rearme y descone,ión automática del in!ersor.
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2oder admitir demandas instantáneas de potencia mayores del $?#8 de su potencia má,ima o nominal& con ob)eto de +acer frente a los picos de arranque que originan muc+os electrodomésticos& como frigoríficos& la!adoras& etc.& que !an a demandar mayor potencia que la nominal en el momento de su puesta en marc+a o arranque de sus motores.
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;isponer de aislamiento gal!ánico.
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;isponer de sistema de medida y monitorización.
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Cncorporar controles manuales que permitan el encendido y apagado general del in!ersor& y su cone,ión y descone,ión a la interfaz 64 de la instalación.
En cuanto a las protecciones eléctricas que deben incorporar en sus funciones los in!ersores de corriente& éstas deberán ser las siguientes1 -
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2rotección contra sobrecargas y cortocircuitos& que permitirá detectar posibles fallos producidos en los terminales de entrada o salida del in!ersor. 2rotección contra calentamiento e,cesi!o& que permitirá desconectar el in!ersor si la temperatura del in!ersor sobrepasa un determinado !alor umbral& y mantenerse desconectado +asta que el equipo no alcance una temperatura inferior preestablecida.
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2rotección de funcionamiento modo isla& que desconectará el in!ersor en caso que los !alores de tensión y frecuencia de red queden fuera de unos !alores umbrales que permitan un funcionamiento correcto.
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2rotección de aislamiento& que detecta posibles fallos de aislamiento en el in!ersor.
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2rotección contra in!ersión de polaridad& que permite proteger el in!ersor contra posibles cambios en la polaridad desde los paneles foto!oltaicos.
2or (ltimo& la en!ol!ente o carcasa que protege el dispositi!o in!ersor ofrecerá un grado de aislamiento de tipo básico clase $ y un grado de protección mínima C2"# para aquellos in!ersores instalados en el interior de edificios y sean lugares inaccesibles& de C2@# para in!ersores situados en el interior de edificios y lugares accesibles& y con grado de protección mínima de C29? para in!ersores instalados a la intemperie.
!ableado:
-os sistemas foto!oltaicos& como toda instalación que queda e,puesta permanente al aire libre& deberán estar dise'ados para resistir las duras inclemencias meteorológicas /temperaturas ambientales e,tremas& radiación solar ultra!ioleta& +umedad& llu!ia& resistencia a los impactos...0 que condicionan la calidad de los materiales empleados. Hasta +ace relati!amente poco& y debido a la falta de normalización al respecto& se utilizaba para el cableado y cone,ionado entre los paneles& de éstos con la ca)a del regulador de carga y de aquí a la instalación interior& cables eléctricos del tipo RA=M& muy comunes en cualquier otra instalación eléctrica& pero que para los usos en instalaciones foto!oltaicas ofrecen características limitadas. En efecto& el polietileno reticulado de la cubierta de los cables tipo RA=M es un material adecuado para aislamientos de cables eléctricos con!encionales& pero para aplicaciones más e,igentes& como el caso de las instalaciones foto!oltaicas& e,isten actualmente otros materiales también reticulados pero con características muy me)oradas& idóneos para estas aplicaciones. ;e este modo& para el uso específico en instalaciones foto!oltaicas& se recomienda emplear cables del tipo 2A NN=B& que están especialmente concebidos para aplicaciones foto!oltaicas.
-os cables 2A NN=B son cables unipolares con doble aislamiento& que tienen capacidad para transportar corriente continua de +asta $.## A de manera eficiente y con gran durabilidad en el tiempo. -os cables tipo 2A NN=B ofrecen gran resistencia térmica& además de una gran resistencia climática /rayos :A& frío& +umedadO0& que se comprueba mediante ensayos de resistencia a la intemperie. Este tipo de cables presenta también un e,celente comportamiento y resistencia al fuego& que se comprueba mediante ensayos específicos de incendio. -os materiales empleado para el aislamiento y la cubierta de este tipo de cables son de alta calidad& reticulados& de alta resistencia mecánica& resistentes también a la abrasión& fle,ibles y libres de +alógenos. 6simismo& el conductor interior de los cables 2A NN=B deberá estar esta'ado& confiriéndose así una mayor resistencia a una posible corrosión por o,idación. 6 continuación se indica el tipo y características del cable conductor que se suele emplear en los tramos en corriente continua de cualquier instalación foto!oltaica1 !ables $le&ibles ti'o P( ))*+ !onductor: 4obre electrolítico esta'ado& clase ? /fle,ible0 seg(n E5 9#"" Aislamiento: oma libre de +alógenos tipo EC9. !ubierta: oma ignifugada tipo ED& libre de +alógenos y con ba)a emisión de +umos y gases
corrosi!os en caso de incendio.
,mbala-e: ;isponible en rollos con film retractilado /longitudes de ?# y $## m0 y bobinas. .orma .acional",uro'ea: :5E=E5 9#@@"=$ > :5E=E5 ?#"9%=$ > :5E=E5 ?#"9%=" >
:5E=E5 9$#@7 > 5B4 @"=#%# /4"0
.orma Internacional: CE4 9#@@"=$ > CE4 9#%?7=$ > CE4 9#%?7=" > CE4 9$#@7 Otras características:
En una instalación foto!oltaica& los tramos de cables en corriente continua serán tramos compuestos de dos conductores acti!os /positi!o y negati!o0 más el conductor de protección. 2ara el cálculo de la sección / S 0 de conductores en corriente continua& como es éste el caso de las instalaciones foto!oltaicas& se empleará la siguiente formulación1 S =%2 · & · I' / %() · *' donde& S es la sección del conductor del cable en continua& en mm" & es la longitud del tramo de conductor que se esté considerando& en m I es la intensidad de corriente que circula por el conductor& en amperios /60 () es la caída de tensión má,ima permitida en el tramo& en !oltios /A0 * es la conducti!idad del conductor del cable /?9 4u K @? 6l0 En la tabla " siguiente se indican los porcenta)es de caída de tensión má,imas y recomendadas para cada tramo en una instalación foto!oltaica de uso directo1 abla ". 2orcenta)es de caída de tensión /80 ramo
Dá,ima
Recomendada
2aneles = Regulador
@8
$8
Regulador = 2unto de consumo
?8
@8
6 continuación& y a modo informati!o& se indican las secciones de cables más com(nmente empleadas en instalaciones foto!oltaicas de una casa comercial& con indicación de la intensidad má,ima del cable y su caída de tensión en ;41
4omo utilidad para el lector& también se incluye la tabla @ siguiente que contiene la correspondencia entre secciones de cables eléctricos para los calibres 6 /6merican ire auge0 usados en 6mérica y los mm" del *istema Détrico1 Tabla /0 Tabla de conversión A1G – mm 2 A1G mm2
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En todo caso& se recomienda que el cableado que se emplee cumpla con el reglamento electrotécnico de ba)a tensión que le sea de aplicación seg(n el país que corresponda de la instalación. Este cumplimiento con la normati!a legal en !igor es de aplicación en cualquiera de los tramos de la instalación& tanto en los tramos de continua /o corriente directa0 que abarca desde el generador foto!oltaico +asta su cone,ión con el in!ersor& como en los tramos de corriente alterna a partir de la salida del in!ersor +acia la instalación eléctrica interior de la !i!ienda. 4omo ya se indicó& los tramos de corriente continua serán tramos compuestos de dos conductores acti!os /positi!o y negati!o0 más el conductor de protección. 2or otro lado& los tramos de la instalación en corriente alterna que !an a alimentar la instalación interior de la !i!ienda& que será de tipo monofásica&
estarán compuestos de dos conductores& fase y neutro& más otro conductor adicional de protección. 2ara los tramos en corriente alterna& aguas aba)o del in!ersor& se emplearán cables conductores de cobre con doble capa de aislante en 2A4 y tensión nominal de aislamiento #&9>$ 3A. 6simismo& estos conductores irán alo)ados en el interior de conductos o tubos corrugados de 2A4 para su protección& que irán instalados sobre monta)e superficial en paredes y>o tec+os de la !i!ienda. *e ad)unta la siguiente tabla 7 e,traída del Reglamento Electrotécnico de Ga)a ensión& donde se indican las intensidades má,imas admisibles para los cables seg(n su sección y la naturaleza de su aislamiento.
4omo se +a indicado& los cables conductores irán alo)ados por el interior de tubos o conductos rígidos de 2A4 para su protección. ;ic+os tubos irán instalados en monta)e superficial sobre las paredes y tec+o de la !i!ienda. -os tubos deberán tener un diámetro tal que permitan un fácil alo)amiento y e,tracción de los cables alo)ados. 2ara la correcta elección del diámetro del tubo protector se utilizará la siguiente tabla. En ella se indican los diámetros e,teriores
mínimos de los tubos en función del n(mero y la sección de los conductores que se alo)an en su interior.
abla ?. ;iámetros e,teriores de tubos protectores
-a correcta elección de la sección del cable conductor es de suma importancia& dado que un mal cálculo podría suponer que la intensidad que circule por el cable sea superior a la admisible seg(n su sección& lo que se traduciría en un calentamiento e,cesi!o del cable que podría da'ar su aislamiento y por tanto afectar a la durabilidad del cable& y en caso e,tremo& en incurrir en un peligro real de incendio. -a determinación reglamentaria de la sección de un cable consiste en calcular la sección mínima normalizada que satisfaga simultáneamente las dos condiciones siguientes1 -
-
4riterio térmico1 esta condición establece que la intensidad que circule por el cable sea inferior a la má,ima intensidad admisible& seg(n su sección. -a intensidad admisible de cada cable conductor se pueden consultar en tablas /!er como e)emplo la tabla 7 anterior0& en función de la sección& tipo de aislamiento y temperatura del cable. 2or caída de tensión má,ima permitida en los conductores1 mediante este criterio se limita las pérdidas por caída de tensión en el cable. En este sentido& seg(n se indica en el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;E6& para los conductores de la instalación donde circule corriente continua /directa0 la má,ima caída de tensión permitida será del $&?8.
-as e,presiones y fórmulas que proporcionan la manera de calcular las secciones mínimas que +an de tener los cables eléctricos en cada tramo de la instalación se indican en el capítulo ? de este tutorial.
Protecciones:
*e tratará en este tutorial sólo de las protecciones necesarias para instalar en la parte continua de la instalación foto!oltaica& situada antes del in!ersor& de manera que se detecte y elimine cualquier incidente en la misma& garantizando así la protección de los equipos conectados y de las personas. 6demás de las protecciones integradas en el in!ersor& +abrá que incluir los dispositi!os de protección necesarios que realicen las siguientes labores de protecciones eléctricas1 2rotección contra sobrecargas 2rotección contra cortocircuitos 2rotección contra sobretensiones
-
2rotección contra sobrecargas1
:na sobrecarga ocurre cuando e,iste un !alor e,cesi!o de intensidad ocasionado por un defecto de aislamiento& una a!ería o una demanda e,cesi!a de carga. :na sobrecarga en los cables genera un calentamiento e,cesi!o de los mismos& lo que pro!oca su da'o prematuro& reduciendo su !ida (til. 6demás& una sobrecarga que se prolongue en el tiempo y no sea solucionada& puede terminar ocasionando un cortocircuito en la instalación. -os dispositi!os de protección contra sobrecargas podrán ser& bien un interruptor automático de corte omnipolar con cur!a térmica de corte& o un fusible. En el cálculo de la instalación& ob)eto de este tutorial& se +a escogido un fusible como elemento de protección. 2ero en general& los dispositi!os que se empleen para la protección de la instalación contra sobrecargas& deberán cumplir las siguientes dos condiciones1 +'
I - I. - I!$
siendo& I& la intensidad de dise'o del circuito& seg(n la pre!isión de cargas. I.& la intensidad nominal del interruptor& es decir& el calibre asignado. I!$& es la má,ima intensidad admisible del cable conductor.
2'
Ic$ - +,5· I!$
siendo& Ic$ & la intensidad de a)uste /descone,ión0 del interruptor y que asegura el funcionamiento efecti!o del dispositi!o de protección. En fusibles es la intensidad de fusión / I1 0 en ? segundos. 4omo en este caso se !a a emplear fusibles como elementos de protección contra sobrecargas de corriente& además se cumple que Ic$ = I1 y en este caso& también que I1 = +,60·I. 2or lo que la anterior relación& para el caso de fusibles como elemento de protección& quedaría como sigue1 I - I. - 0,9·I!$ :n fusible consiste fundamentalmente en un alambre o tira metálica inserta en el circuito de corriente que al rebasarse cierta intensidad se funde& pro!ocando la descone,ión y protegiendo así al circuito. 2or lo tanto& es importante recordar que todo fusible +abrá que reponerlo después de cada cortocircuito que se produzca en la instalación.
-a intensidad nominal de un fusible es el !alor de la intensidad de corriente continua que puede soportar indefinidamente. 4omo criterio general un fusible es capaz de despe)ar una falta de intensidad ? !eces la nominal en un tiempo de #&$ s. 6 la +ora de seleccionar el fusible se deberá tener en cuenta los siguientes factores1
-
ensión nominal /V.0 del fusible& que deberá ser mayor o igual que la tensión de operación de la línea donde se instale. -a intensidad nominal / I.0 del fusible deberá ser mayor o igual que la má,ima corriente esperada en la línea donde se instale. -a intensidad de actuación o ruptura del fusible actuará en un tiempo inferior a #&$ s. Pue la intensidad de cortocircuito má,ima que pueda soportar el fusible sea mayor que la má,ima intensidad de cortocircuito esperada en el punto de la línea donde se instale el fusible. 2rotección contra cortocircuitos1
El origen para que se produzca un cortocircuito suele estar en una cone,ión incorrecta o en un defecto de aislamiento. odo equipo de protección empleado para limitar la incidencia de un cortocircuito deberá cumplir con las siguientes dos condiciones1 $0 I 2 · - I c siendo& I la intensidad de disparo es el tiempo de despe)e /al producto I 2 · se le suele llamar energía de paso0 I c es la má,ima intensidad de cortocircuito soportada por el cable& siendo su !alor I c = 42 · S 2& donde 4 es un !alor de corrección del material del cable conductor /$$? para conductor de cobre aislado con 2A4K $7@ para conductor de cobre aislado con Q-2E ó E2R y L7 para conductores de aluminio0& y S es la sección del conductor en mm". 2' P$C I c, siendo& P$C el poder de corte del dispositi!o de protección I c, es la má,ima intensidad de cortocircuito pre!ista en el punto de instalación. En todo caso& para que la protección contra cortocircuitos sea eficaz& se debe cumplir que el tiempo de corte de toda corriente de cortocircuito que se produzca en un punto cualquiera de la instalación& no debe ser superior al tiempo que los conductores tardan en alcanzar su temperatura límite admisible.
-
2rotección contra sobretensiones1
eneralmente& una sobretensión en una instalación foto!oltaica para autoconsumo tiene su origen en descargas atmosféricas /rayos0 que se realizan sobre las partes altas de la estructura metálica que soporta los paneles. -a protección contra estos fenómenos se realiza con unos aparatos llamados auto!ál!ulas o pararrayos. Realmente son unos descargadores de corriente que ofrecen una resistencia de tipo in!ersa& fabricada con ó,ido de zinc /Nn<0 ó carburo de silicio /*i40& cuyo !alor disminuye al aumentar la tensión que se aplica sobre ella. Estos aparatos deberán colocarse lo más cerca posible del equipo a proteger& para que pueda deri!ar a tierra el e,ceso de tensión originado por la descarga de un rayo& de manera que absorba las sobretensiones que se puedan producir en la instalación y e!itando así la perforación de los aislamientos.
Capítulo ' (atos de partida para el diseño
,m'lazamiento de la instalación:
En este tutorial& y para comprender me)or el proceso de dise'o de una instalación foto!oltaica que genere la energía eléctrica para consumo de una !i!ienda& se !a a seguir un e)emplo de cálculo concreto aplicado a una casa rural. -a !i!ienda donde se pretende realizar la instalación solar foto!oltaica para el autoconsumo eléctrico& se emplaza en un terreno agrícola aislado& situado en el término municipal de 6ra+al /pro!incia de *e!illa& Espa'a0& seg(n lo definen las siguientes coordenadas1 4oordenadas eográficas /;D*01 @% $7S $SS 5orte& ? @"S @@SS
is'osición de los módulos $otovoltaicos:
-a disposición de los módulos foto!oltaicos& definido por su orientación e inclinación& repercute de manera decisi!a en su rendimiento. -o ideal es emplear módulos con seguidor que permite en todo momento orientar los paneles foto!oltaicos +acia el sol& lo que garantiza el má,imo uso de la radiación solar. *e estima en un 7#8 el incremento de la potencia entregada por aquellos módulos que emplean un sistema de seguimiento respecto a aquellos dise'os que emplean paneles fi)os. 5o obstante& en este tutorial se +ará uso de módulos solares fi)os& muc+o más económicos y simples de instalar& para lo cual +abrá que definir su orientación e inclinación para que resulte el dise'o lo más eficiente posible. -a !i!ienda dispone como tec+o una azotea o cubierta plana transitable& lo que permite dotar a los módulos de la orientación e inclinación que más con!enga& con sólo emplear estructuras au,iliares con el dise'o adecuado donde apoyar los paneles foto!oltaicos. -a orientación de los paneles solares será tal que éstos se dispongan siempre TmirandoU +acia el ecuador terrestre. Esto supone orientación sur para aquellas instalaciones situadas en el +emisferio norte terrestre& y orientadas +acia el norte para las instalaciones situadas en el +emisferio sur. 5o obstante& son admisibles unas des!iaciones de +asta V"# respecto del ecuador del obser!ador sin que se produzcan grandes pérdidas de rendimiento. En concreto& para las instalaciones que se sit(en en el +emisferio norte& como es el caso de estudio de este tutorial& la orientación se define por el ángulo llamado
azimut /0& que es el ángulo que forma la proyección sobre el plano +orizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano /orientación sur0 del lugar. oma el !alor # para módulos orientados al sur& =L# para módulos orientados al este& WL# para módulos orientados al oeste.
2or otro lado& el ángulo de inclinación /X0 es aquel que forma la superficie del módulo con el plano +orizontal& tal como se !e en la figura anterior. *u !alor es # para módulos +orizontales y L# si son !erticales. El !alor de la inclinación de los paneles solares con respecto a la +orizontal& cuando se pretende que la instalación se use todo el a'o con un rendimiento aceptable& coincide apro,imadamente con la latitud del lugar donde se instale. *i la instalación se usa principalmente en in!ierno& entonces la inclinación óptima de los módulos sería la obtenida de sumarle a la latitud $#. I por el contrario& si la instalación !a a usarse básicamente en !erano& la inclinación que +abría que proporcionarle a los módulos sería el resultado de restar a la latitud del lugar "#. 2or (ltimo& si se pretende un dise'o óptimo que funcione para todo el a'o& la inclinación que +abrá que proporcionarle al panel solar será igual a la latitud del lugar& como ya se +a indicado. En esta ocasión& se pretende que la instalación proporcione energía suficiente en los meses de menor radiación& que en el lugar elegido /6ra+al& Espa'a0 es durante el in!ierno. 2or lo tanto& seg(n lo indicado anteriormente& la inclinación final podrá situarse entre la latitud del lugar /@%0 y la latitud más $# /7%0. Binalmente& y por facilidad constructi!a de la estructura que portará los módulos& se elegirá una inclinación de 7?. En resumen& la disposición final de los módulos será la que se indica1 Orientación 3ur 4Azimut5 67
Inclinación 487
#
7?
En otros casos& la disposición de los paneles solares /orientación e inclinación0 puede estar más restringida o incluso prefi)ada /por e)emplo& cuando los paneles se colocan adoptando la pendiente de las cubiertas de aquellas !i!iendas con te)ados inclinados& adoptando la orientación e inclinación que tengan éstos0. *i esto es así& +abrá que calcular las pérdidas en que se incurren porque la orientación e inclinación del panel sea distinta de la óptima. 2ara ello se recomienda consultar el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;6E /Cnstituto para la ;i!ersificación y 6+orro de la Energía0& en cuyo documento& en su 6ne,o CC& se incluye cómo calcular dic+as pérdidas.
,stimación del consumo:
*i se dispone de información acerca del n(mero y régimen de funcionamiento de los aparatos eléctricos que !a a disponer +abitualmente la !i!ienda& se podría obtener una estimación del consumo energético muy apro,imado& mediante el producto de las potencias nominales de cada aparato por las +oras de funcionamiento pre!istas de cada uno de ellos& y posteriormente realizando su suma. Es importante incrementar el resultado en al menos un @#8 adicional como coeficiente de seguridad& con ob)eto de tener en cuenta también los picos de potencia que se producen en los arranques de algunos aparatos eléctricos. *i no se dispone de información más precisa& se pueden emplear multitud de tablas e,istentes que presentan ratios normales de consumos para !i!iendas& en función de los usuarios +abituales& como la que se muestra a continuación. ;atos de consumo medio de electricidad por a'o en una !i!ienda tipo 5. de personas por !i!ienda
4onsumo medio anual de electricidad /MY+0
$
$##
"
"%##
@
@?##
7
7$?#
?
7L##
4onsumo anual estándar
@?##
6 efectos de este tutorial& se dise'ará la instalación para un consumo estimado anual de /9 ;1<=. El anterior !alor no tiene en cuenta las pérdidas localizadas en los componentes y equipos situados entre los generadores solares y la instalación eléctrica interior
de la !i!ienda& esto es& el dispositi!o regulador& las baterías y el in!ersor o con!ertidor de corriente. 6 continuación se indicarán los rendimientos considerados para cada uno de los dispositi!os anteriores. Estos !alores aquí considerados deberán ser comprobados una !ez se +ayan seleccionados los modelos reales de dispositi!os a instalar.
Rendimiento regulador& :E; = 0,95
Rendimiento baterías&
Rendimiento in!ersor& I>V = 0,96
eniendo en cuenta los anteriores rendimientos& el consumo anual estimado /Ce!0 !aldrá1 Ce! = 3500 / %0,95 · 0,9 · 0,96' = 082,68 4W·h. 4onsiderando @9? días al a'o& el consumo estimado diario / Ce$ 0 sería de1 Ce$ = ++,+85 4W·h.
Radiación solar dis'onible:
El conocimiento de la radiación solar que se produce en el lugar donde se !a a realizar la instalación es determinante& tanto para conocer la energía disponible& como para analizar el comportamiento de los componentes del sistema. Habitualmente se utilizan los términos de irradiación e irradiancia para definir la radiación solar disponible. -a irradiación /W·h/20 se define como la energía incidente por unidad de superficie durante un determinado periodo de tiempo& mientras que la irradiancia /W/20 se refiere a la potencia instantánea recibida por unidad de superficie& o dic+o de otro modo& la energía incidente por unidad de superficie y unidad de tiempo.
2ara el dise'o de instalaciones foto!oltaicas& y con el fin de poder e!aluar la energía que puede producir la instalación en cada mes de a'o& se define el concepto de n(mero de +oras de sol pico /H*20 del lugar en cuestión& y que representa las +oras de sol disponibles a una +ipotética irradiancia solar constante de $### >m". En este sentido e,iste una multitud de bases de datos de donde se puede obtener información sobre la radiación solar disponible en cualquier lugar del planeta /e)emplo1 2AC* 2+oto!oltaic eograp+ical Cnformation *ystem& y otros0. 2ara el caso concreto de este tutorial& se !a a emplear la base datos del 2AC* /2+oto!oltaic eograp+ical Cnformation *ystem0 para obtener los !alores de irradiación diaria para la localización del lugar elegido /6ra+al=Espa'a1 @% $7S $SS 5orte& ? @"S @@SS
H2* /3+>m"0
;iciembre
7&?9
Capítulo ) Cálculo de la instalación
.>mero ? cone&ionado de los módulos solares:
2ara el cálculo del n(mero de paneles solares necesarios para satisfacer la demanda eléctrica pre!ista en la !i!ienda& se empleará la e,presión siguiente en función del emplazamiento y tipo de panel solar que se !aya a instalar1 >$"o = Ce$ / %P MP Y BSPcr@ Y BSPcr@ Y P: Y P: ' siendo& Ce$ & & el consumo diario estimado& !isto en el capítulo anterior& cuyo !alor es de $$&$? 3Y+. P MP & es la potencia pico del módulo C*B="?? seleccionado en condiciones estándar de medida /4ED0& indicado en el capítulo @& de !alor "?? . BSPcr@ & es el !alor de las +oras de sol pico del mes crítico /en este caso diciembre0& !isto en el capítulo anterior& de !alor 7&?9 H2*. P:& es el T2erformance RatioU de la instalación o rendimiento energético de la P:& instalación& definido como la eficiencia de la instalación en condiciones reales de traba)o& donde se tienen en cuenta las siguientes pérdidas originadas1 -
2érdidas por dispersión de potencia de los módulos
-
2érdidas por incremento de temperatura de las células foto!oltaicas
-
2érdidas debida a la acumulación de suciedad en los módulos
-
2érdidas por sombras
-
2érdidas por degradación de los módulos
-
2érdidas eléctricas
-
2érdidas por reflectancia
6 continuación& se !alorarán las distintas pérdidas anteriores con ob)eto de poder estimar el T2erformance RatioU / P: / P:00 de la instalación. -
2érdidas por dispersión de potencia de los módulos1
-a potencia que pueden desarrollar los módulos no es e,actamente la misma& y por lo tanto tampoco lo son ni su intensidad ni su tensión de má,ima potencia. ;e este modo& cuando se constituye un sistema generador formado por !arios paneles o módulos conectados en serie& este +ec+o induce a que se produzca una pérdida de potencia debido a que el !alor de la intensidad de corriente de paso será igual a la de menor !alor de los paneles colocados en serie.
2ara minimizar este efecto& los módulos se clasifican por su intensidad& que suele !enir indicado con una letra grabada mediante un ad+esi!o ad+erido al marco de un panel& de manera que se puede escoger los paneles similares a la +ora de armar las series durante la instalación. En esta ocasión& y seg(n se puede consultar en el catálogo de propiedades técn té cnic icas as su sumi mini nist stra rado do po porr el fa fabr bric ican ante te de lo loss mó módu dulo loss fo foto to!o !olt ltai aico coss seleccionados /!er capítulo @ de este tutorial0& la tolerancia de potencia / P 0 del módulo seleccionado es de #>W@8& por lo que las posibles pérdidas por dispersión de potencia se pueden estimar en un /@.
-
2érdidas por incremento de temperatura de las células foto!oltaicas1
El rendimiento de los módulos foto!oltaicos disminuye con el incremento de la temperatura a la que se encuentra la superficie del panel. 6l ser un elemento e,puesto a la radiación solar de manera continuada es necesario que e,ista una buena !entilación tanto por la superficie e,puesta al sol como por la parte posterior de los módulos. 5o ob obst stan ante te&& in inclu cluso so co con n bu buen enaa !e !ent ntil ilac ació ión& n& se pr prod oduc ucee un in incr crem emen ento to de temperatura de la superficie de los módulos con respecto a la temperatura ambiente e,terior. 2ara el cálculo del factor que considera las pérdidas por incremento de la temperatura del panel / P / P 0& 0 & se suele emplear la siguiente e,presión1 P = = * · · %c D 25C' siendo& * & el coeficiente de temperatura& medido en 4 =$. eneralmente este !alor !iene dado por el fabricante de la placa solar& aunque si este dato no lo proporcionara el fabricante se puede tomar por defecto el !alor de #&##@? 4 =$. En este caso& sí se puede e,traer del catálogo del fabricante que contiene la información técnica de F+ la placa& siendo * siendo * = 0,00 C . c& es la temperatura media mensual a la que traba)an las placas foto!oltaicas. c& 2ara calcular esta temperatura& c c&& se suele emplear la siguiente e,presión1 c = ! G H%o.c D 20 C' · E/800 siendo& !& la temperatura ambiente media mensual del lugar donde se instalarán los !& módulos foto!oltaicos. Este es un dato que puede ser e,traído de la información que albergan las agencias de meteorología oficiales en cada país. En este caso& para la localidad de 6ra+al /*e!illa0& lugar elegido para realizar la instalación& la temperatura media para el mes de diciembre es de $$&$4.
o.c& es la temperatura de operación nominal de la célula& definida como la o.c& temperatura que alcanzan las células solares cuando se somete al módulo a una irradiancia de ## >m " con distribución espectral 6D $&? & la temperatura ambiente es de "# F4 y la !elocidad del !iento de $ m>s. Este dato también es suministrado por el fabricante del módulo solar& siendo de !alor o.c = 5C . E & es la radiación media en un día soleado del mes en cuestión& que en este caso es de !alor ?L# >m " para el mes de diciembre en la localidad de 6ra+al /*e!illa0. *ustituyendo los !alores en la e,presión anterior& resulta que la temperatura media mensual /c /c00 a la que traba)an las placas foto!oltaicas& resulta ser de1 c = ++,+ G +8, = 29,5 C 2or lo que el factor que considera las pérdidas por incremento de la temperatura del panel / P / P 0 resulta ser1 P = = * · · %c D 25C'= 0,00 · %29,5F25'= 0,0+9 Resultand Result andoo una unass pér pérdid didas as por incr increme emento nto de tem temper perat atura ura de los mód módulo uloss foto!oltaicos del 5B@.
-
2érdidas debida a la acumulación de suciedad en los módulos1
En un unas as co cond ndic icio ione ness no norm rmal ales es de em empl plaz azam amie ient ntoo y re real aliz izan ando do ta tare reas as de manten man tenimi imient entoo y lim limpie pieza za cor corres respon pondie diente ntess de for forma ma reg regula ular& r& los pan panele eless foto!oltaicos no deben superar unas perdidas por este concepto del /@.
-
2érdidas por sombras1
-as pérdidas por el sombreado parcial de los generadores foto!oltaicos que penalizan su producción eléctrica se pueden estimar en torno al C@.
-
2érdidas por degradación de los módulos1
Estas pérdidas se deben a un proceso natural de degradación de todas las células de silicio debido a su e,posición a la radiación solar& que de forma usual se admite que sean del orden del @.
-
2érdidas eléctricas1
-a instalación eléctrica y el cone,ionado entre módulos se deberá realizar seg(n las recomendaciones recogidas en el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;E6&
donde se indica que la caída de tensión no podrá superar el @8 /$&?8 para la parte de corriente continua y "8 para los conductores de la parte de alterna0. 2or tanto& teniendo en cuenta estas consideraciones& se estiman que las pérdidas eléctricas serán del /@.
-
2érdidas por reflectancia1
Este tipo de pérdidas& que +acen referencia a los efectos angulares de la refle,ión en los módulos& fueron estimadas por la :ni!ersidad de inebra y deben considerarse en un 25B@. Binalmente& contabilizando todas las pérdidas anteriores& se obtiene el T2erformance RatioU / P:0 o rendimiento energético de la instalación& definido como la eficiencia alcanzada en la instalación& y de !alor en este caso de1 2R J $##8 = @8 = $&L8 = @8 = 78 = $8 = @8 = "&L8 J $&"8 2or lo que la e,presión anterior del principio de este apartado& que ser!ía para el cálculo del n(mero de paneles solares necesarios& resultará lo siguiente1 >$"o = Ce$ / %P MP Y BSPcr@ Y P: ' donde& Ce$ /consumo diario estimado0J $$$? Y+ P MP /potencia pico del módulo seleccionado0J "?? BPScr@ /+oras de sol pico0J 7&?9 H2* P: /performance ratio0J #&$" 2or lo que el n(mero de módulos totales / >$ 0 necesarios resulta ser de1 >$"o = +++85 / %255 · ,56 · 0,8+2' = ++,85 *e instalarán finalmente $" módulos foto!oltaicos& del tipo D[;:-< D<5<4RC*6-C5< C*B="??& de la marca comercial C*
>er#e = 2V / V MP = 2V / 30,9V = 0,78
→
+
Dientras que el n(mero de paneles a colocar en paralelo será calculado mediante la e,presión siguiente1 >J!r!"e"o = > OA&ES / >er#e = +2/+ = +2 2or lo tanto& finalmente el sistema generador foto!oltaico constará de $" ramales conectados en paralelo& con un panel C*B="?? por ramal. -legados a este punto& con!iene +acer un inciso acerca de una función adicional de los reguladores de carga. Estos dispositi!os tratan de optimizar el rendimiento de toda instalación foto!oltaica& buscando el punto de operación de la instalación que coincida con el de má,ima potencia refle)ado en la cur!a de características del generador foto!oltaico. 6+ora bien& en el caso que no se instale un regulador que incorpore el modo de seguimiento del punto de má,ima potencia en el funcionamiento de los generadores foto!oltaicos& se deberá utilizar también este otro criterio& el de 6mperios=+ora /6+0& para calcular el cone,ionado de los paneles solares. 4riterio CC01 4álculo del n(mero de paneles solares cuando el regulador instalado no incluya el seguimiento y b(squeda del punto de má,ima potencia /regulador sin D220. 4riterio por 6mperios=+ora. En este caso& será la batería instalada la que marque la tensión de traba)o del sistema /$"& "7& 7 Aoltios0& y rara !ez se alcanzará el punto de funcionamiento donde los módulos solares entreguen la má,ima potencia. *eg(n se indicó en el capítulo anterior& el consumo de energía e,presado en 6mperios=+oras y por día /?Ah0& !iene e,presado de la siguiente manera1 ?Ah = Ce$ / V
;e esta forma& el !alor de la corriente eléctrica que debe generar el total de los módulos foto!oltaicos en las condiciones de radiación solar del mes crítico /en este caso& diciembre0 !endrá dado por la e,presión siguiente1 I MP = ?Ah /BSPcr@ = 66/,56 = +02,+9 A *iendo / I MP 0 el !alor de la corriente eléctrica que debe generar el total de los paneles instalados. El n(mero de paneles para colocar en paralelo / >J!r!"e"o0 se calcula di!idiendo la corriente total / I MP 0 que debe generar el sistema por la corriente unitaria de cada panel / I MP 0& obteniéndose lo siguiente1 >J!r!"e"o = I MP / I MP = +02,+9/8,27 = +2,36 *iendo / I MP 0 el !alor de la corriente en el punto de má,ima potencia o potencia pico del módulo seleccionado C*B="??& de !alor I MP = 8,27 A /!er capítulo @0. 2or este otro método de cálculo se +a obtenido como resultado una instalación solar de $@ ramales en paralelo& con un módulo por ramal& cuando se utilice un regulador de carga que 5< incluya una función de b(squeda y detección del punto de má,ima potencia. 5o obstante& para este caso de estudio que nos ocupa el tutorial& se empleará un dispositi!o regulador que *\ incluya función de seguimiento y detección del D22 /punto de má,ima potencia0& por lo que el sistema generador foto!oltaico constará finalmente de $" ramales conectados en paralelo& con un panel por ramal& como se calculó anteriormente siguiendo el primer criterio.
!Dlculo de las baterías:
2ara el cálculo de las baterías o acumuladores solares& los dos parámetros importantes necesarios para su dimensionado son la má,ima profundidad de descarga /estacional y diaria0 y el n(mero de días de autonomía. En este caso& se tomarán como !alores los siguientes& seg(n el modelo de batería seleccionado1 2rofundidad de ;escarga Dá,ima Estacional& PK,e = 75 %0,75' 2rofundidad de ;escarga Dá,ima ;iaria& PK,$ = 25 %0,25' 5(mero de días de autonomía /.0 J 2ara el cálculo de la capacidad nominal /C>
C>
!Dlculo del regulador:
2ara la selección del regulador de carga es necesario calcular cuál será la má,ima corriente que deberá soportar& tanto en la entrada como en su salida.
2ara el cálculo de la má,ima corriente de entrada al regulador / I :e0& que pro!iene de los módulos foto!oltaicos& se empleará la siguiente e,presión1 I :e = +,25 · I SC · >J!r!"e"o donde& I SC es la intensidad de cortocircuito del módulo foto!oltaico seleccionado C*B= "??& de !alor I SC = 8,86 A /4ED0. >J!r!"e"o es el n(mero de ramales de paneles solares dispuestos en paralelo del generador foto!oltaico que se !aya a instalar& siendo en este caso& $". +,25 es un factor de seguridad para e!itar da'os ocasionales al regulador. *ustituyendo en la e,presión del cálculo de la intensidad de entrada al regulador / I :e0 los !alores anteriores& resulta el siguiente resultado1 I :e = +,25 · I SC · >J!r!"e"o = +,25 · 8,86 · +2 = +32,9 A 2or otro lado& para el cálculo de la má,ima corriente esperada a la salida del regulador / I :0& es decir& del lado del consumo de la instalación interior de la !i!ienda& se empleará la siguiente e,presión1 I : = H+,25 · % P KC G P AC / #.L ' / V
4omo se puede comprobar de las especificaciones técnicas del regulador seleccionado incluida en la anterior figura& éste sólo permite una intensidad má,ima de entrada / I MÁX,e0 de %# 6& mientras que la corriente má,ima de entrada / I :e0 pro!eniente de los módulos generadores foto!oltaicos es de $@"&L 6& seg(n se +a calculado& por lo que será necesario el empleo de más de un regulador. El n(mero de reguladores necesarios para instalar !endrá dado por la siguiente e,presión1
Nreguladores = IRe /IMÁX,e = 132,9/70 = 1,9 → 2 2or lo que serán necesarios la instalación de " reguladores del modelo anterior. En el caso concreto de este tutorial& el generador foto!oltaico dise'ado dispone de $" ramales en paralelo& con $ módulo cada ramal& por lo que la instalación podrá ser di!idida en " grupos de 9 ramales cada uno& alimentando cada grupo a un regulador distinto& y conectando después todas las salidas al mismo acumulador solar o baterías& seg(n el siguiente esquema de configuración pre!ista1
2or (ltimo +abría que comprobar que los parámetros de dise'o del modelo de regulador seleccionado se a)ustan a las condiciones de operación pre!istas1 $0 Rango de tensión de entrada de dise'o del regulador seleccionado en este e)emplo1 D22=#41 $9 $$" Acc
*eg(n la configuración pre!ista& cada regulador !a a ser alimentado por 9 ramales en paralelo con un módulo foto!oltaico por ramal& por lo que la tensión de operación será igual a la del módulo& que seg(n se puede comprobar en sus especificaciones técnicas del capítulo @ es de !alor V MP = 30,9 V /4ED0& que queda dentro del rango de dise'o del regulador. "0 ensión má,ima en circuito abierto admitida por el regulador D22=#41 $7# Acc má,ima1 ;e la misma manera& la tensión a circuito abierto del módulo& seg(n se puede comprobar en sus especificaciones técnicas del capítulo @& es de !alor V OC = 37,9 V /4ED0& que es inferior al má,imo de dise'o del regulador. @0 2otencia má,ima admisible por el regulador D22=#41 ?"## ;e nue!o& seg(n la configuración pre!ista& como cada regulador !a a ser alimentado por 9 ramales en paralelo con un módulo por ramal& la potencia má,ima producida por cada grupo será de 9Y"??J$?@#& siendo "?? la potencia nominal o má,ima del módulo foto!oltaico seleccionado& seg(n se puede comprobar en sus especificaciones técnicas del capítulo @. 2or lo tanto& finalmente el regulador D22=#4 seleccionado de la marca 6ER*6& resulta !álido para la instalación y la configuración pre!ista& seg(n se muestra en el esquema de monta)e de la figura anterior.
!Dlculo del inversor:
6 la +ora de dimensionar el in!ersor adecuado& además de conocer la tensión de ser!icio de la batería& como tensión de entrada en continua y de la potencia demandada por las cargas& se +ace necesario calcular también la tensión y corriente generada en el punto de má,ima potencia de funcionamiento de los paneles solares. 2ara el cálculo de la tensión de má,ima potencia que ofrece el generador foto!oltaico /V MPo!" 0& ésta se obtiene multiplicando el !alor de la tensión de má,ima potencia /V MP 0 de cada panel por el n(mero de paneles cone,ionados en serie / >er#e0 en cada ramal del generador1 V MPo!" = V MP · >er#e *iendo en este caso& V MP = 30,9 V /!er características del módulo seleccionado en el apartado correspondiente del capítulo @0 y >er#e = + panel por ramal& para la configuración obtenida en este e)emplo& por lo que resulta1 V MPo!" = 30,9 · + = 30,9 V 2or otro lado& para el cálculo de la corriente que suministra el generador foto!oltaico cuando proporciona la má,ima potencia / I MPo!" 0& ésta !endrá dada al
multiplicar la intensidad de corriente má,ima / I MP 0 en el punto de má,ima potencia o potencia pico del módulo instalado por el n(mero de paneles colocados en paralelo / >J!r!"e"o0 o ramales& es decir& I MPo!" = I MP · >J!r!"e"o *iendo en este caso& I MP = 8,27 A /!er características del módulo seleccionado en el apartado correspondiente del capítulo @0 y >J!r!"e"o J $" paneles o ramales& para la configuración obtenida en este e)emplo de instalación solar& por lo que la anterior e,presión resulta1 I MPo!" = 8,27 · +2 = 99,2 A En cuanto a la potencia nominal que debe tener el in!ersor& se debe tener en cuenta que éste debe satisfacer la potencia má,ima pre!ista de consumo instantáneo / P AC 0 de ""## & que constituyen el consumo de la !i!ienda& incrementado en al menos un @?8 para tener en cuenta los Tpicos de arranqueU que generan algunos electrodomésticos& como frigoríficos o la!adoras& que +acen aumentar su potencia nominal durante su puesta en marc+a. 6sí la potencia nominal del in!ersor / P #.L0 deberá ser la calculada por la siguiente e,presión1 P #.L = +,35 · P AC 2ara el caso que nos ocupa la potencia má,ima pre!ista en alterna de las cargas de consumo instantáneo de la !i!ienda es de ""## & por lo que la potencia nominal del in!ersor deberá ser de1 P #.L = +,35 · 2200 = 2970 W %2970 VA' El in!ersor seleccionado que cumple con los condicionantes anteriores pertenece a la gama auro& de la marca 6ER*6& en concreto el modelo @#"7>A. 6 continuación& se puede comprobar en la siguiente figura la información técnica que se +a e,traído del catálogo de especificaciones técnicas del equipo seleccionado proporcionado por el fabricante1
2or (ltimo& decir que en el mercado se pueden encontrar in!ersores de distintos tipos& tanto de onda senoidal pura /2D0 como de onda senoidal modificada /D*0. ]stos (ltimos& aunque pueden alimentar a la mayoría de electrodomésticos actuales& también pueden tener problemas con aparatos electrodomésticos de cargas inducti!as& como son los motores eléctricos. -os in!ersores de onda senoidal pura /2D0& sin embargo& describen me)or la forma de onda que proporciona la red eléctrica y en consecuencia es la me)or opción para alimentar los equipos eléctricos y electrónicos actuales. El modelo seleccionado perteneciente a la gama auro de 6ER*6 corresponde a una forma de onda senoidal pura.
!ableado ? 'rotecciones:
En este apartado se procederá al cálculo de las secciones del cableado eléctrico de cada uno de los tramos que componen la instalación. 2ara el cálculo de las secciones de los cables conductores y de las protecciones se distinguirá entre la parte de la instalación que funciona en continua /o corriente directa0 y la parte de la instalación que funciona en corriente alterna.
4ada uno de los tramos que componen la instalación poseerá una sección diferente de los conductores debido a que la intensidad de corriente que circula por cada uno de ellos será diferente dependiendo los equipos que se interconecten a cada tramo de la instalación. a0 Cnstalación en corriente continua o directa /44 ó ;401 odos los tramos en corriente continua se !an a componer de dos conductores acti!os /positi!o y negati!o0 en cable de cobre con aislamiento #&9>$ 3A y cubierta en 2A4. 2ara el cálculo de la sección de cable / S 0 en los distintos tramos donde circula la corriente continua /directa0& y que comprende desde la salida de bornes en la ca)a de cone,ión de los módulos foto!oltaicos +asta la entrada en el in!ersor& se empleará la siguiente ecuación1 S = %2 · & · I' / %(V · C' donde& S & es la sección del cable conductor& en mm". && es la longitud del cable conductor en ese tramo& en m. I & es la intensidad de corriente má,ima que circula por el conductor& en 6. (V & es la caída de tensión má,ima permitida en los conductores& que seg(n se indica en el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;6E& deberá ser en los conductores de continua como má,imo del $&?8. C & es la conducti!idad del material que forma el conductor& en este caso cobre& cuya conducti!idad a "# 4 es de ?9 m>^Ymm". 2ara otras temperaturas se ad)unta la siguiente tabla1 4onducti!idad del cobre /m>^Ymm"0 en función de la temperatura /40 "# 4
@#4
7# 4
?#4
9# 4
%# 4
# 4
L# 4
?9
?7
?"
?#
7
7%
7?
77
abla %. Aalores de conducti!idad del cobre a distintas temperaturas
2ara aquellos otros casos donde se empleen conductores de aluminio /6l0& se ad)unta igualmente la siguiente tabla de conducti!idades del aluminio en función de la temperatura1
4onducti!idad del aluminio /m>^Ymm "0 en función de la temperatura /40 "# 4
@#4
7# 4
?#4
9# 4
%# 4
# 4
L# 4
@?
@7
@"
@$
@#
"L
"
"%
abla . Aalores de conducti!idad del aluminio a distintas temperaturas
4omo ya se +a indicado anteriormente& en los distintos tramos en corriente continua& éstos se compondrá de dos conductores& uno positi!o y otro negati!o& que serán de igual sección a la que resulte del cálculo de aplicar la anterior e,presión. 6 continuación se pasa a calcular las secciones de cables de cada uno de los distintos tramos que componen la instalación foto!oltaica en corriente continua.
-
ramo 4one,ión al Regulador1
Este tramo de cableado comprende la cone,ión desde la salida de la ca)a de grupo de 9 módulos foto!oltaicos conectados en paralelo& +asta la entrada al regulador de carga. -os !alores de los distintos parámetros que se emplearán para el cálculo de la sección mínima de cable conductor& serán los siguientes1
& = 5 & es la longitud que recorre el cable desde la salida del generador foto!oltaico +asta el regulador de carga. I = 6 · I SC = 6·8,86 = 53,+6 A& se corresponde con la intensidad má,ima que puede circular por el tramo& y que coincide con la intensidad de cortocircuito / I SC 0 del módulo seleccionado C*B="??& de !alor I SC = 8,86 A& y multiplicado por el n(mero de módulos /al estar en paralelo se suman las intensidades0 que constituyen el grupo que alimenta a cada regulador /90. (V = 0,6V & que se corresponde con la caída de tensión má,ima permitida en los conductores& que seg(n se indica en el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;6E& deberá ser como má,imo del $&?8 en los conductores de continua. En efecto& como la tensión de traba)o en cada grupo de generadores foto!oltaicos que alimenta a cada regulador es igual a la tensión en el punto de má,ima potencia o potencia pico de cada módulo. 6l estar conectados en cada grupo los módulos en paralelo la tensión de salida del grupo es igual a la de cada módulo. 4omo el módulo que se !a a instalar es el C*B="??& de tensión de ser!icio de !alor V MP = 30,9 V & por lo que la caída de tensión má,ima del $&?8 será igual a (V = 0,0+5·30,9 = 0,6 V .
C = 7 /·2& que es la conducti!idad del cobre& para una temperatura del cable en ser!icio de %# 4.
Estos !alores sustituidos en la e,presión anterior resulta una sección mínima de cable de1 S =%2 · 5 · 53,+6' / %0,6 · 7' = 2,59 2 -a sección normalizada superior a la calculada es de "? mm "& seg(n se indica en la correspondiente tabla sobre _Cntensidades admisibles /60 al aire 7# F4. 5 de conductores con carga y naturaleza del aislamiento`& incluida en el capítulo @. *eg(n la tabla anterior& la corriente má,ima admisible para el cable de cobre de "? mm" del tipo #&9>$ 3A y aislamiento en 2A4& instalados en el interior de tubos en monta)e superficial es de 7 6. 6l anterior !alor +abrá que aplicarle un coeficiente de reducción de #&L$ por temperatura& dado que el !alor anterior es para una temperatura del cable de 7#4& y sin embargo el cable alcanzará una temperatura mayor cuando esté en ser!icio. 2or lo tanto& finalmente el !alor de la má,ima intensidad admisible del cable será de I !$ = 8·0,9+ = 76, A. 2or otro lado& por el tramo que conecta el grupo de 9 módulos con el regulador& circulará una corriente má,ima igual a la suma de las corrientes de cortocircuito / I SC 0 de los módulos que forman dic+o grupo. 2or lo tanto la intensidad má,ima que pueda circular por este tramo será1 I = 6·I SC = 6·8,86 = 53,+6 A siendo I SC = 8,86 A el !alor de la corriente de cortocircuito del módulo C*B="?? seleccionado /!er apartado correspondiente del capítulo @0. 2or lo tanto& al ser la intensidad que circula por el tramo / I = 53,+6 A0 menor que la má,ima admisible que puede soportar el cable / I !$ = 76, A0& la sección elegida para al conductor en este tramo de "? mm " resulta !álida. ;e la misma manera que la anterior& se procedería a calcular las secciones de cable para los restantes tramos en continua que constituyen la instalación foto!oltaica. 2ara no alargar la presentación de este tutorial se ad)unta la siguiente tabla con los resultados obtenidos1 ramo
?7-ongitud del tramo /m0
*ección de Cntensidad de corriente del cable mínima calculada tramo /60 /mm"0
*ección de cable seleccionada /mm"0
??4one,ión con Regulador
?&#
?@&$9
"7&?L
"?
??4one,ión con Gaterías
9&#
$#9&@"
?L&#$
%#
??4one,ión con Cn!ersor
$"&#
$@&?
$?&#%
"?
abla L. Cntensidades de corriente y secciones de cable en tramos de corriente continua /;40
2ara una me)or comprensión por parte del lector de la tabla anterior& se e,plica a continuación cómo se +a realizado el cálculo de las intensidades de corriente má,ima que pueden circular& tanto por el tramo que conecta el regulador con las baterías& y el otro tramo que conecta con el in!ersor1
ramo de cone,ión a baterías1 la intensidad má,ima de corriente del tramo de cone,ión +acia las baterías será igual a la suma de las intensidades de cortocircuito / I SC 0 de los $" módulos en paralelo que constituyen el generador foto!oltaico. 2or tanto& resultará I = +2· I SC = +2·8,86= +06,32 A& como así se +a incluido en la tabla L anterior.
ramo de cone,ión al in!ersor1 por el contrario& para el cálculo de la intensidad de corriente má,ima que circula por la entrada al in!ersor& ésta dependerá de la potencia en alterna / P 0 má,ima que puede entregar el in!ersor a las cargas que alimenta y de su rendimiento / I>V = 0,960. I c! = P / %V · coN' donde& I c!& es la intensidad de corriente alterna de salida del in!ersor P & que es la potencia en alterna má,ima que puede entregar el in!ersor seleccionado a su salida& que !ale P = 3000 W . V & es la tensión de línea de la red interior de la !i!ienda& que coincidirá con la tensión nominal de salida del in!ersor& en este caso V = 230V . coN& es el factor de potencia que& seg(n el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;6E& dic+o factor de potencia proporcionado por las instalaciones solares foto!oltaicas deberá ser igual a la unidad. *ustituyendo en la e,presión anterior resultará una intensidad en corriente alterna de salida del in!ersor de !alor I c! = +3,0 A. 2or lo tanto la intensidad en corriente continua /C cc0 que alimente la entrada del in!ersor será la proporcionada por la siguiente e,presión1
I cc = I c! / I>V siendo / I>V = 0,960 el rendimiento del in!ersor. 2or lo tanto& la intensidad en corriente continua que circula por el tramo que alimenta el in!ersor como se incluye en la tabla L se calculará como1 I cc = +3,0 / 0,96 = +3,58 A 2or (ltimo& también se podría comprobar que por las secciones de cables de cada tramo /%# mm" para el tramo que conecta con las baterías& y cable de "? mm " para el tramo que conecta con el in!ersor0 circula una intensidad de corriente que es inferior a su intensidad de corriente má,ima admisible. En efecto& seg(n la tabla sobre _Cntensidades admisibles /60 al aire 7# F4. 5 de conductores con carga y naturaleza del aislamiento` del capítulo @& la corriente má,ima admisible para el cable de cobre de %# mm " es de $9# 6& y para el cable de "? mm" de 7 6. 6l anterior !alor +abrá que aplicarle un coeficiente de reducción de #&L$ por la temperatura del cable& siendo finalmente la má,ima intensidad admisible de1 I !$ = +60·0,9+ = +5,6 A& para el cable de cobre de %# mm "& y de I !$ = 8·0,9+ = 76, A& para el cable de cobre de "? mm "& siendo en todos los casos superior a la má,ima intensidad posible que puede circular por cada tramo& seg(n se indica en la siguiente tabla $#1 ramo
*ección de cable /mm"0
Cntensidad má,ima admisible /60
Cntensidad de corriente del tramo /60
4one,ión con Regulador
"?
%9&77
?@&$9
4one,ión con Gaterías
%#
$7?&9
$#9&@"
4one,ión con Cn!ersor
"?
%9&77
$@&?
abla $#. Cntensidades de corriente y secciones de cable en tramos de corriente continua /;40
-
4ableado de protección1
2ara la protección y seguridad de la propia instalación& +abrá que instalar un cable adicional& además de los cables acti!os /positi!o y negati!o0& que será el cable de protección y que ser!irá para conectar todas las masas metálicas de la instalación con el sistema de tierra.
4on el cableado de protección se consigue e!itar que aparezcan diferencias de potencial peligrosas& y al mismo tiempo permita descargar a tierra las corrientes de defectos o las debidas por las descargas de origen atmosférico. El cable de protección será del mismo material que los conductores acti!os utilizados en la instalación& en este caso de cobre& e irán alo)ados en el mismo conducto que los conductores acti!os. *eg(n la reglamentación en ba)a tensión& la sección que debe tener en cada tramo el conductor de protección !iene dada por la tabla siguiente1 *ección de los conductores acti!os de la *ección mínima de los conductores de instalación& * /mm "0 protección& *p /mm"0 * $9
*p J *
$9 * @?
*p J $9
* @?
*p J *>"
abla $$. Relación entre los conductores de protección y los conductores acti!os
2ara el caso que nos ocupa en este tutorial& y +aciendo uso de la tabla $$ anterior& la sección que tendrá el cable de protección en cada tramo de la instalación se indica en la siguiente tabla $"1 ramo
*ección del cable acti!o /mm"0
*ección del cable de protección /mm"0
4one,ión con Regulador
"?
$9
4one,ión con Gaterías
%#
@?
4one,ión con Cn!ersor
"?
$9
abla $". *ecciones de conductores acti!os y de protección
-
ubos protectores1
2ara la selección de los diámetros de los tubos protectores se empleará la tabla ? que se indica en el capítulo @& que proporciona los diámetros e,teriores mínimos de los tubos en función del n(mero y la sección de los cables alo)ados. 2ara el caso que ocupa en este tutorial& los diámetros del tubo de protección en cada tramo de la instalación se indica en la siguiente tabla1 ramo
;iámetro de tubo /mm0
4one,ión Regulador
@"
4one,ión Gatería
?#
4one,ión Cn!ersor
@"
abla $@. ;iámetros de los tubos protectores en los tramos de corriente continua /;40
2or (ltimo& se ad)unta la siguiente tabla resumen de los tramos de la instalación que funcionan en corriente continua& con los resultados obtenidos1 ramo
*ección del cable acti!o /mm"0
*ección del cable de protección /mm"0
;iámetro del tubo protector /mm0
4one,ión con Regulador
"?
$9
@"
4one,ión con Gaterías
%#
@?
?#
4one,ión con Cn!ersor
"?
$9
@"
abla $7. *ecciones de conductores y diámetros de los tubos protectores en los tramos de corriente continua /;40
-
Cnstalación en corriente alterna /6401
6 partir de la salida del in!ersor& todos los tramos de corriente alterna que alimenta la instalación interior de la !i!ienda& que será de tipo monofásica& se !an a componer de dos conductores /fase y neutro0& además del conductor de protección& en cable de cobre con tensión nominal #&9>$ 3A y aislante en 2A4. 2ara el cálculo de la sección /*0 de los conductores acti!os en los tramos de corriente alterna monofásica& se empleará la siguiente ecuación1 S = %2 · P · &' / %(V · C · V' donde& S es la sección del cable conductor& en mm". P es la potencia má,ima que !aya a transportar el cable& en . & es la longitud del cable conductor en ese tramo& en m. (V es la caída de tensión má,ima permitida en los conductores& que seg(n se indica en el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;6E& deberá ser en los conductores de alterna como má,imo del "8.
C es la conducti!idad del material que forma el conductor& en este caso cobre& cuya conducti!idad a "# 4 es de ?9 m>^Ymm ". 2ara otras temperaturas se puede consultar la tabla % anterior. V es la tensión de línea de la red interior de la !i!ienda& en A. 2ara el caso de este tutorial& sólo se !a a calcular el tramo de instalación en alterna desde la salida del in!ersor +asta su cone,ión con el cuadro general de protección y mando /42D0& donde están instalados los distintos magnetotérmicos& diferencial e interruptores de corte de la instalación interior de la !i!ienda. -os !alores que definen el tramo de línea desde la salida del in!ersor +asta el cuadro general de protección y mando /42D0 de la !i!ienda& son los siguientes1 P es la potencia má,ima que !aya a transportar el cable y que !a a consumir la !i!ienda. 4oincide con la potencia alterna má,ima que puede entregar el in!ersor que se +a seleccionado a su salida& y que !ale P = 3000 W . & es la longitud del cable desde el in!ersor +asta 42D& en esta ocasión & =+0 V es la tensión de línea de la red interior de la !i!ienda& que coincidirá con la tensión nominal de salida del in!ersor& en este caso V = 230 V . (V es la caída de tensión má,ima permitida en los conductores& que seg(n se indica en el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;6E& deberá ser en los conductores de alterna como má,imo del "8& por tanto (V = 0,02·230 = ,6 V . C = 7 /· 2& que es la conducti!idad del cobre& para una temperatura del cable en ser!icio de %# 4 /seg(n tabla %0. Pue sustituidos en la e,presión anterior resulta una sección mín ima de cable de1 S = %2 · 3000 · +0' / %,6 · 7 · 230' = +,2+ 2 5o obstante& antes de seleccionar cualquier sección& es necesario comprobar que la intensidad admisible / I !$0 del cable que se coloque !a a ser superior a la intensidad de corriente / I 0 que pase por dic+o tramo. -a intensidad de corriente / I 0 que circulará desde el in!ersor +asta la entrada al cuadro general de la !i!ienda& !endrá dado por la siguiente e,presión& !álida para corriente alterna monofásica1 I = P / %V · coN' P es la potencia má,ima a transportar por el cable y consumida por la !i!ienda. 4oincide& como ya se +a indicado& con la potencia en alterna má,ima que puede entregar el in!ersor seleccionado a su salida& que !ale P = 3000 W . V es la tensión de línea de la red interior de la !i!ienda& que coincidirá con la tensión nominal de salida del in!ersor& en este caso V = 230 V .
coN es el factor de potencia& que seg(n el 2liego de 4ondiciones écnicas del C;6E& para las instalaciones solares foto!oltaicas deberá ser igual a la unidad /$0. 2or lo tanto& la má,ima intensidad / I 0 que circulará por el tramo será de1 I = 3000 / %230 · +' = +3,0 A 2ara soportar este !alor de corriente y seg(n la tabla 7 anterior& se elegirá una sección de cable de 9 mm "& cuya intensidad má,ima admisible es de @9 6. 6l anterior !alor +abrá que aplicarle un coeficiente de reducción de #&L$ por la temperatura del cable& por lo que la má,ima intensidad admisible del cable será1 I !$ = 36·0,9+ = 32,76 A& toda!ía superior a la má,ima intensidad que puede circular por el tramo. 2or otro lado& la sección del cable de protección para este tramo de estudio& y seg(n la tabla $$ anterior& deberá ser también de 9 mm ". 2or (ltimo& y seg(n la abla ? de diámetros mínimos de los tubos protectores en función del n(mero y la sección de los cables alo)ados& deberá ser de @" mm. *e ad)unta la siguiente tabla resumen para el tramo en corriente alterna desde la salida del in!ersor +asta la entrada a la instalación interior de la !i!ienda1 ramo
-ongitud del tramo /m0
*ección del cable acti!o /mm"0
*alida del Cn!ersor = entrada al 42D
$#&#
9
*ección del cable ;iámetro del de protección tubo /mm0 /mm"0 9
@"
abla $?. *ecciones de cable y diámetro del tubo protector en tramo de corriente alterna /640
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Elección de los elementos de protección1 Busibles
2ara la protección contra sobreintensidades originadas por sobrecargas o cortocircuitos se empleará fusibles. En este caso se elegirán cartuc+os de fusibles de cuc+illa de tipo g2A $###A ;4 de uso específico para instalaciones foto!oltaicas& de la marca ;B Electric. Este tipo de fusibles proporciona una adecuada protección contra sobrecargas y cortocircuitos de acuerdo a la norma CE4 9#"9L=9& y con una corriente mínima de fusión de +,35·I.& capaz de interrumpir el paso de todas las corrientes que !ayan desde su !alor de intensidad nominal / I.0 +asta su poder de corte asignado.
