proyectos paneles solares 2013
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CAPTULO 1: Introduccin
Los sistemas fotovoltaicos, que permiten la generacin de electricidad a partir de la
radiacin solar, constituyen una alternativa importante en aplicaciones en que se requiere
alimentar equipos elctricos en reas que se encuentran excesivamente alejadas de la red
elctrica, o en que las condiciones del terreno circundante imposibilita la extensin de las
lneas de transmisin para cubrir las necesidades de electrificacin en estas zonas.
Este tipo de sistemas fotovoltaicos no son muy difundidos a nivel comercial en reas
urbanas o con posibilidad de conectarse a una red de electrificacin, debido a que la
fabricacin de las celdas solares que conforman los paneles, principales componentes del
sistema fotovoltaico, requiere actualmente un elevado consumo energtico; lo que se traduce
en alto costo de inversin inicial.
En el presente Proyecto Elctrico, se pretende brindar una opcin de generacin fotovoltaica
para la comunidad de mala, actualmente electrificados mediante un sistema con fuente
trmica de generacin.
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1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general
Elaborar una propuesta para la implementacin de un sistema fotovoltaico
autnomo centralizado de generacin elctrica para la comunidad de mala.
El sistema deber poder abastecer las cargas existentes, conectadasactualmente a un sistema elctrico con una fuente trmica de generacin;
dicha fuente se aprovechar como una fuente de respaldo para el sistema.
1.1.2 Objetivos especficos
Realizar una investigacin sobre los niveles promedio de radiacinsolar que se registran en las zonas de mala.
Investigar sobre las principales caractersticas y los costos de losequipos para generacin fotovoltaica disponibles actualmente en el
mercado.
Estimar el presupuesto necesario para la construccin del proyecto e investigarsobre las instituciones que brindan apoyo y financiamiento para este tipo deinstalaciones.
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CAPTULO 2: Generacin elctrica a partir de sistemasfotovoltaicos autnomos
2.1 Conversin de luz solar en energa elctrica
2.1.1 La celda solar
La conversin directa de la luz solar en energa elctrica se consigue mediante las
celdas solares, por un proceso llamado efecto fotovoltaico (FV). Para comprender este efecto,
se considera a continuacin la forma en que se construyen las celdas solares y los procesos
internos que permiten la generacin de una corriente elctrica a partir de la radiacin solar
incidente sobre dichas celdas.
La celda solar posee una estructura similar a la de un diodo, y como tal, los
principales componentes que conforman su estructura interna son los materiales
semiconductores. Estn compuestas bsicamente por una capa de semiconductor tipo N y
otra capa de semiconductor tipo P.
Los materiales en general pueden clasificarse en conductores, aislantes y
semiconductores, de acuerdo con su conductividad elctrica. La conductividad elctrica
indica el grado de movilidad que presentan los electrones dentro de una sustancia
especfica.
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Los electrones que pueden generar una corriente elctrica en un material son los que
se encuentran en las rbitas exteriores o banda de valencia de los tomos, que tienen menor
fuerza de atraccin por parte del ncleo y pueden ser liberados de la misma al aplicar una
diferencia de potencial al material (3). Para ser liberado de la fuerza de atraccin del ncleo
del tomo, la energa suministrada al electrn por el campo elctrico generado por una
diferencia de potencial, deber ser suficiente para que este salte de la banda de valencia sobre
la llamada banda prohibida, hacia la banda de conduccin. La figura 2.1 muestra la
disposicin de estas bandas en materiales conductores, aislantes y semiconductores.
En materiales conductores las bandas de valencia y de conduccin se traslapan por lo
que los electrones de la banda externa de valencia tienen mucha movilidad, y pueden saltar
de tomo a tomo, an a la temperatura ambiente. El valor de la conductividad (inversa de la
resistividad) es elevado en estos materiales.
En materiales aislantes, an cuando se apliquen voltajes elevados a la estructura del
material, la fuerza que se ejerce sobre los electrones de la rbita externa no es suficiente para
permitir que estos atraviesen la banda prohibida y puedan establecer una corriente.
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Figura 2.1 Bandas de energa en los materiales1
Los materiales semiconductores presentan caractersticas intermedias entre
conductores y aislantes, el nivel de energa necesario para que los electrones crucen la
banda prohibida en estas sustancias es mayor que el necesario en un conductor pero no
tan elevado como en el caso de un aislante. El salto de energa entre una banda y otra en
un semiconductor es pequeo, por lo que suministrando energa pueden conducir la
electricidad y su conductividad puede regularse, puesto que basta disminuir la energa
aportada para que sea menor el nmero de electrones que salte a la banda de conduccin;
cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante o poco
variable con la temperatura.
Se puede conseguir un efecto de conversin fotovoltaica en todos los
semiconductores; aunque los semiconductores ms aptos para la conversin de luz solar
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son los ms sensibles, es decir, aquellos que dan el mayor producto de corriente-voltaje para
luz visible (la mayor cantidad de energa transmitida por los rayos solares est en las partes
visibles del espectro).
El silicio es el ms importante material semiconductor para la conversin
fotovoltaica de energa solar. En su forma cristalina pura, este material presenta pocas
cargas libres en su interior y una resistividad alta. Mediante un proceso llamado difusin
se puede introducir pequeas cantidades de otros elementos qumicos, que permiten
decrecer el valor inicial de resistividad y crear simultneamente una regin tipo p y una
regin tipo n, de modo de que se produce una unin p-n.
Un tomo del silicio tiene 4 electrones de valencia, que enlazan a los tomos
adyacentes. Substituyendo un tomo del silicio por un tomo que tenga 3 o 5 electrones de la
valencia producir un espacio sin un electrn (un agujero), o un electrn extra que pueda
moverse ms libremente que los otros. La creacin de agujeros, es alcanzada mediante la
incorporacin en el silicio de tomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza
boro. La creacin de electrones adicionales es alcanzada incorporando un tomo con 5
electrones de valencia, generalmente fsforo. Este proceso de dopado puede visualizarse en
la figura 2.2.
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Figura 2.2 Dopado del silicio2
En la figura 2.3, se observa un diagrama de la forma en que se construyen
generalmente las celdas solares.
Figura 2.3 Construccin de la celda solar fotovoltaica3
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Se observa que los principales componentes de la celda FV son las capas
adyacentes de materiales semiconductores tipo P y tipo N que se unen en una zona
denominada juntura.
Las cargas mayoritarias en cada semiconductor (electrones de un lado y hoyos del
otro) no permanecen inmviles al realizar la juntura, sino que se desplazan hacia la zona
adyacente, donde la concentracin es baja. Este desplazamiento de cargas acumula cargas
positivas en la zona N y negativas en la zona P, creando una diferencia de potencial en la
juntura, la que establece a su vez un campo elctrico en esta zona. El proceso migratorio de
las cargas contina hasta que se alcanza un estado de equilibrio, tal como se muestra en la
figura 2.4.
Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene el espectro y
nivel de energa requerido por el material, las cargas elctricas creadas por la luz mediante el
efecto fotoconductor4sern separadas por la por la barrera en cargas positivas en un lado y
cargas negativas en el otro, creando una diferencia de potencial entre ambas. Este voltaje es
capaz de conducir una corriente a travs de un circuito externo de modo que permite producir
trabajo til.
4 En el efecto fotoconductor, los fotones de la luz incidente generan cargaselctricas libres. Esto se produce por la fotoionizacin interna de los tomos o iones que constituyen el cristal delsemiconductor [3].
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Figura 2.4 Juntura N-P en equilibrios
El voltaje generado en la juntura depende del semiconductor empleado. Para las
clulas de silicio este valor es de alrededor de 0,5 V. Como en la unin p-n se genera un
campo elctrico fijo, el voltaje de una celda FV es de corriente continua. La potencia
elctrica generada por la celda FV en un determinado instante, est dado por los valores
instantneos del voltaje y la corriente de salida. El valor de la corriente depender del valor
de la carga, la irradiacin solar, la superficie de la celda y el valor de su resistencia interna.
La superficie del material semiconductor expuesta a la luz tiende a reflejar hasta el
30% de la luz incidente, lo que reduce la eficiencia de conversin de la celda. Para disminuir
esta reflectancia, sobre la superficie de la celda se coloca una pelcula de material
antireflectante.
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2.1.2 Tipos de celdas solares FV
Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas monocristalinas, planchas
policristalinas o lminas delgadas. Se unen capas de silicio tipo p y silicio tipo n, a travs de
una capa de barrera, que es esencial para el efecto fotovoltaico.
Las planchas monocristalinas se cortan de un lingote monocristalino que se desarrolla
a aproximadamente 1400C, lo que resulta en un proceso muy costoso. El silicio debe ser deuna pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta.
Las planchas policristalinas se realizan por un proceso de moldeo en el cual el
silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en
planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo implican menores
costos de produccin, pero no son tan eficientes como las celdas monocristalinas. El
rendimiento ms bajo se debe a las imperfecciones en la estructura cristalina, resultado
del proceso de moldeo.
El otro tipo corresponde a las clulas amorfas. Como su nombre lo indica, estas
clulas no poseen una estructura cristalina. Precisamente esa simplificacin en la estructura
conduce a un abaratamiento drstico de las mismas.
Es un hecho que cuando ms se aleja la tcnica de fabricacin de una clula FV de la
estructura cristalina pura, ms defectos estructurales aparecern en la sustancia
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semiconductora, los que aumentan la cantidad de cargas libres que son atrapadas,
disminuyendo la eficiencia de conversin.
Otro tipo de celda existente en el mercado considera el hecho de que en el
semiconductor empleado en la construccin de la misma, se generan cargas libres a partir
de solo una parte del espectro luminoso (aquella cuya frecuencia y energa es igual o mayor
a la energa defuncin de trabajo 6del material de la celda). Es por esto que algunas celdas
solares se disean con multijunturas. Es decir, un conjunto de celdas individuales de
distintos materiales, con una sola juntura, que se apilan de forma que la primera celda
captura los fotones de alta energa y deja pasar el resto, para que sean absorbidos por las
dems clulas que requieren niveles de energa ms bajos. Esto permite aumentar la
eficiencia de conversin pero aumenta los costos de produccin.
2.1.3 Paneles solares FV
2.1.3.1 Aspectos Generales:
Los mdulos o paneles solares fotovoltaicos estn conformados por un grupo de
celdas solares interconectadas entre s y protegidas contra la intemperie, impactos y
corrosin. En la figura 2.5 se muestra el aspecto fsico de un grupo de paneles solares y sus
partes principales.
6 Lafuncin de trabajo es la energa necesaria para desprender alelectrn de su tomo padre en un material especfico.
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Figura 2.4 Paneles solares y sus principales componentes7
Como se observa, el conjunto de clulas est cubierto por elementos que le confieren
proteccin frente a los agentes externos y rigidez para acoplarse a las estructuras que los
soportan. Los principales elementos que lo conforman son los siguientes:
- Encapsulante: Material que protege las celdas dentro del panel, debe presentar un
ndice elevado de transmisin de la radiacin y baja degradacin por efecto de los rayos
solares.
- Cubierta exterior de vidrio templado: Permite que el panel resista condiciones
climatolgicas adversas y maximiza la transmisin luminosa, debe soportar cambios bruscos
de temperatura.
- Cubierta posterior: Constituida normalmente por varias capas opacas que reflejan la
luz que ha pasado entre las clulas, haciendo que vuelva a incidir otra vez sobre stas.
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El mtodo de fabricacin de las celdas solares determina, en gran parte, la forma
geomtrica de las mismas. Las primeras versiones eran redondas, versiones ms recientes
tienen forma cuadrada, o casi cuadrada, donde las esquinas tienen vrtices a 45. La forma
cuadrada permite un mayor compactado de las mismas dentro del panel FV, disminuyendo la
superficie que se necesita para colocar un determinado nmero de clulas.
En la tabla 2.1 se muestran los valores de eficiencia y los costos promedio de los tres
tipos principales de paneles fotovoltaicos que se encuentran en el mercado.
Tabla 2.1 Eficiencia y costo de los paneles solares FV8
Tipo de Eficiencia Costopanel (%) (/W)
Mxima ComercialMonocristalino 25 16 8Policristalino 20 14 7
Amorfo 13 8 6
2.1.3.2 Orientacin de los Mdulos FV:
Los mdulos fotovoltaicos se colocan generalmente sobre los tejados o en patios. Un
aspecto fundamental es cerciorarse de que ningn objeto proyecte su sombra sobre el los
mdulos, al menos en las horas centrales del da.
La orientacin de los mdulos se define a partir de dos ngulos principales [14]:
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ngulo azimutal de la superficie (S): ngulo entre la proyeccin de lanormal a la superficie en el punto horizontal y la direccin sur-norte (para
localizaciones en el hemisferio norte) o norte-sur (para localizaciones en el
hemisferio sur).
Inclinacin (p): ngulo entre el plano de la superficie a considerar y lahorizontal.
La mxima captacin en los colectores solares con estructura y orientacin fija, se
logra colocando los mdulo dirigidos hacia el Sur en el caso de una regin en el hemisferio
Norte, y hacia el Norte en el caso de ubicaciones en el hemisferio Sur (S = 0). Esta
configuracin permite balancear las posibilidades de captacin entre la maana y la tarde si
se suponen caractersticas similares de irradiacin. Aunque una variacin de hasta 30 en el
azimutal puede provocar variaciones mnimas de alrededor de 1%. Con dicha orientacin (S
= 0), la mxima captacin en promedio anual se obtiene inclinando los paneles un ngulo
igual a la latitud de la regin en que se instalan. Las variaciones en la inclinacin de 15
respecto al ngulo ptimo produce una reduccin aproximada del 2,5% en la capacidad de
captacin del panel.
Si se desea maximizar la captacin de energa en las maanas, el panel deber
orientarse al Este (S z75) con una inclinacin mayor de la acostumbrada (mayor que la
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latitud). En lugares en que existe asimetra de radiacin solar en las maanas y en las
tardes, por ejemplo por el aumento de nubosidad en las tardes, provocan que el mximo de
captacin, no se logre con azimutal = 0, sino con una orientacin ligeramente hacia es
Este.
En cualquier caso es recomendable una inclinacin mayor de 10, para que el agua de
lluvia pueda circular adecuadamente sobre el panel. Si se asumen algunas prdidas, en
muchos casos pequeas, se tiene un abanico ms amplio de posibilidades de orientacin, lo
que puede facilitar la instalacin y mantenimiento de los mdulos. Pero siempre debe
buscarse que la orientacin sea lo ms cercana a la orientacin que maximiza la captacin
anual ( = 0, = latitud > 10).
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2.2 Diseo de un sistema fotovoltaico autnomo9
Se describen a continuacin los principales componentes de un sistema fotovoltaico
autnomo, sus funciones, as como las principales especificaciones que se deben tener en
cuenta para realizar la escogencia de componentes que permitan un funcionamiento eficiente
y confiable de dicho sistema.
2.2.1 Generador fotovoltaico:
2.2.1.1 Aspectos Generales
Se compone de uno o ms mdulos fotovoltaicos interconectados para conformar una
unidad generadora de corriente continua.
Los mdulos FV debern, preferiblemente estar certificados de acuerdo con la norma
internacionalIEC-61215, o con la norma nacional utilizada en el pas de inters.Los fallos que se presentan generalmente en sistemas FV no se asocian al generador,
sino a los otros componentes del sistema (bateras, regulador, etc.). Por lo que se considera
que este es uno de los componentes de ms alta fiabilidad.
En algunos mdulos, los fabricantes incluyen diodos de paso para protegerlos contra
el fenmeno de punto caliente. La probabilidad de que un mdulo FV sea daado por este
fenmeno es despreciable en sistemas CC de menos de 24V, por lo que el uso de tales diodos
es irrelevante en esos casos.
9 Una gran cantidad de la informacin recopilada en esta seccin, as comolas tablas y las especificaciones que se consideran para los diversos componentes se obtuvieron del documento:Universal Technical Standard for Solar Home Systems, Thermie B SUP 995-96, EC-DGXVII, 1998.
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Es preferible la instalacin de los mdulos FV sobre pedestales o paredes, que
hacerlo sobre los tejados. Los montajes sobre pedestal o sobre pared generalmente permiten
ms fcil acceso a los mdulos, sin poner en riesgo la estanqueidad del techo, y este tipo de
instalacin puede representar un grado de libertad adicional cuando se buscan
localizaciones sin sombras para el generador fotovoltaico. Los montajes sobre tejados a
veces permiten reducir costos y, por lo tanto, tambin pueden ser aceptados, a condicin de
dejar un espacio entre el techo y los mdulos para que circule aire.
Los mdulos fotovoltaicos con el mismo voltaje nominal pueden conectarse en
paralelo sin ninguna restriccin, por lo tanto cuando se agranda un generador fotovoltaico
slo es necesario verificar la seccin de los cables y la capacidad del regulador para manejar
el nuevo valor de la corriente mxima.
2.2.1.2 Dimensionado de los Paneles [18]
El tamao del generador fotovoltaico debe asegurar que la energa producida
durante el peor mes pueda, como mnimo, igualar a la demandada por la carga. Por lo que
para dimensionar tanto los mdulos como las bateras de un sistema FV autnomo, es
necesario conocer las cargas a conectar (televisores, radios, etc.), la potencia nominal de
cada una (P), el nmero de aparatos de determinado tipo (n) y las horas diarias de
funcionamiento (t). El consumo diario (Cd), medido en Wh/da, para cada tipo de carga
se calcula entonces de la siguiente forma.
Cd =P* n * t ( 1 )
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Para sistemas FV domsticos, en que el generador se coloca en cerca de la vivienda, se
calculan por aparte las cargas en CC y en CA, ya que solo las de CA se conectan al inversor.
En el caso en estudio, en que se pretende alimentar varias viviendas a partir de una central
FV, se considera que toda la energa producida deber convertirse en corriente alterna en el
inversor para ser luego transmitida a las viviendas.
La suma de los consumos diarios de todas las cargas, calculados a partir de la
ecuacin (1), constituye el consumo energtico terico Et en Wh. A partir de este valor debe
calcularse el consumo energtico real, E (Wh), que considera los diversos factores de prdida
en la instalacin FV de acuerdo con la siguiente ecuacin
E = Et /R (2)
Donde el parmetro R es el rendimiento global de la instalacin fotovoltaica definido
como
k*R = ( 1 kb kc kv ) * 1
P N ( 3 )d ~
Donde
kb: Coeficiente de prdidas debidas al rendimiento del acumulador:
0,05 en sistemas que no se producen descargas intensas
0,1 en sistemas con descargas profundas
kc: Coeficiente de prdidas en el inversor:
0,005 para inversores de salida senoidal pura, en condiciones ptimas.
0,1 para condiciones de trabajo lejos de las ptimas
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kv: Coeficiente de prdidas varias (transmisin, efecto Joule, etc.)
El intervalo de valores de este parmetro que se toma como referencia es
0,05 < kv < 0,15
ka: Coeficiente de autodescarga diaria de las bateras, los valores tpicos son
0,002 para bateras de baja autodescarga (Ni-Cd)
0,005 para bateras estacionarias de plomo cido (las ms usuales)
0,012 para bateras de alta autodescarga (SLI)
N: Das de autonoma de la instalacin10
4-10 das como valores de referencia
Pd: Profundidad de descarga diaria de la batera:
No deber exceder el 80% de la capacidad nominal del acumulador11
Ahora, es necesario conocer la radiacin solar diaria (H), medida en KWh/m2/da para
cada mes del ao en funcin de la localizacin geogrfica e inclinacin de los paneles y en
base a datos estadsticos histricos de la zona.
Un concepto importante necesario para realizar el dimensionamiento de la cantidad de
paneles necesarios en la instalacin es el nmero de horas pico solares,HPS, que se
10 Das continuos en que la instalacin deber operar bajo unairradiacin mnima (das nublados). Se consume una cantidad de energa mayor que la generada por elsistema FV.11 La eficiencia del acumulador decrece en gran medida con ciclos profundos de carga y descarga (vase laseccin 2.2.3.3).
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refiere al nmero de horas diarias de luz solar equivalentes referidas a una irradiancia
constanteI=1kWh/m2, a la cual se mide siempre la potencia de los paneles. Este un mtodo
para estandarizar la curva diaria de irradiancia solar, tal como se muestra en la figura 2.5. El
rea del rectngulo, definida a partir de las horas pico solares, es igual al rea bajo la curva
horaria de irradiancia real.
Figura 2.5 Definicin de las horas pico solares12
La irradiacin H (kWh/m2), es igual al producto de la irradiancia de referencia, I, y
las horas pico solares, HPS. ComoI=1kWh/m2, se tiene entonces que los valores numricos
de la irradiacin y las horas pico solares son iguales.
Hrk W h ] _ I rk W] *L m2 LL m2 ~~
HPS[ h ]
La cantidad de energa producida por un panel a lo largo de todo el da, es
equivalente a la energa que se producira en las horas de pico solar si el panel opera a su
potencia mxima o nominal (Wp). Dicha potencia es el principal parmetro que describe el
12http://www.torres-refrigeracion.com/pdf/art_fot_014.pdf
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http://www.torres-refrigeracion.com/pdf/art_fot_014.pdfhttp://www.torres-refrigeracion.com/pdf/art_fot_014.pdfhttp://www.torres-refrigeracion.com/pdf/art_fot_014.pdfhttp://www.torres-refrigeracion.com/pdf/art_fot_014.pdf -
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funcionamiento del panel y la especificacin ms importante en el dimensionamiento del
generador FV.
El nmero de paneles necesario (Np) se calcula empleando el nmero de horas pico
solares del peor mes del ao y la potencia pico del panel escogido:
ENp= (5)
0.9 *Wp*HPS
2.2.1.3 Prdidas
Las principales prdidas que pueden generarse en el generador fotovoltaico son
debidas a sombras, temperatura de las celdas superior a los 25C, elementos desparejos,
prdidas en cables, o diferencias significativas entre el voltaje de operacin y el del punto de
mxima potencia.
Estas prdidas pueden compensarse inicialmente mediante una instalacin
cuidadosa, que permita una adecuada ventilacin de los mdulos y cables. Debe buscarse
adems, que las caractersticas elctricas de los mdulos empleados permitan una
adecuada recarga de las bateras en las condiciones climticas particulares del lugar en que
se instalan.
Con el fin de disminuir las prdidas, deben considerarse los siguientes
requerimientos:
El generador fotovoltaico debe estar totalmente libre de sombras durante porlo menos 8 horas diarias, centradas al medioda, y a lo largo de todo el ao.
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El voltaje del punto de mxima potencia del generador fotovoltaico, a unatemperatura ambiente igual a la mxima anual del lugar y a una irradiancia de
800 W/m2, debe estar comprendido en el rango de 14,5 a 15 V.
Este ltimo requisito, asegura que la corriente del generador FV sea mayor que la
corriente en el punto de mxima potencia la mayor parte del tiempo; siempre que se cumplan
los requisitos sobre las cadas de tensin en los cables y en el regulador de carga. Si el rango
de voltajes de operacin del generador se encuentra generalmente por debajo de estos lmites,
es posible que las bateras no se recarguen adecuadamente.
2.2.2 Estructura de soporte mecnica para el generador.
Pueden emplearse diversos materiales para tales estructuras: aluminio, acero
inoxidable, hierro galvanizado o madera tratada, entre otros.
La estructura de soporte debe ser capaz de resistir un mnimo de 10 aos expuesta a laintemperie, sin que la corrosin o fatiga del material sea apreciable. Debe tambin soportarvientos de altas velocidades (120 km/h).
Los mdulos fotovoltaicos con marco deben fijarse a la estructura nicamentemediante elementos de acero inoxidable.
Las estructuras de soporte estticas son generalmente preferibles a las deseguimiento.
El diseo de la estructuras de soporte debe facilitar la limpieza de los mdulosfotovoltaicos y la inspeccin de las cajas de conexin.
El montaje de dichas estructuras debe preservar su resistencia a la fatiga, corrosin yefectos del viento.
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Elevadas temperaturas, que aceleran los procesos de envejecimiento.
Estratificacin del electrolito.
Bajas corrientes de carga.
Estas recomendaciones conducen a especificaciones para el dimensionamiento tanto
de las bateras como del generador FV y el regulador de carga. Algunas de estas
recomendaciones son contradictorias, por lo que deben buscarse soluciones de compromiso
que tomen en consideracin las condiciones locales, como los niveles de radiacin solar,
precios e impuestos de las bateras y paneles FV, equipos de fabricacin local, etc.
Los principales parmetros que definen el funcionamiento de una batera en un
sistema FV son:
El mximo valor de corriente que puede entregar a una carga fija, en formacontinua, durante un nmero especfico de horas de descarga.
Capacidad de almacenamiento de energa. Profundidad de descarga mxima La vida til.
Con la finalidad de poder comparar distintos tipos de bateras, la prueba que determina
la corriente de descarga mxima se ha estandarizado en la industria.
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La corriente mxima corresponde al valor de corriente que permite una descarga
continua de 20 horas, al cabo de la cual la energa remanente representa el 20% de la potencia
mxima inicial.
Debido a que los parmetros utilizados en la prueba son corriente y tiempo, la
capacidad de la batera se define en Ampere-horas (Ah). A partir de este valor puede
determinarse la corriente mxima para un determinado rgimen de descarga.
Debido a la necesidad de evitar descargas excesivas, debe limitarse la mxima
profundidad de descarga (PDmax) a un valor especfico, generalmente est entre 0,3 y 0,6 de
la capacidad nominal. Al alcanzar este lmite debe interrumpirse el suministro de energa a
las cargas. La capacidad disponible Cu, es menor que la capacidad nominal Cb (carga total
que podra extraerse de la batera). Y se tiene que
Cu = Cb * Pdmax (6)
La profundidad de descarga de la batera en un ciclo diario se denomina PDd.
2.2.3.2 Tipos de bateras
SLI:
Las bateras para automviles, referidas como SLI (Starting, Lighting, Ignition),
presentan algunas otras ventajas. Son las bateras ms baratas cuando se las compara en
trminos de capacidad nominal, generalmente se producen localmente y estn ampliamente
disponibles en todos los mercados. La produccin local presenta ventajas por razones
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econmicas y sociales, y adems porque representa la posibilidad para el reciclado de las
bateras usadas, lo que evita problemas ambientales. El principal inconveniente de esta
batera es su relativamente corta vida. Debido a que el diseo de los vasos se optimiza para
entregar altas corrientes durante perodos cortos de tiempo, ya que necesita asegurar el
arranque del vehculo cuando la temperatura ambiente es baja (disminuye la actividad
qumica), tienen grandes reas y placas delgadas, y estn poco adaptados para suministrar
corrientes bajas durante largos perodos de tiempo antes de recargarlos de nuevo, como se
requiere en los sistemas de generacin FV. Este tipo de bateras debe entregar una corriente
pico cercana a los 1000 A durante un periodo de alrededor de tres segundos, pero tiene
asegurada una recarga inmediata que contina mientras el automvil permanezca encendido,
por lo que los regmenes de carga son totalmente distintos.
Por lo tanto, es necesario utilizar bateras de capacidad ms grande, PDd 0,1, y
densidad del electrolito menor a la que se utilizara normalmente (por ejemplo, 1,24 en
lugar de 1,28 g/cl). Esto es necesario para reducir la corrosin y prolongar as la vida de
las bateras. El aumento de resistencia interna de la batera, que se genera mediante estas
prcticas, no representa ningn problema en el funcionamiento del sistema FV, porque los
regmenes de carga y descarga son relativamente bajos en comparacin con los regmenes
a que se somete la batera generalmente. Las bateras SLI clsicas utilizan aleaciones de
plomo y antimonio en las rejillas, y requieren ser frecuentemente rellenadas con agua
destilada. Las celdas de las bateras solares tienen una mayor cantidad de material activo
por unidad de volumen para alargar la vida til de las mismas. Este incremento en la
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cantidad de material activo explica el aumento en el costo de las bateras diseadas para uso
solar.
SLI modif icada:
Existe un procedimiento mediante el cual se varas algunas caractersticas del diseo
de la batera SLI, permitiendo alargar la vida til de la misma sin alterar su funcionamiento.
Las modificaciones ms comunes son: introducir placas ms gruesas y una mayor cantidad de
electrolito en el espacio sobre las placas. Este tipo de bateras se conoce como SLI
modificada y se encuentran en los mercados a veces con el nombre de bateras solares. Este
tipo de batera representa una alternativa importante en el diseo de sistemas FV y su empleo,
siempre que sea posible, debe preferirse en lugar de bateras SLI convencionales.
SLI bajo mantenimiento:
Otro tipo de bateras SLI son las llamadas de bajo mantenimiento, comercializadas a
veces como bateras libres de mantenimiento, que emplean aleaciones de plomo y calcio en
las rejillas. El calcio aumenta el voltaje a que se inicia el gaseo, reduciendo la cantidad de
agua que consume la batera, pero reduce la cohesin del material activo de las placas y la
resistencia al ciclado de la batera. Este tipo de bateras son muy vulnerables a los daos por
descargas profundas, y estn sujetas a deterioro por variaciones en la temperatura. Por estas
razones muchos diseadores de sistemas fotovoltaicos recomiendan no utilizarlas en
aplicaciones FV en pases clidos.
VRLA:
Otra clase de bateras del tipo libres de mantenimiento, son las referidas como
VRLA (Valve Regulated Lead Acid) para aplicaciones profesionales utilizando electrolito
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requieren ningn mantenimiento; poseen mejor resistencia a temperaturas ambientales bajas;
y abaratan costos de envos, ya que se clasifican como sustancia no peligrosa.
Tubulares:
Son las bateras de mejor calidad para uso fotovoltaico, estn hechas con placas
tubulares y rejillas con bajo contenido de Sb-Se. Con este tipo de bateras pueden
alcanzarse vidas tiles de ms de ocho aos, con PDd = 0,2 y frecuencias de
mantenimiento entre 1 y 2 veces al ao. Una desventaja particular de las bateras tubulares
en sistemas fotovoltaicos, es que no aceptan fcilmente regmenes de carga muy bajos,
adems, son caras y no se asegura su disponibilidad en los mercados actuales de los pases
en desarrollo. El aumento en el uso de este tipo de bateras, al igual que en el caso de las
VRLA, ha resultado beneficioso para los programas de electrificacin rural a gran escala,
ya que se ha incentivado a los fabricantes para que expandan y diversifiquen el mercado
de estos productos.
Debido a estas numerosas ventajas, el costo de estas bateras es obviamente ms
elevado (dos o tres veces superior) que el de las bateras con electrolito lquido. Este tipo de
batera tambin requiere un mayor tiempo de carga.
NiCd [19]:
Las bateras de Nquel Cadmio de ciclo profundo tienen un costo de 6 a 8 veces
superior a las bateras de plomo cido con electrolito lquido, aunque su costo operacional a
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largo plazo es hasta 5 veces menor al de una batera de plomo cido con la misma
capacidad.
Este tipo de bateras usan un diseo conocido como placas con bolsillos. Las
placas son de acero inoxidable con depresiones donde se coloca el material activo. El
electrolito que se usa en este caso es una solucin de agua con hidrxido de potasio con
una fina capa de aceite en la superficie superior, que evita la oxidacin por el oxgeno del
ambiente.
Entre las principales ventajas que ofrece esta clase de bateras estn: soportan sin
daarse cargas y descargas excesivas, y operacin con bajo estado de carga; mayor
eficiencia a altas y bajas temperaturas, y pueden operar con temperaturas variables y una
alta humedad en el ambiente, lo que las hace ptimas para climas tropicales; no presentan
sulfatacin de placas o congelacin del electrolito; la autodescarga, que inicialmente es
elevada, disminuye con el tiempo permitiendo prolongados periodos de almacenamiento;
su vida til puede ser hasta ms de dos veces mayor que la de una batera solar de plomo
cido de la misma capacidad.
Entre sus principales desventajas est la caracterstica de descarga, debido a que el
voltaje de la batera permanece prcticamente constante durante la descarga, hasta que cae
sbitamente cuando se agota su capacidad de almacenaje, por lo que no permite tener un
aviso previo. Para delimitar los lmites de carga de la batera se requiere un voltmetro de
gran exactitud, debido a que la diferencia de voltaje entre una batera cargada y descargada es
muy pequea. El bajo voltaje por celda requiere de la colocacin de un nmero mayor de
estas para lograr voltajes cercanos a los 12 V.
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2.2.3.3 Dimensionamiento de las bateras
Los ensayos de ciclado para bateras, en condiciones representativas de su operacin
en sistemas FV, son lentos y difciles. Aunque se han realizados intentos de llevar a cabo
estos ensayos, no existen an procedimientos ampliamente aceptados y es probable que esta
situacin se mantenga en aos venideros. Debido a esto, la solucin ms prctica consiste en
confiar en normas existentes y bien establecidas para usos convencionales de las bateras.
Esto implica utilizar valores correspondientes a una descarga en 20 horas y el nmero de
ciclos correspondientes a una profundidad de descarga de 50.
La primera etapa en el dimensionado de las bateras, consiste en asegurar que la
produccin de energa exceder la demanda durante el peor mes. Para lograr esto, la
capacidad til de la batera (capacidad nominal multiplicada por la mxima profundidad de
descarga) debe permitir entre 3 y 5 das de autonoma (das que el sistema puede suministrar
energa en ausencia de radiacin solar usando solo las bateras).
La ecuacin (7) permite calcular la capacidad del banco de bateras C (kAh), a partir
del consumo energtico real E, calculado en la ecuacin (2); los das de autonoma N; la
tensin nominal del acumulador V (usualmente 12 V); y la profundidad de descarga
permitidaPd.C
_ E*N (7)V *Pd
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Con este dato, puede calcularse el nmero de bateras que se requieren (Nb) en base a
la capacidad de la batera elegida (Qbat) en kWh.
Nb = C ( 8 )Cbat
Una vez confirmado que la produccin de energa exceder la demanda durante el
peor mes y que el banco de bateras brinda los das de autonoma necesarios, el
dimensionado de la batera deber regirse por las siguientes reglas (se consideran
especificaciones para bateras tubulares y SLI como valores de referencia, de acuerdo con
la referencia [1]):
La mxima profundidad de descarga, PdMAX, (referida a la capacidadnominal de la batera en 20-horas) no debe exceder los valores propuestos en
la tabla 2.2.
Tabla 2.2 Valores de descarga mxima porcentual permitida
Tipo de Batera PDmax (%)Obligatorio Recomendado
Tubular 80 70SLI:-Clsica 50 30
-Modificada 60 40-Bajo mantenimiento 30 20
La capacidad til de la batera, Cu, (la capacidad nominal en 20 horas, comose defini anteriormente, multiplicada por la mxima profundidad de
descarga) deber permitir entre tres y cinco das de autonoma.
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La capacidad til de la batera, Cu, debe tambin tomar en cuenta lascondiciones meteorolgicas locales. Cuanto ms grande sea la cantidad de
das nublados esperados, ms grande deber ser el valor de Cu.
Todos los valores de capacidad recomendados corresponden a descargas en 20 horas.
Si se trabaja con otros regmenes de descarga, pueden emplearse las siguientes relaciones
empricas:
100=1.25 40=1.14C20 C20
(9)
Una buena tecnologa de bateras puede ser desaprovechada porque en el campo no
puedan respetarse las instrucciones de carga inicial. Por lo tanto, deben hacerse las
previsiones necesarias para asegurar que la capacidad inicial de las bateras no est
significativamente por debajo de los valores nominales. Esto puede lograse con un proceso
apropiado de formacin durante la fabricacin de la batera, o mediante la realizacin de
cargas iniciales cuando la batera ya est instalada. Si se elige esta ltima alternativa, el
personal que instale las bateras debe tener los equipos necesarios para cargarlas, y estar
capacitado para controlar y realizar las cargas iniciales. Por lo que este tipo de solucin es
generalmente inapropiada en el caso de sistemas FV para electrificacin rural, debido a lo
remoto de las condiciones caractersticas de operacin.
A menudo las bateras se transportan sin electrolito, y se llenan hasta el momento de
su instalacin definitiva. Este procedimiento ofrece ventajas de seguridad durante el
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transporte y evita la descarga durante el almacenaje, pero requiere generalmente de la
realizacin de cargas iniciales en el lugar de la instalacin, lo que, como ya se mencion, no
es una buena prctica en el caso de sistemas FV para electrificacin rural. Una buena prctica
es almacenar las bateras secas y llenarlas con el electrolito justo antes de enviarlas a su
destino final. Esto requiere que las bateras se transporten llenas, pero permite realizar la
carga inicial en el taller del instalador.
Cualquiera que sea el caso, deben hacerse las previsiones necesarias para asegurar que
la capacidad inicial de las bateras puestas en operacin no difiere en ms del 95 % del valor
nominal.
En lo referente a la resistencia de la batera, deben cumplirse las siguientes
especificaciones:
La vida de la batera (es decir, antes de que su capacidad residual caiga por debajo del80 % de su capacidad nominal) a 20C, debe exceder un cierto nmero de ciclos,
NOC, cuando se descarga hasta una profundidad del 50%. En la tabla 2.3 se dan los
valores de NOC para cada tipo de batera.
La autodescarga de la batera a 25C, no debe exceder el 6% de su capacidad nominalen un mes.
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Tabla 2.3 Numero de ciclos requeridos antes de una descarga del 50%
Tipo de Batera NOCTubular 500SLI:-Clsica 200-Modificada 200-Bajo mantenimiento 300
Finalmente, debe mencionarse que la batera deber colocarse en un lugar ventilado
y de acceso fcil pero restringido. Acceso fcil se refiere a que la limpieza de los
terminales de la batera, la verificacin del nivel de electrolito, el relleno de agua y el
reemplazo de fusibles deben poder realizarse sin mover las bateras. Adems por la
posibilidad de ocurrencia de accidentes si la batera o su contenedor se vuelcan o si se
cortocircuitan accidentalmente sus terminales, es necesario tomar las previsiones
necesarias para evitar tales situaciones.
2.2.4 Regulador de carga:
2.2.4.1 Aspectos generales
La funcin bsica de este dispositivo es prevenir descargas y sobrecargas de la batera.
Se emplea adems para proteger las cargas en condiciones extremas de operacin y brindar
informacin al usuario. La funcin de regulacin de carga idealmente debera depender
directamente del estado de carga en la batera. Actualmente existen dispositivos que permiten
realizar esta funcin, pero son complejos y su elevado costo limita su uso en
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sistemas FV domsticos. Los reguladores que se emplean generalmente atienden el voltaje de
la batera.
En la mayora de los casos, el precio del regulador representa solamente el 5% de la
inversin inicial en el sistema FV. Pero su el costo que puede representar a largo plazo es
mucho mayor, debido a que las bateras pueden ser el componente de mayor coste a lo largo
de la vida til del sistema, y la duracin de estas dependen directamente de la calidad del
regulador del carga. Por esa razn deben emplearse reguladores de carga de buena calidad y
con una vida til superior a los 10 aos.
2.2.4.2 Lmites de carga
Para evitar descargas profundas en las bateras, el suministro de energa a las cargas se
interrumpe cuando el voltaje de la batera cae por debajo de un cierto lmite, llamado voltaje
de desconexin de carga. El suministro no debe reanudarse hasta que la batera alcance otro
lmite ms alto, conocido como voltaje de reconexin de carga. Las normas exist entes son
bastante inconsistentes en lo referente a los valores recomendables de dichos voltajes de
umbral. Esto se debe a que el comportamiento elctrico de la batera depende del diseo
particular, del proceso de fabricacin y adems de la edad de la misma.
La seleccin del voltaje de desconexin representa un compromiso entre la
satisfaccin de los usuarios por la disponibilidad de energa, y la proteccin de las
cargas, bateras y otros componentes. La experiencia de campo revela que criterios sobre
protectores conducen a prcticas indeseables, como el puenteo de los terminales del
regulador. Por estas razones, resulta conveniente considerar el uso de algn indicador
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(luces, alarma) que prevenga al usuario sobre el riesgo de desconexin, para que este pueda
regular su consumo y evitar la interrupcin del suministro elctrico.
Los voltajes de conexin y reconexin de carga deben adaptarse a cada tipo de
batera. No es posible establecer una relacin universal entre voltaje y estado de la carga en
la batera, porque estos varan dependiendo de las caractersticas de la misma. Aunque esta
idea de voltajes universales se ha empleado en numerosos programas de electrificacin
fotovoltaica, su uso no es recomendado. Teniendo en cuenta este factor de incertidumbre, se
tienen las siguientes especificaciones para la regulacin de carga:
Debe existir proteccin contra descargas profundas. El valor del voltaje de desconexin de carga, debe corresponder al valor
mximo de la profundidad de descarga definido a partir de la tabla 2, en el
apartado anterior. Para una corriente, en amperes, igual al consumo diario, en
amperes-hora, dividido entre 5.
El voltaje de reconexin de carga debe ser 0,08 V/vaso ( 0,5 V para 12 V)superior al voltaje de desconexin de carga.
La inhibicin manual de la proteccin contra descargas profundas no estpermitida.
Deben incluirse elementos de sealizacin y alarma previos a ladesconexin.
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El voltaje de alarma (estado de carga bajo) debe ser 0.2V (para sistemas de12V) superior a la tensin de desconexin del consumo.
Los voltajes de desconexin, reconexin y alarma deben tener una precisinde 1% (20 mV/vaso, o 120 mV/batera de 12 V) y permanecer constantes
en todo el rango de posible variacin de la temperatura ambiente.
Es necesario tambin proteger las bateras contra sobrecargas, por lo que debe
limitarse la corriente de carga cuando el voltaje alcanza un cierto lmite, llamado voltaje de
fin de carga. Dicha corriente no debe restablecerse hasta que el voltaje caiga por debajo de
otro lmite, denominado voltaje de reposicin.
Existen bsicamente dos clases de reguladores de carga, la diferencia principal
entre ellos es la posicin del dispositivo de corte empleado para limitar la sobrecarga en la
batera. Los reguladores "serie" interrumpen la conexin entre el generador solar y la
batera, mientras que los reguladores "paralelo" (o "shunt") cortocircuitan al generador
solar.
Hay adems, dos tipos bsicos de estrategias de control. En los controladores onoff"
se interrumpe totalmente la corriente de carga cuando se alcanza el voltaje de fin de carga.
En los controladores con "modulacin del ancho de pulso" (o PWM), se recurre a reducir
gradualmente la corriente de carga cuando se alcanza el voltaje de fin de carga,
manteniendo as el voltaje constante, y precisamente igual a este valor.
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Ambos tipos de reguladores y de estrategias de control son adecuadas para sistemas
FV, y no se producen diferencias significativas en la vida til de la batera por el empleo de
uno u otro de estos mtodos.
La seleccin de los voltajes de fin de carga y reposicin representa un compromiso
entre asegurar la carga completa de la batera y evitar la corrosin de las rejillas y el excesivo
consumo de agua.
Idealmente debera realizarse un ensayo de recarga en la batera, para determinar
concretamente la relacin entre el voltaje y la corriente de gaseo. Si dicho ensayo se realiza,
el voltaje de fin de carga deber corresponder a un factor de recarga entre 0.95 y 1, cuando la
carga se produce con una corriente de carga que corresponde a la corriente de cortocircuito
del panel fotovoltaico en condiciones estndar.
El valor del voltaje de fin de carga no es tan sensible al tipo de batera, como el
voltaje de desconexin de carga por lo que si no se dispone del ensayo de recarga, pueden
seguirse las siguientes recomendaciones generales:
El voltaje de fin de carga debe estar en el rango de 2,3 a 2,4 V/vaso, a25C.
En los controladores on-off, el voltaje de reposicin debe estar en el rangode 2,15 a 2,2 V/vaso, a 25C.
En el caso de reguladores PWM, el voltaje de fin de carga debe estar en elrango de 2,3 a 2,35V/vaso, a 25.
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Si se espera que las temperaturas ambientales en las cercanas del reguladorvaren ms que 10C a lo largo del ao, se requiere un circuito de
compensacin de temperatura que realice una correcin de -4 a -5
mV/C/vaso.
El voltaje de fin de carga y el voltaje de reposicin deben tener unaprecisin del 1% (20mV/vaso, o 120mV para 12 V batera).
Si se utilizan rels electromecnicos, la reposicin de la carga debe retardarseentre 1 y 5 minutos.
En la figura 2.5 se observa un ejemplo de la evolucin del voltaje de operacin de una
batera con un regulador de carga asociado.
Figura 2.5: Variacin del voltaje en una batera con regulador de carga13
13 Confiabilidad de los Sistemas Fotovoltaicos Autnomos: Aplicacin a
la Electrificacin Rural, ref.
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Para evitar la descarga de la batera a travs del generador fotovoltaico durante la
noche, se emplea una proteccin contra el paso de corriente inversa. Esta descarga
normalmente no es severa, pero evitarla ayuda a mejorar el comportamiento energtico del
sistema. La proteccin contra corriente inversa es muy fcil de implementar tanto en
reguladores paralelo como en reguladores serie.
2.2.4.3 Cadas de tensin
Las cadas excesivas de voltaje (en el regulador de carga, cables, interruptores,
fusibles, etc.) tienen consecuencias negativas en el comportamiento de muchos sistemas
causando con frecuencia una disminucin de la capacidad efectiva de carga del generador
fotovoltaico.
Debido a que los reguladores de carga miden el voltaje de la batera en los
correspondientes terminales del propio regulador, tales cadas de tensin pueden reducir el
voltaje de carga de la batera, y afectar con ello a su correcto funcionamiento. Cadas de
tensin tan pequeas como 30 mV/vaso pueden tener efectos significativos sobre la
estimacin del estado de carga de la batera y, en ltimo extremo, sobre su tiempo de vida.
De forma anloga, cualquier cada excesiva de tensin en el circuito de consumo
reduce el voltaje disponible en las cargas y puede afectar negativamente a su
funcionamiento. Por estas razones, es necesario limitar las cadas de voltaje tanto en el
cableado como en el propio regulador.
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Las cadas internas de tensin del regulador, entre los terminales de la batera y los del
generador, deben ser inferiores al 4 % de la tensin nominal (0,5 V para 12 V), en las
peores condiciones de operacin (todas las cargas apagadas y mxima corriente procedente
del generador fotovoltaico). Entre los terminales de la batera y los del consumo, deben ser
inferiores al 4 % del voltaje nominal en las peores condiciones de operacin (todas las cargas
encendidas y sin corriente alguna procedente del generador fotovoltaico).
2.2.4.4 Condiciones de operacin
La situacin potencialmente ms peligrosa, tanto para el regulador de carga como para
las cargas, es la operacin sin bateras. Por lo que el regulador debe ser capaz de operar sin
batera, con el generador en condiciones estndar y bajo cualquier nivel de carga permitida.
Para proteger las cargas, el voltaje de salida del regulador en estas condiciones no deber ser
mayor que 1.3 veces el voltaje nominal.
Algunos reguladores no pueden operar con niveles bajos de tensin, por lo que
interrumpen el suministro de corriente a la batera. Para evitar esta situacin, el regulador
deber permitir la carga de la batera desde el generador para cualquier voltaje mayor que 1,5
V/vaso.
El regulador tambin debe ser capaz de manejar cmodamente una corriente de carga
equivalente a 1.25 veces la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico, y una
corriente de descarga de 1.25 veces la correspondiente a todas las cargas encendidas a voltaje
nominal.
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El regulador requiere adems proteccin contra posibles daos provocados por
impactos mecnicos y por condiciones ambientales adversas. El grado de proteccin debe
guardar relacin con el tipo de instalacin de que se trate. IP 32 puede ser aceptable para
instalaciones interiores mientras que IP 54 debe ser siempre obligatoria para instalaciones
exteriores (normas IEC 529 o DIN 40050).
Algunos requisitos adicionales sugeridos para el regulador de carga son:
Debe estar protegido contra polaridad inversa tanto en la lnea del generadorcomo en la de la batera.
Se debe proteger contra sobretensiones por medio de un supresor desobrevoltajes de 1000 W o mayor, instalado entre ambos polos de la entrada
correspondiente al generador fotovoltaico y de la salida correspondiente a las
cargas.
No debe producir interferencias en las radiofrecuencias en ninguna condicinde operacin.
El consumo energtico parsito diario del regulador en condiciones normales de
operacin no debe exceder el 3% del consumo diario considerado en el diseo.
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Otro mtodo consiste en hacer que el regulador desconecte las cargas cuando la carga
en la batera alcanza un nivel de riesgo, y que la reconexin pueda realizarse de forma
manual. Esto permite alertar a los usuarios sobre el riesgo de desconexin sin que tengan que
estar mirando el indicador de estado de la carga.
2.2.5 Sistema de adaptacin de corriente (inversor)14:
2.2.5.1 Aspectos Generales
Su funcin es adecuar las caractersticas de la energa generada a las demandadas por
las aplicaciones de la instalacin. Un sistema de conmutacin electrnico, llamado inversor,
transforma la corriente continua de las bateras en corriente alterna.
Las principales caractersticas que deben considerarse para el dimensionamiento del
inversor son:
La tensin de entrada. Mxima potencia que puede manejar. Margen de sobrecarga permisible. Potencia, tensin y forma de la onda de la salida Frecuencia de trabajo y mximo error de frecuencia. Eficiencia de transformacin (generalmente cercana al 85%) [17].
Junto a estos parmetros deben considerarse algunos otros prcticos como:
14 Referencia [19} 5 0
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Montaje Mecnico Rango de temperatura ambiente de trabajo Dimetro mximo permisible de los conectores de CC Protecciones automticas
En sistemas fotovoltaicos aislados se emplean inversores de conmutacin forzada o
autoconmutados. Los primeros inversores, desaparecidos ya del mercado, generaban un
voltaje de salida en CA en forma de onda cuadrada, tal como se muestra en la figura 2.6. Este
tipo de onda presenta un alto contenido de armnicos que generaban problemas de
interferencia en equipos como radios y televisores, y resultaba imposible la alimentacin de
un ordenador u otros equipos electrnicos.
Figura 2.6 Tensin de salida de un inversor de onda cuadrada15
Un primer avance en el diseo de inversores, permiti generar una onda de salida casi
sinusoidal, conocida tambin como
sinusoidal modificada. Esta de 5 1
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modulacin por
15http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdf
anchura de pulsos (PWM), onda consiste en una serie de escalones de voltaje que tratan de
seguir las variaciones necesarias del voltaje CA de salida. La figura 2.7 muestra una onda de
salida de este tipo.
Figura 2.8 Tensin de salida de un inversor de onda sinusoidal modificada16
Los inversores modernos generan una onda de salida sinusoidal pura o casi pura con
bajo contenido de armnicos y con un mnimo error en la frecuencia, mediante un proceso
llamado modulacin por anchura de pulsos (PWM). Con los PWM pueden obtenerse
rendimientos de hasta 90% inclusive con bajos niveles de carga.
En el mercado se encuentran tambin los llamados inversores/cargadores, un equipo
que combina la funcin de inversor
para transformar la energa de una
fuente renovable de energa con un
cargador de bateras que funciona a
partir
de una fuente de CA, ya sea un grupo 5 2
http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdfhttp://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdfhttp://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdfhttp://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdf -
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electrgeno de respaldo o conexin a red.
16http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdf
http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdfhttp://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdfhttp://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdfhttp://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit11.pdf -
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2.2.5.2 Consideraciones de diseo
Las hojas de datos de inversores generalmente brindan dos valores de potencia, uno
que corresponde a la potencia que el inversor puede suministrar en forma continua, y otro
valor que indica la mxima potencia que el aparato puede tolerar durante un lapso de tiempo
especfico.
El valor de potencia continua que puede suministrar el inversor puede tomarse como
vlido si no se sobrepasa la mxima temperatura ambiente especificada, se tiene el voltaje
requerido mnimo en la entrada de CC, y la carga que se conecta es resistiva o casi resistiva.
Si se conectan motores, balastos u otras cargas inductivas la onda de voltaje y corriente se
desfasan y cambia el factor de potencia, por lo que la potencia real que el inversor puede
manejar disminuye.
La eficiencia del inversor vara en funcin del nivel de carga. Dicha eficiencia es
mayor si el nivel de carga que se conecta se encuentra cerca del valor nominal para el que fue
diseado, y disminuye cuando opera con poca carga o sobrecarga.
Los inversores que suministran potencias elevadas poseen dispositivos de seguridad
que se encuentran en funcionamiento las 24 horas del da, por lo que existe un consumo an
cuando no se transfiere potencia a las cargas.
Algunos inversores implementan una funcin adicional que permite que se
desconecte la salida del mismo para dar paso a la de un generador CA de respaldo (de
gasolina o diesel), lo que permite utilizar los mismos terminales de CA sin tener que
realizar transferencia manual de los cables de un dispositivo a otro.
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Para los equipos que generan onda sinusoidal modificada generalmente no se
especifica el contenido armnico y el error es de 4 ciclos a 60 Hz. En el caso de onda
sinusoidal pura el error en la frecuencia es generalmente 0.05 ciclos, alrededor de 60 veces
menor. En este caso el contenido armnico se especifica como menor a 3%.
El dimensionamiento del inversor se realiza en base al pico mximo de potencia que
se estima en el consumo, pero esto depende de que los usuarios planeen el uso de la energa
para reducir lo ms posible el pico de energa. En general las personas que utilizan el
sistema no tienen idea alguna del consumo elctrico que utilizan o que van a necesitar, y es
probable que el consumo inicialmente moderado aumente con el tiempo. Es necesario
realizar un clculo certero de la distribucin del consumo de energa, ya que la potencia
pico que se toma como referencia en el diseo tiene mucha influencia sobre el costo inicial
del proyecto.
En el caso de un inversor/cargador, en sistemas con fuentes de respaldo (motores
diesel, grupos electrgenos), la nica restriccin importante que se impone sobre la corriente
de carga de las bateras es que esta deber ser inferior al 10% de la capacidad total del banco
de bateras.
2.2.6 Cableado:
Bajas tensiones y corrientes elevadas son caractersticos en sistemas FV, por lo
incluso cadas pequeas de tensin tienden a ser significativas y generan efectos negativos
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sobre la corriente entregada por el generador fotovoltaico, la regulacin de carga de la batera
y la vida til de las lmparas fluorescentes.
Por estas razones, debe evitarse las cadas de tensin dimensionando adecuadamente
el cableado. Las secciones de los conductores deben ser tales que las cadas de tensin en
ellos sean menores al 5% entre el generador y el regulador, menores de 1% entre el regulador
y las bateras, e inferiores a 5% entre el regulador de carga y las cargas. Esto en condiciones
de mxima corriente. Estas cadas en los conductores, son independientes de las cadas en
regulador, mencionadas en el apartado anterior.
Los cables debern ser aptos para funcionar a la intemperie segn la norma IEC
60811, o la norma para cables relevante en el pas de inters.
Las terminales de los cables debern permitir una conexin mecnicamente fuerte,
segura y con baja cada de tensin.
Los cables deben asegurarse a las estructuras de soporte o a las paredes, para evitar
esfuerzos mecnicos sobre otros elementos de la instalacin elctrica (cajas de conexin,
balastos, interruptores, etc.).
En el caso en que se monten sobre una superficie, los cables deben graparse a las
paredes, a intervalos adecuados, para asegurar su posicin vertical y horizontal (no se
recomienda posicionarlos de forma oblicua). De no ser as, deben embutirse en las paredes y
recubrir se con yeso o un material similar.
Los cables deben mantenerse fuera del alcance de los nios.
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Los fusibles para la proteccin de los cables se eligen de forma que la mxima
corriente de operacin est entre el 50 y 80% de la capacidad nominal del mismo. Los
fusibles se instalan preferiblemente en las lneas de polaridad positiva.
2.2.7 Dispositivos de proteccin.
Los sistemas FV domsticos generalmente operan con tensiones bajas (del rango de
12-24V). El factor que representa mayor peligro en estos casos es la batera, ya que tienen
corrientes de cortocircuito muy altas, adems contienen cido sulfrico y libera gases
inflamables. Para evitar este tipo de riesgos, tanto la batera como el regulador de carga
deben estar protegidos contra sobrecorrientes y corrientes de cortocircuito. Dichas
protecciones deben tener efecto tanto sobre la lnea del generador fotovoltaico como sobre la
lnea de las cargas.
Dichas protecciones pueden realizarse de manera fcil implementando fusibles,
diodos, disyuntores u otros; y pueden o no estar incluidas dentro de la caja del regulador.
En cualquiera de los caso, dichas protecciones se consideran parte del regulador en lo
relativo a cadas de tensin en las mismas.
La instalacin de un sistema de pararrayos completo no es aceptable desde el punto
de vista econmico, debido a que generalmente el porcentaje de los daos en mdulos y
reguladores ocasionados por efecto de los rayos es muy bajo, en comparacin con elevado
aumento en el costo inicial del sistema FV que implica la instalacin de tal sistema de
proteccin. Por esta razn, en regiones con tormentas elctricas frecuentes se debe instalar
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algn medio de aislar manualmente los polos positivo y negativo del lado del generador
fotovoltaico. De este modo se puede desconectar el generador fotovoltaico cuando hay
riesgo de descargas elctricas atmosfricas.
2.2.8 Cargas
Las cargas tpicas en sistemas fotovoltaicos son las luminarias, radios y televisores.
La iluminacin constituye generalmente la mayor parte del consumo. Los radios y
televisores son adquiridos directamente por los usuarios en mercados de aparatos
electrodomsticos convencionales, son productos altamente estandarizados y de consumo
modesto.
Por razones de eficiencia, las lmparas fluorescentes son las ms comnmente
utilizadas en sistemas FV. El balasto de la lmpara fluorescente es esencialmente un
oscilador que debe asegurar altas eficiencias energticas y lumnicas, y larga vida de los
tubos. Desafortunadamente para asegurar una larga vida, el tubo necesita ser alimentado por
una tensin constante. Existen en el mercado balastos que incorporan una etapa
estabilizadora de tensin, pero su costo asociado es alto debido a la necesidad de incorporar
un transformador adicional.
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2.3 Electrificacin rural con sistemas fotovoltaicos autnomos
La utilizacin de sistemas fotovoltaicos, y otros sistemas basados en fuentes de
energa renovables, para la generacin elctrica se visualiza como una alternativa de gran
importancia en la actualidad. Este tipo de sistemas se asocian generalmente con sus ventajas
ambientales, como la disminucin en las emisiones de CO2 y otros contaminantes
perjudiciales para la atmsfera derivados de la generacin elctrica a partir de combustibles
convencionales, o la operacin y tratamiento de residuos peligrosos en el caso de las
centrales nucleares. Otro factor que motiva su uso es el previsible agotamiento a mediano
plazo de los combustibles tradicionales como petrleo, gas y carbn; y la dependencia
externa que genera su utilizacin, que motiva que muchos pases o reas econmicas
busquen lograr una mayor diversidad y autonoma energtica.
Algunas iniciativas institucionales aprobadas en pases europeos (como el caso de
Espaa), encaminadas a promover la generacin elctrica de origen renovable, han
provocado un aumento apreciable en la produccin de mdulos fotovoltaicos, orientando
dicha produccin hacia aplicaciones de sustitucin.
Una aplicacin alternativa igualmente ventajosa de estas tecnologas, conjuga los
beneficios para el medioambiente con el desarrollo rural y la posibilidad del acceso a
electricidad de personas que actualmente no disponen de ella. En la figura 2.9 se muestran
datos representativos sobre el grado de electrificacin de algunos pases de distintas reas
geogrficas., diferenciando entre viviendas rurales y urbanas17.
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17 Confiabilidad de los Sistemas Fotovoltaicos Autnomos: Aplicacin a la Electrificacin Rural, ref.
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sistema FV autnomo. En la figura 2.10 se muestra la configuracin usual de un sistema
hbrido fotovoltaico con motorgenerador.
Figura 2.10 Sistema de electrificacin hbrido fotovoltaico con
motorgenerador18Usualmente, en la demanda de energa por parte de los usuarios se dan
aumentos puntuales en el pico de energa entregada que se encuentran por encima de la
capacidad del generador fotovoltaico. Para superar esta dificultad se debera aumentar la
capacidad del sistema FV, lo que no sera viable desde el punto de vista econmico, dado
que esa cantidad de energa pico no se consume todo el tiempo y los equipos FV
adicionales necesarios son de
elevado costo. En el sistema
hbrido, la cantidad de energa
normal 6 1
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18https://reader010.{domain}/reader010/html5/0625/5b3069a
http://www.codeso.com/files/eessin35.jpghttp://www.codeso.com/files/eessin35.jpghttp://www.codeso.com/files/eessin35.jpghttp://www.codeso.com/files/eessin35.jpg -
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consumida se cubre con el sistema fotovoltaico y el pico de energa faltante se genera a partir
del motorgenerador.
La adicin del motor generador al sistema FV resulta en una inversin inicial menor
que la necesaria en caso de un sistema puramente fotovoltaico de mayor tamao. Aunque a
largo plazo los costos son un poco mayores debido a que el motorgenerador consume
combustible y requiere mantenimiento. En estas condiciones, el pico de potencia que se
puede generar es muy grande, ya que se suma el aporte del sistema FV y el del
motorgenerador [21].
En el diseo de sistemas domsticos FV en algunos casos pueden especificarse dos
requisitos alternativos para un mismo componente o instalacin, ya que normalmente se
plantea una opcin en base a calidad tcnica y costes, y la seleccin final se hace en
funcin de las disponibilidades y restricciones locales. Las especificaciones obligatorias
(derivadas de una norma legal) para determinado componente representan un mnimo
absoluto, mientras que una especificacin recomendada representa una opcin ms
deseable pero ms costosa.
La flexibilidad en el dimensionamiento del sistema FV es tambin de gran
importancia. Por esto, es necesario prestar especial atencin a la posibilidad de agrandar un
sistema fotovoltaico domstico simplemente incrementando el tamao del generador
fotovoltaico agregando ms paneles o aumentando la cantidad de bateras para
almacenamiento.
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