Curso Fotovoltaica 6/6
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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Diseño, ejecución, explotación y mantenimiento
INSTALACIONES AISLADAS
Oscar Velasco. Grupo Generalia. 31 de marzo de 2011
www.generalia.es
1
INDICE
Introducción
Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y
Sistema de Backup
Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.
Miniredes inteligentes
Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos
Diseño de sistemas aislados
Mantenimiento
2
INDICE
Introducción
Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y
Sistema de Backup
Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.
Miniredes inteligentes
Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos
Diseño de sistemas aislados
Mantenimiento
3
4
Esquema básico de funcionamiento
PV modules
PV regulator
Inverter
DC Consumption
AC Consumption
Diferencias con respecto a los sistemas de conexión a red
Diseñado para el abastecimiento de consumo propio
Necesidad de almacenamiento de la energía
Regulador / cargador
Baterías
Inversores con capacidad para “crear red”
Para instalaciones con consumos en únicamente en continua y de pequeña potencia (<2 kW),
se podrían requerir paneles con características particulares:
Si los consumos son en continua a 12 V, paneles a 18 V
Si fueran 24 V, paneles de 30-32 V
NOTA: Los paneles de 12 V son mas caros generalmente, pero se puede evitar su uso
utilizando reguladores maximizadores de potencia. Sólo para potencias mayores de 2 kW
5
Introducción
Criterio de mayor producción en invierno VS maximización de la producción anual
En las instalaciones de conexión a red, el interés es conseguir la máxima rentabilidad anual
de la instalación
En instalaciones aisladas, el interés es alimentar las necesidades de consumo durante
cualquier día del año. Para ello:
Tenemos que dimensionar la instalación para el “peor día del año”
Seleccionaremos la inclinación de los paneles que maximice la producción en dicho mes
6
Introducción
Sofia, Bulgaria Madrid, EspañaEd (32º) Ed (61º) Ed (34º) Ed (60º)
Jan 1,65 1,79 2,66 2,96Feb 2,25 2,34 3,05 3,19Mar 2,75 2,63 4,32 4,23Apr 3,42 3,01 4,1 3,63May 3,61 2,95 4,63 3,75Jun 3,79 2,97 4,78 3,69Jul 4,06 3,23 4,91 3,85
Aug 3,95 3,37 4,79 4,08Sep 3,48 3,28 4,38 4,14Oct 2,68 2,74 3,54 3,63Nov 1,71 1,84 2,66 2,9Dec 1,3 1,41 2,15 2,39
Total year 1050 960 1400 1290
0
1
2
3
4
5
6
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Sofia, Bulgaria (32º) Sofia, Bulgaria (61º)
Madrid, España (34º) Madrid, España (60º)
Nota: existe la posibilidad de usar sistemas de backup en los meses de menor producción
INDICE
Introducción
Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y
Sistema de Backup
Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.
Miniredes inteligentes
Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos
Diseño de sistemas aislados
Mantenimiento
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Inversor
Rango de potencias mucho mas bajo que en conexión a red
Capacidad de unirse en serie y paralelo
Preparados para entradas auxiliares en paralelo, en caso de sistemas
híbridos: diesel, red, paneles…
Fabricantes:
8
Elementos
Fabricante Potencia UnitariaPotencia Sistema
Observaciones
Xantrex 6 kW 36 kW
• Incorpora cargador de baterías• Permite inyectar excedente a la red eléctrica• Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo
Victron 10 kVA100 kVA(90 kW)
• Incorpora cargador de baterías• Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo
Ingeteam 15 kVA 120 kVA• Incorpora cargador de baterías• Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo
Detalles sobre el regulador
Se utiliza para:
Proteger a las baterías contra sobrecargas
Evitar descargas excesivas durante cada ciclo
Es recomendable trabajar con un sobredimensionamiento del 125%
Diferencias entre regulador y cargador
Cargador: solo sirve para cargar las baterías
Regulador: sirve tanto para cargar las baterías, como para
gestionar las cargas en corriente continua
9
Elementos
NOTA: Los cargadores no son dispositivos simples:
El estado de carga de la batería depende de muchos factores y es difícil de medir
Existen múltiples algoritmos para optimizar la carga de las baterías y aumentar su
tiempo de vida
Introducción
Las baterías se utilizan para almacenar la energía que se produce
en los paneles durante el día, para ser consumida en los periodos
que no hay irradiación solar
Este almacenamiento se produce a través de reacciones químicas
reversibles
10
Baterías
Una batería está formada por la asociación serie de varios “vasos” o “celdas”
Entre los electrodos se establece una diferencia de potencial (Generalmente: 2V)
En aplicaciones fotovoltaicas se utilizan generalmente baterías de 12, 24 o 48 voltios
Se suele dimensionar para varios días de consumo
En caso de que se sucedan varios días de baja irradiación: nubes, lluvia, etc
Tres días puede ser una buena recomendación, según cada uso
Capacidad de régimen
11
Baterías
Capacidad
Cantidad de electricidad que puede obtenerse durante una descarga completa de un
acumulador plenamente cargado
La capacidad en Amperios-hora (A-h) es simplemente la corriente que la batería puede
entregar, multiplicado por el número de horas en que se entrega dicha corriente
En teoría una batería de 200 A-h podría entregar: 200 A durante una hora, 100 A durante
dos horas, 1 A durante 200 horas y así sucesivamente.
Sin embargo, en la realidad, la capacidad de la batería variará según el régimen de carga y
descarga. (Generalmente, menor velocidad de descarga implica mayor capacidad)
Por ejemplo: una batería con una capacidad de 100 A-h a un régimen de 8 horas (C-8):
Podría descargar 12,5 A durante 8 horas. C = 12.5 x 8 = 100 A-h
Pero podría proporcionar 5.8 A durante 20 horas. C’ = 5.8 x 20 = 116 A-h
Profundidad de descarga
Baterías
Porcentaje de la capacidad total de la batería que puede ser usada sin necesidad de recarga y sin dañar a la batería.
Como regla general, cuanto menor sea la profundidad de descarga alcanzada en cada ciclo, mayor será la vida útil de la batería
Clasificación:
Múltiples fabricantes
Isofoton, Hoppecke, BAE, TABB, Tudor, etcétera
Ciclo ligero Ciclo profundo
- Diseñadas para fuertes corrientes en las descargas iniciales
- Constantes cargas y descargas- Profundidades de descarga menores
del 20 %
-Diseñadas para largos periodos de utilización sin necesidad de recibir recarga
-Son más robustas y tienen mayor densidad energética
-Profundidad de descarga del 80%
Nota: Esta clasificación se utiliza sobretodo para baterías de Plomo-Acido
Tipos de Baterías
Baterías
Para aplicaciones fotovoltaicas las más adecuadas son las baterías estacionarias, diseñadas para tener un emplazamiento fijo y para los casos en que el consumo es más o menos irregular. Las baterías del tipo “estacionario” no necesitan producir una corriente elevada en breves periodos de tiempo, aunque sí profundas descargas.
Plomo-Acido(Ciclo Profundo)
Plomo-Acido(Ciclo Ligero)
Gel-Cell NiCd
Observaciones • Muy disponibles comercialmente
• Pueden experimentar muerte súbita
• Son de plomo-antimonio
• Muy disponibles comercialmente
• Pueden experimentar muerte súbita
• Son de plomo-calcio(reduce autodescarga)
• El acido se encuentraen estado de gel
• Mucho menor mantenimiento
• Puede operar en cualquier posición
• Más caras que Pb
• Mejor comportamientocon la temperatura
• Doble precio que Pb
Profundidad de descarga 40-80% 15-25% 15-25% 100%Autodescarga por mes 5% 1-4% 2-3% 3-6%Capacidad típica (AH/m3) 35,314 24,720 8,828 17,660Rango de capacidades (AH/m3)
7,062 a 50,323 5,791 a 49,000 3,672 a 16,400 3,630 a 34,961
Capacidad típica (AH/Kg) 12.11 10.13 4.85 11.10Rango de capacidades (AH/Kg)
4.18 a 26.65 2.42 a 20.26 2.20 a 13.87 2.64 a 20.90
Temperatura mínima de operación (oC)
-6.6 -6.6 -18 -45
El generador diesel como backup (I)
El uso de un generador diesel puede permitirnos evitar el sobredimensionamiento
de paneles y baterías.
Se trata de cubrir los periodos de baja irradiación o las situaciones de consumo
extraordinario a través de un grupo diesel
A día de hoy, la energía proveniente de un grupo diesel puede ser más cara que la
que obtenemos a partir de la energía solar fotovoltaica
Dependerá del precio del combustible
Nota: En la siguiente transparencia vemos un ejemplo
14
Grupo Diesel
15
Grupo Diesel
Notas: 1. Para este estudio se ha tenido en cuenta que el precio de la electricidad proveniente de Generador Diesel es,
hoy, de 0.35 €/kWh (Internalizando los costes que supone la logística del combustible). 2. El estudio está realizado para 1500 HSP3. Se ha estimado, en verde, la repercusión que supondrá el sobrecoste por las emisiones de gases contaminantes
(Precio de tonelada de CO2). 4. Los precios están en euros5. La palabra “híbrido” se refiere a una instalación fotovoltaica con un Backup de generador diesel.
-
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Precio kWh hibrido Precio kWh G Diesel Precio kWh G Diesel CO2
Precio de kW-h producido por generador diesel versus kW-h solar
INDICE
Introducción
Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y
Sistema de Backup
Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.
Miniredes inteligentes
Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos
Diseño de sistemas aislados
Mantenimiento
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Sistema híbrido: Diesel - Solar
PV modules
PV regulator
Inverter
DC Consumption
AC Consumption
A la hora de seleccionar el generador diesel, se
debe buscar que disponga de arrancador
automático:
Bien porque dispone de la electrónica para
realizar el arranque a través de una señal
auxiliar
Bien porque es compatible con los cuadros
eléctricos diseñados para tal efecto
Unión a través del BUS AC
El generador diesel arranca si las baterías bajan de un
determinado nivel
El generador puede exclusivamente abastecer el
consumo o, también, cargar las baterías
El inversor está especialmente diseñado con
este propósito (Conversor AC/DC)
18
Sistema híbrido: Eólico - Solar
El potencial eólico viene determinado
fundamentalmente por:
• Velocidad del viento: la energía cinética del viento
se incrementa según el cubo de su velocidad
• El recurso eólico será explotable en lugares con
velocidad media anual superior a los 4-5 m/s
También influyen, en menor medida, las características
y densidad del viento
Este tipo de sistema es, actualmente, objeto de análisis e investigación por parte de diferentes instituciones y empresas.
Buena correlación entre el recurso eólico y el solar
Generalmente, unión a través del BUS DC (de las baterías)
Pocos datos sobre el recurso: grandes variaciones intraregionales
Menores garantías en el sistema eólico que en solar:
En torno a los tres años
Descripción
Wind generator
19
Sistema híbrido: Eólico - Solar
PV modules
PV regulator
Inverter
DC Consumption
AC Consumption
Wind regulator
Esquema de funcionamiento
BUS DC
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Eficiencia en el consumo (I)
La importancia de reducir el consumo…
Actualmente se pueden encontrar grandes avances en los consumos de muchos
dispositivos masivos: electrodomésticos, iluminación, aire acondicionado, PCs…
Dado el alto coste de la energía solar aislada y la dependencia de su precio con
el consumo…
… cualquier instalación solar aislada debe comenzar por
optimizar la eficiencia en el consumo
Ejemplo:
Precio electricidad: 0,40 €/kWh
Consumo Nevera Clase A+: 150 kWh/año
Consumo Nevera Clase G: 800 kWh/año
Ahorro: 260 € / año
* En realidad, la instalación de un dispositivo más eficiente nos permitirá reducir el coste de la inversión
FUENTE DE CONSUMOS: IDAE
21
Eficiencia en el consumo (II)
Ejemplos de consumos
Elemento Bajo consumo Convencional
Nevera Clase A150 kWh/año
Clase G800 kWh/año
Lavadora Clase A1.42 kWh
Clase G6.9 kWh
Iluminación 1
Incandescente100 W
LED10 W
Iluminación 2
Incandescente100 W
Bajo Consumo18 W
PC Sobremesa
250 W 70 W
22
Miniredes Inteligentes / Smart Grids (I)
Objetivo a nivel global
Para conseguirlo:
Aumentar la integración de las energías
renovables en la red global internacional
Necesidad de convivir con una
generación distribuida e intermitente
Compromiso de los gobiernos internacionales (como la UE:
Minimizar impacto medioambiental.
Reducir las emisiones en un 20%
Reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
Aumentar el peso de las renovables en un 20%
Reducir costes y aumentar la eficiencia energética
Miniredes Inteligentes / Smart Grids (II)
Mejorar la supervisión y control de la generación
Perfil de producción intermitente de las EERR
Poca previsión de la curva de producción
Mejorar la gestión de la demanda
Elevado ratio punta – valle de la demanda
Falta de correlación con la generación renovable
Medidas hacia las Miniredes Inteligentes
Mayor interconexión internacional
Mejorar el almacenamiento de electricidad
Nuevas instalaciones de bombeo / producción hidráulica
I+D en sistemas de almacenamiento in situ: hidrógeno / baterías
Introducción del vehículo eléctrico
Source: REE
Perfil de demanda de un día medio en España
INDICE
Introducción
Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y
Sistema de Backup
Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.
Miniredes inteligentes
Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos
Diseño de sistemas aislados
Mantenimiento
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Áreas alejadas de la red de distribución eléctrica
Áreas actualmente abastecidas con generadores
Excepcionalmente, áreas con inestabilidad en la red eléctrica
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Zonas de aplicación
Gran potencial de
aplicación en países
africanos
Especialmente: zonas con alto precio del combustible
Source: World energy outlook 2009
Viviendas unifamiliares y bloques de viviendas
Edificios públicos: hospitales, escuelas, etc.
Alumbrado público y señales de tráfico
Antenas de comunicaciones
Bombeo de agua
Consumo humano
Uso agrícola
Desalinizadoras y Depuración de agua
Usos industriales
26
Ejemplos de Aplicaciones
Instalación con grandes ventajas para la
alimentación mediante energía solar
No hay necesidad de baterías
La construcción de un depósito en
altura sirve de almacenamiento de
energía
Por tanto tampoco necesitamos
regulador
No hay necesidad de inversores
Actualmente se pueden encontrar
bombas en corriente continua de gran
calidad
Pocos elementos:
Se reduce el precio de la instalación
Se reducen las posibilidades de avería
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Caso particular: Instalaciones de Bombeo de Agua
Posibles límites del sistema
Potencia máxima de salida
Viene limitada por los inversores: actualmente < 120 kWp
Capacidad máxima de almacenamiento
Viene limitada por las baterías
Plomo-acido: se recomienda no superar más de tres o cuatro paralelos
En Ni-Cd este número es mayor (según los fabricantes) *
28
Otras consideraciones en la aplicación
Tendencia a la escalabilidad
Con el objetivo de poder alimentar poblaciones crecientes de cualquier tamaño
Mediante la integración de tecnologías y la evolución de cada dispositivo
* Se recomienda verificar con el fabricante este punto. Existen pocos casos prácticos
En Plomo-Acido, cada vaso permite almacenar un máximo de 3.000Ah en C-10(2V).
En ramas de 48 V, generalmente la máxima tensión que se utiliza, cada paralelo puede llegar a almacenar:
3.000 Ah x 48 V = 144 kWh
INDICE
Introducción
Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y
Sistema de Backup
Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.
Miniredes inteligentes
Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos
Diseño de sistemas aislados
Mantenimiento
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Realizamos una tabla que recoja todos los consumos que vamos a encontrar en el sistema:
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Diseño del sistema (I)
Dispositivo Número de unidades
Potencia Pico (W)
Potencia Total media (W)
Horas de uso(h / dia)
Energía consumida (Wh/dia)
Lámpara 10 11 88* 8 880
Ordenador 1 300 150 6 900
Nevera 1 1000 400 24 9600
Televisión 1 90 90 8 720
TOTAL 1500 W 728 W 12.100 Wh/día
La potencia pico total afectará, principalmente, al cálculo del inversor
La energía diaria consumida total afectará, principalmente al cálculo de:
El sistema de almacenamiento
El sistema fotovoltaico
Estudio de consumos
* Coeficiente de Simultaneidad del 80%
Según el estudio de consumos, necesitamos generar 12.100 Wh / día de media
Como hemos explicado anteriormente, esta generación debe garantizarse “en el peor
día del año”, es decir en Invierno
31
Diseño del sistema (II)
Cálculo del generador fotovoltaico
Madrid, EspañaEd (34º) Ed (60º)
Jan 2,66 2,96Feb 3,05 3,19Mar 4,32 4,23Apr 4,1 3,63May 4,63 3,75Jun 4,78 3,69Jul 4,91 3,85
Aug 4,79 4,08Sep 4,38 4,14Oct 3,54 3,63Nov 2,66 2,9Dec 2,15 2,39
Total year 1400 1290
Debo tener en cuenta las perdidas que se producirán en los diferentes
equipos: paneles, inversor, regulador, cableado, y baterías
Las perdidas aproximadas en las baterías se pueden estimar del
orden del 15 %
Las pérdidas totales del sistema, en torno al 34 %
WPerdidasHSP
EnergíaP demandada
paneles 85,670.766,039,2
12100
Podemos instalar, por ejemplo, 34 paneles de 230 W = 7.820 Wp
Según el estudio de consumos, necesitamos disponer de 12.100 Wh / día de media
En este ejemplo, se dimensionarán las baterías para abastecer dos días completos sin
irradiación solar.
Las baterías deberán ser capaces, por tanto, de suministrar 24.200 Wh
Para este ejemplo se seleccionarán baterías de Plomo-Ácido con una profundidad de
descarga del 80%
Para aumentar su tiempo de vida, se calcula una profundidad máxima de descarga
del 60%
Se considera un factor de pérdidas en baterías del 85%
32
Diseño del sistema (III)
Cálculo de las baterías
hACapacidad hA
12.1977
2485,06,0
212100
TensiónPérdidasP.Descarga
diasnºEnergía demandada
Instalaremos 12 baterías de 2000 A-h (C-20)
En este caso, nos afecta la potencia pico que tenemos que garantizar
En nuestro caso, esta potencia podría llegar a 1500 Wp
Sin embargo, generalmente, se aplica un “Coeficiente de Simultaneidad”, por el
hecho de que los dispositivos rara vez estarán encendidos todos al mismo tiempo
Además, los inversores están preparados para abastecer una potencia puntual del
doble de su potencia nominal durante un periodo de tiempo determinado
33
Diseño del sistema (IV)
Cálculo del inversor (I)
En nuestro caso concreto, podemos suponer que los picos de arranque del motor de la nevera serán absorbidos durante estos periodos
Alcanzaremos una potencia máxima de 1500 Wp, es decir la potencia nominal
del inversor deberá ser mayor que 750 Wp
Hablando de consumos medios, y aplicando un “Coeficiente de Simultaneidad” del
80% a las bombillas, la potencia nominal del inversor deberá superar los 728 Wp
34
Diseño del sistema (V)
Cálculo del inversor (II)
Seleccionaremos por tanto un inversor con una potencia de
salida mayor que 750 Wp
Energía en demanda: 12.100 Wh
Potencia en los paneles: 7.820 Wp
Capacidad de las baterías: 2.000 A-h (C-20) x 24 V = 48.000 W-h
Potencia de salida del inversor: 750 – 1000 Wp
35
Diseño del sistema (VI)
Resultado final
Se ha considerado que el consumo es el mismo en todos los días del año
En caso contrario (por ejemplo, por disponer de un aire acondicionado) deberíamos
estudiar también el consumo del día de mayor consumo.
Se podrían reducir la baterías, reduciendo su autonomía o aumentando su profundidad de
descarga, e introduciendo un generador diesel que soporte los periodos que las baterías no
pueden asumir
Observaciones
INDICE
Introducción
Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y
Sistema de Backup
Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.
Miniredes inteligentes
Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos
Diseño de sistemas aislados
Mantenimiento
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Limpieza periódica de la cubierta frontal de vidrio del panel solar fotovoltaico
Teniendo en cuenta el nivel de suciedad ambiental
Generalmente una vez al año
Verificación de las conexiones y apriete de los terminales
Verificación del estado de los conductores
Verificación de la estructura de soporte
Si ésta no está protegida contra la intemperie (aluminio, acero inoxidable o
galvanizado), será necesario un tratamiento periódico con pintura antióxido.
Verificación de que no hay objetos que sombrean el panel solar fotovoltaico.
En caso que algún árbol pudiera hacerlo, prever su poda cada vez que se
estime necesario
37
Mantenimiento de los paneles
Las baterías son un elemento de riesgo, por sus características eléctricas y químicas
38
Mantenimiento de las baterías (I)
Principales riesgos
El electrolito es, generalmente, de ácido diluido: riesgo de quemaduras en contacto con la
piel o con los ojos
Riesgo de electrocución
A partir de 24 V, para entornos húmedos
A partir de 48 V, para entornos secos
Riesgo de incendio/explosión
Debido a que generan gas hidrógeno
Necesidad de buena ventilación
Consejos:
Usar guantes y zapatos adecuados
Usar herramientas con mangos de
plástico
Quitarse objetos metálicos
Evitar chispas y llamas en el entorno
de las baterías
39
Mantenimiento de las baterías (II)
Principales acciones para el correcto mantenimiento
Verificar que el local está bien ventilado y protegido de los rayos solares
Mantener el nivel del electrolito entre los límites marcados por el fabricante
Adicionar sólo agua destilada
Proteger los bornes de conexión con grasa antioxidante para evitar la sulfatación
Verificar el apriete de los bornes de las baterías
Limpiar la cubierta superior de la batería