energía y telecomunicaciones. tema 6.5. energías renovables … ·...

Energía y Telecomunicaciones

Alberto Arroyo Gu6érrez Mario Mañana Canteli Raquel Mar>nez Torre Jesús Mirapeix Serrano

Cándido Capellán Villacián

Departamento de Ingeniería de Comunicaciones

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Crea:ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0

Tema 6.5. Energías renovables (V) Energía fotovoltaica

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

Proyectos conectados a red

En el caso de tener una instalación conectada a red en una vivienda, el esquema de conexión entre los diferentes disposi5vos debiera ser como el indicado en la imagen.

En realidad, este esquema empleado para una vivienda, sería perfectamente válido para una instalación conectada a red de mayores dimensiones, en formato «huerto solar» o en un tejado industrial, por ejemplo.

Generador FV

Esquema instalación FV conectada

Los elementos a considerar en una instalación conectada a red son los de la imagen, teniendo en cuenta que se necesita un inversor que ofrezca una señal senoidal de buena calidad (a la red no se puede inyectar cualquier 5po de señal) y un contador para poder cuan5ficar la energía generada y ver5da a la red.

Generador FV C.C.



C.A.

Generador FV Inversor C.C.



C.A.

Generador FV Inversor Contador C.C.



C.A.

Generador FV Inversor Contador

Distribución

C.C.



C.A.

Proyectos conectados a red

Aspectos que hay que considerar (normalmente) para la implementación de una instalación foto-‐voltaica conectada a red: a) El generador fotovoltaico es el conjunto de módulos FV empleados en la instalación. b) El acondicionamiento de potencia se refiere a la conversión de CC a CA, así como posibles transfor-‐maciones que haya que realizar para un correcto enganche a la red eléctrica de la instalación.

c) En muchas ocasiones, especialmente si hablamos de grandes instalaciones, habrá que considerar obra civil (zanjas, hormigonado de soportes, etc.).

d) Los sistemas complementarios son aquellos que dan un valor añadido a la instalación. Ejemplos los tenemos en el monitorizado remoto de la propia instalación, sistema de seguridad y an5-‐robo, an5-‐incendios, estaciones meteorológicas, etc.

e) Por úl5mo, en una instalación conectada a red, es necesario disponer de un contador que permita determinar la can5dad de energía generada en un periodo de 5empo establecido.

Evidentemente, una gran instalación requerirá una parte de obra civil (canalizaciones, dados de hormi-‐gón que sirvan como soporte a las estructuras, construcción de casetas para los equipos, etc.).

Acondicionamiento potencia

•   Un conver9dor CC-‐CC permite trabajar a dis5ntas V nominal y de consumo (ésta, Xpicamente menor).

•   Al trabajar a mayores tensiones (24 ó 48 V) frente a un consumo de 12 V, se puede reducir la sección de los conductores, con ahorro de coste.

•   Típico en instalaciones con grandes consumos y distancias elevadas entre elementos (generador FV, baterías, etc.).

•   Inversor: es el disposi5vo que permite conver9r de DC (a la salida de un módulo FV) a AC, bien sea para su inyección a la red, bien para su uso domés5co. Para hacer un dimensionamiento estricto de una instalación FV, hay que tener en cuenta el autoconsumo de ciertos disposi5vos como el inversor que, para su funcionamiento, necesitan consumir energía eléctrica.

•   Eficiencia: indica como se comporta el inversor para potencias dis5ntas de la nominal (cuando la carga conectada no es la nominal). Para potencias bajas hay que tener en cuenta el autoconsumo del inversor.

•   Capacidad de sobrecarga: el inversor debe ser capaz de manejar potencias varias veces superior a la nominal durante breves periodos de 5empo.


Inversor: conversión DC-‐AC:

•   Máxima potencia FV admisible (kW).

•   Potencia nominal CC (kW).

•   Límite inferior de tensión del rango MPP (V).

•   Límite superior de tensión del rango MPP (V).

•   Máxima tensión CC admisible (V).

•   Intensidad nominal CC (A).

•   Máxima intensidad CC admisible (A).

Forma de onda generada: senoidal pura/trapezoidal


Un inversor se caracteriza por medio de diferentes parámetros. Algunos de estos pa-‐rámetros son fundamentales para realizar un correcto dimensionamiento de la insta-‐lación, especialmente a la hora de tener en cuenta las tensiones y corrientes del ge-‐nerador FV que el inversor soportará a su entrada (¡teniendo en cuenta las derivas de estos parámetros por efecto de las variaciones de temperatura!).

Inversor: conversión DC-‐AC:

•   Máxima potencia FV admisible (kW).

•   Potencia nominal CC (kW).

•   Límite inferior de tensión del rango MPP (V).

•   Límite superior de tensión del rango MPP (V).

•   Máxima tensión CC admisible (V).

•   Intensidad nominal CC (A).

•   Máxima intensidad CC admisible (A).

Forma de onda generada: senoidal pura/trapezoidal

¡¡Sistemas de conexión a red!!


Un inversor se caracteriza por medio de diferentes parámetros. Algunos de estos pa-‐rámetros son fundamentales para realizar un correcto dimensionamiento de la insta-‐lación, especialmente a la hora de tener en cuenta las tensiones y corrientes del ge-‐nerador FV que el inversor soportará a su entrada (¡teniendo en cuenta las derivas de estos parámetros por efecto de las variaciones de temperatura!).

Un aspecto importante, a la hora de la conexión a red, es la forma de la onda gene-‐rada por el inversor. En instalaciones domés5cas, se puede permi5r que la forma de onda no sea senoidal pura, pero si esa señal va a ser inyectada a la red la calidad de la misma, ha de ser tenida en cuenta.

•   Reglas básicas de diseño INVERSOR.

•   En inversores centrales, o en 1 cadena con paneles en serie, siempre los paneles con la misma inclinación y orientación.


Potinversor = 0,9 ·∙ PotGenFV

Algunos 6pos de inversor

a) Inversor que proporcione directamente una salida de CA (para instalación aislada). b) Inversor que permita diferencias entre cargas CA y cargas CC (para instalación aislada).

•   Conexión a generador FV.

•   Suministro de CA.

•   Carga eficiente de batería y protección contra sobredescarga.

•   Salida adicional en CC.

CA Inversor

CC

CA Inversor

(a)

(b)

•   Soporte de un generador auxi-‐liar (incluida la propia red).

•   Autoconsumo y exportación de energía a la red.

•   Módulos FV de alterna.

•   Seguimiento del punto de máxima potencia.

Algunos 6pos de inversor

c) Inversor que permita la entrada de un generador auxiliar (por ejemplo un grupo electrógeno) como soporte para casos de insolación insificiente, averías, etc. (para instalación aislada y ver5do a la red).

d) Inversores de altas prestaciones para instalaciones conectadas a red.

CA Inversor

CA

(c)

(d)

Inversor Generador Auxiliar

Inversor Central (Baja Tensión)

Configuraciones de inversor

a) Inversor central: un único inversor ges5ona la totalidad de módulos de una instalación, pudiendo encontrarse estos conectados en serie y en ramales en paralelo. Generalmen-‐te se emplea en instalaciones con tensiones bajas y, además, exige que todos los módu-‐los tengan la misma orientación e inclinación.

Fuente: «Planning & Installing Photovoltaic Systems». (Earthscan, 2008).


En este ejemplo, si sólo hubiese paneles instalados en el agua del tejado que se ve en la imagen, se podría usar un único inversor central.

Sin embargo, si en la cara opuesta del tejado también hubiese paneles, no sería reco-‐mendable que un único inversor ges5onase ambas aguas, ya que el inversor ha de ges-‐5onar paneles con la misma orientación e inclinación, con el objeto de poder llevar a todo el generador a su punto de máxima potencia.

Inversor Central (Mayores Tensiones)


Existen inversores centrales diseñados para soportar tensiones más elevadas (mayor n° de paneles conectados en serie).


Inversores Maestro-‐Esclavo (Grandes Sistemas FV) (1 MW)


En la configuración maestro-‐esclavo, el inversor «maestro» ges5ona el generador FV asocia-‐do, hasta que se llega a un umbral de potencia a par5r del cual incorpora a la operación a los inversores esclavos. De este modo, se consigue un ahorro de consumo en la instalación.



Los inversores en cadena se implementan cuando la instalación 5ene un tamaño considera-‐ble. En este caso, cada inversor ges5ona cadenas (con los módulos conectados en serie) o sub-‐arrays (asociaciones serie/paralelo) de módulos FV.

Inversores Cadena (500 a 3000Wp)




Algunos módulos se venden con un inversor integrado, lo que se conoce como inversores de módulo.

Inversores de Módulo

Sistemas complementarios

Algunos de ellos 5enen especial sen5do en grandes instalaciones, donde la monitorización de la instalación o el mantenimiento de los paneles puede resultar de gran relevancia:

Ejemplos

•   Subsistema Circuito Cerrado de Televisión.

•   Subsistema de Protección Contra Incendios.

•   Sistemas An5-‐intrusión y an5rrobo.

•   Estación meteorológica.

•   Sistema telemétrico control de instalaciones.

•   Sistema de monitorización del estado de los paneles.

Topología de los proyectos técnicos

Una vez estudiadas las instalaciones conectadas a red, el otro 5po de instalaciones FV a analizar son las aisladas.

En una instalación aislada, la energía eléctrica generada no se emplea para su ver5do a la red, sino para alimentar (autoconsumo): a) La instalación eléctrica de una vivienda. b) Redes de sensores. c) Estaciones de telecomunicaciones. d) Señalización de tráfico. e) Etc.

Generador FV Inversor Regulador

Instalaciones aisladas

El esquema Xpico de una instalación aislada incluye (en comparación con una conec-‐tada a red) un regulador de carga y un subsistema de acumulación de energía.

Consumos Baterías

Generador FV Inversor Regulador


El esquema Xpico de una instalación aislada incluye (en comparación con una conec-‐tada a red) un regulador de carga y un subsistema de acumulación de energía.

C.C. C.A. Consumos Baterías

Generador FV

Inversor

Regulador

Baterías

Dentro de una instalación FV aislada, ¿qué componentes implicarán un mayor coste dentro del presupuesto?



Como se puede observar, el generador fotovoltaico si cons5tuye el mayor desembolso al comienzo del proyecto, pero, con el paso del 5empo, las baterías –que habrá que sus5tuir tras unos pocos años– pasan a ser el elemento de mayor coste del sistema.

Los diferentes aspectos a considerar en una instalación aislada:

•   Generador FV: paneles y estructuras de soporte (normalmente sobre tejado Estructura fija).

•   Inversor.

•   Batería.

•   Regulador de carga.

•   Cargas o consumos.

•   Protección eléctrica: toma de 5erra, protección frente a sobrecargas, sobretensiones y cortocircuitos...


Viviendas aisladas de red

El regulador de carga es el disposi5vo que ges5ona la carga del subsistema acumulador (de las baterías) por parte del generador FV, de modo que mejora la fiabilidad y durabilidad del subsistema de acumulación.

Su misión es, entre otras cosas, alargar el periodo de vida ú5l de las baterías, evitando sobrecargas y descargas excesivas de las mismas.

El regulador también se encarga de suministrar la energía a las cargas por medio del subsistema acumulador cuando el generador FV no genera lo suficiente (por ejemplo durante la noche).

En un sistema aislado FV el subsistema de acumulación es el que presenta menor fiabilidad (y durabilidad).





Lista detallada con las posibles funcionalidades de un regulador de carga:

•   Evitar sobrecarga perjudicial de la batería.

•   Evitar descargas excesivas de la batería.

•   Protección del propio regulador.

•   Protección contra errores de instalación (ej.: inversión polaridad).

•   Selección manual/automá5ca tensión: 12 / 24 / 48 V.

•   Selección manual/automá5ca 5po batería.

•   Carga eficiente de la batería en varias etapas.

•   Carga periódica de ecualización.

•   Información al usuario.

•   Comunicación con PC y control remoto vía módem.

•   Estado de carga promedio de la batería (una batería con un promedio del 90% soporta 2 ó 3 veces más ciclos de carga-‐descarga frente a un promedio del 50%).

•   Regulación mediante el establecimiento de tensiones constantes de carga (11 y 14.5 V).

•   La tensión la impone la batería y la corriente el módulo (Xpico que la VMPPT sea mayor que la impuesta por la batería).

•   Seguimiento del MPPT (Maximum Power Point Tracking).



En el cálculo de la corriente de salida se 5enen en cuenta por separado los posibles consumos en con9nua y alterna, así como la tensión impuesta por las baterías.

Definir IENTRADA ISALIDA

IENTRADA = 1.25 ·∙ ISC-‐MODULO ·∙ n° ramas

ISALIDA = 1.25 ·∙ (PDC + (PAC /ɳINV ))/VBAT

Dimensionamiento básico regulador de carga

El regulador tendrá especificadas unas corrientes de entrada y de salida. Mediante los cálculos indicados en la diaposi5va podrán determinarse estos valores para nuestra instalación, evitando así un posible daño del regulador.

En ambas expresiones se usa el factor 1.25 como elemento de sobredimensiona-‐miento (protección).

En el cálculo de la corriente de entrada se usa la corriente de cortocircuito del mó-‐dulo, ya que es la máxima que puede entregar.


Aplicaciones profesionales

Como comentábamos anteriormente, las instalaciones aisladas no se emplean só-‐lo para el suministro eléctrico a viviendas. También pueden ser u5lizadas para:

•   Alumbrado.

•   Bombas hidráulicas en zonas aisladas.

•   Refrigeración de vacunas.

•   Estaciones de telecomunicación.

•   Redes de sensores.

•   Señalización.

•   Tratamiento de aguas.

•   Protección catódica.

•   Cercas eléctricas...

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