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CENTRO DE FORMACIN PROFESIONAL ESPECFICA NUESTRA SEORA DE LAS
MERCEDES
Capitulo 5 Conexin a red
Instalaciones Solares Fotovoltaicas
Jonathan Medina Garca
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Instalaciones Solares Fotovoltaicas. Jonathan Medina Garca.
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5.1. Introduccin.
La conversin directa de la energa solar en electricidad a travs
de clulas fotovolticas se ha desarrollado durante los ltimos aos
como una alternativa para el suministro elctrico en numerosos
pases. Y en las ocasiones donde el abastecimiento elctrico por red
convencional ya existe, la tendencia ser que las clulas
fotovolticas trabajen con ella.
Inicialmente, los sistemas fotovolticos de conexin a red se
desarrollaron para
centrales fotovolticas de gran tamao. Ya que se pens que podran
en un futuro resolver en algunas zonas ciertos problemas existentes
en la generacin y distribucin de energa convencional. Tras examinar
que dichas centrales trabajaban correctamente y, en la medida que
avanz el mercado de la electrnica se comenzaron a disear sistemas
de menor envergadura. Sistemas ms pequeos y manejables, con la
finalidad de ser instalados a modo de pequeas centrales domsticas.
Sistemas solares totalmente adaptables a viviendas dotadas de
acometida convencional de suministro elctrico.
La primera central fotovoltica conectada a la red en Europa (9,3
kWp.
13/05/1982 Lugano School of Engineering) se construye para
estudiar los efectos de seguridad elctrica que pudieran darse
cuando se conecta una instalacin de este tipo a la red pblica. A
finales de 1998 existan ms de 30.000 instalaciones fotovolticas
conectadas a la red elctrica repartidas por todo el mundo.
Hoy existe un claro apoyo institucional a la tecnologa
fotovoltica. Buen ejemplo
de ello, se encuentra en la lectura de Energa para el futuro,
fuentes de energa renovable (Libro Blanco para una estrategia y un
plan de accin comunitarios. Comisin Europea). Donde se muestra la
articulacin de una campaa para contribuir al despegue real de las
energas renovables. La Comisin Europea, en lo referente a
fotovoltica propone fomentar la implantacin de un milln de sistemas
fotovolticos.
Una campaa con la finalidad de construir una base de mercado
suficientemente amplia para que los costes de fabricacin
desciendan de manera sustancial. Un programa de despegue para
proteger el mercado interior y fomentar la exportacin. A tal
efecto, la campaa organizada incluye una iniciativa para la
instalacin de 500.000 sistemas fotovolticos conectados a red y
destinados dentro del mercado interior de la UE. Para completarla,
incluye una iniciativa de exportacin de 500.000 sistemas
fotovolticos autnomos a los pases en desarrollo.
La poltica energtica no es un orculo, y las perspectivas no son
previsiones
sino reflexiones sobre la gama de futuros posibles. Teniendo
esto ltimo en cuenta y si todo marcha segn los planes operativos en
EEUU, Japn y Europa, es posible que se alcance el 2010 con ms de
1.000.000 de instalaciones fotovolticas conectadas a la red
elctrica en muchos pases. Si a esta cifra le sumamos las
instalaciones fotovolticas autnomas, en la prxima dcada se formar
un mercado fotovoltico que tendr un volumen superior a los 2,5
billones de dlares.
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5.2. Sistemas Fotovoltaicos conectados a la Red SFCR.
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son aquellos cuya
instalacin est motivada por la inyeccin de energa elctrica a la
red, ya sea con nimo de venta de la produccin elctrica de nuestro
sistema fotovoltaico o como apoyo a la red elctrica.
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red elctrica (SFCR)
constituyen una de las aplicaciones de la Energa Solar Fotovoltaica
que ms atencin estn recibiendo en los ltimos aos, dado su elevado
potencial de utilizacin en zonas urbanizadas prximas a la red
elctrica. Estos sistemas estn compuestos por un generador
fotovoltaico que se encuentra conectado a la red elctrica
convencional a travs de un inversor, producindose un intercambio
energtico entre sta y el sistema fotovoltaico, caracterstico de
este tipo de instalaciones. As, el sistema inyecta energa en la red
cuando su produccin supera al consumo local, y extrae energa de
ella en caso contrario.
La diferencia fundamental entre un sistema fotovoltaico autnomo
y los conectados a red, consiste en la ausencia, en este ltimo
caso, del subsistema de acumulacin, formado por la batera y la
regulacin de carga. Adems, el inversor, en los sistemas conectados
a red, deber estar en fase con la con la tensin de la red.
Uno de los factores favorables de los sistemas conectados a la
red, es la posibilidad de mejorar la calidad del servicio de la
energa suministrada por la red, ya que la mxima produccin del
sistema fotovoltaico coincide con horas en que los problemas de
suministro para las compaas elctricas son ms graves.
5.3. Elementos principales de un SFCR.
El esquema de un Sistema Fotovoltaico conectado a la red podra
ser el siguiente:
Los elementos principales de un SFCR seran los siguientes:
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Generador Fotovoltaico (GFV): Sin el cual lgicamente no
existiran los SFCR.
Inversor: Un inversor es un convertidor DC-AC.Normalmente un
inversor est compuesto por una etapa sintetizadora y por otra
filtradora. La etapa sintetizadora se ocupa de producir a su salida
una onda de impulsos a partir de la tensin en continua que tiene en
su entrada (proveniente del GFV). La etapa filtradora tiene como
misin la eliminacin de los armnicos indeseados de la onda de
impulsos para producir una onda totalmente senoidal.
Contadores de produccin: Normalmente en las instalaciones
elctricas conectadas a la red poseen un solo contador de energa
consumida.
En los SFCR existen dos contadores: uno de consumo y otro de
produccin la
diferencia entre lo marcado en los dos contadores ser el dficit
o superhabit de energa producida.
5.4. Dimensiona de los sistemas Fotovoltaicos conectado a la red
(SFCR).
El dimensionamiento de los Sistemas Fotovoltaicos Conectados a
la Red comprende los siguientes puntos:
1.-Dimensionamiento del generador fotovoltaico (GFV).
2.-Dimensionamiento del inversor. 3.-Dimensionamiento de las
secciones del cableado. 4.-Dimensionamiento de las
protecciones.
5.4.1. Dimensionamiento del generador fotovoltaico (GFV).
Para el dimensionamiento del generador nominal se hace necesaria
la observancia de los siguientes condicionantes.
5.4.2. Potencia nominal (Kwp)
En la prctica se elige en funcin del presupuesto disponible y de
la cantidad de electricidad solar que se desea generar. La energa
que podra ser obtenida puede obtenerse mediante la siguiente
expresin:
( , ) * * *365da a b SFCRE G S PR
Donde: E: produccin de electricidad solar anual (Kwhao-1) Gda(a
,b ):valor medio anual de la irradiacin diaria sobre superficie
orientada con
acimut a e inclinacin b (Kwhm-2 da-1) SSFCR: Superficie del
Sistema fotovoltaico conectado a red en m. PR: rendimiento del
sistema o performance ratio (adimensional).
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5.4.3. Mdulos fotovoltaicos a emplear (modelo(s))
Existen varios fabricantes en el mercado, de modo que cada uno
de ellos ofrece varios modelos.
El modelo de mdulo se caracteriza por: PM: potencia del mdulo
(Wp) VOC: tensin de circuito abierto (V) ISC: corriente de
cortocircuito (A) VM: tensin en el punto de mxima potencia (V) IM:
corriente en el punto de mxima potencia (A) RS: resistencia serie
de la clula (W) Tambin resulta de inters conocer: NCP: nmero de
clulas en paralelo NCS: nmero de clulas en serie Parece que si se
quiere instalar una potencia del GFV PGFV y se dispone de
mdulos fotovoltaicos de potencia PM, el nmero de stos a instalar
sera igual a:
GFV
M
PN deModulos
P
En general no es as: se ha de tener en cuenta tambin el margen
de tensiones de entrada del inversor
5.4.4. Conexionado de los mdulos
Se ha de determinar: NMP: nmero de mdulos en paralelo NMS: nmero
de mdulos en serie Dichos valores dependen del modelo de mdulo
fotovoltaico a utilizar y del
margen de tensiones de entrada en las que el inversor busca el
punto de mxima potencia del GFV. Asimismo se ha de cuidar el no
sobrepasar la mxima tensin en circuito abierto que el inversor es
capaz de soportar.
NMS debe ser tal que la variacin con el tiempo de la suma de las
tensiones en el punto de mxima potencia de todos los mdulos se
encuentre en el margen de tensiones en el cual el inversor busca el
punto de mxima potencia de la curva V-I del GFV.
Se deben aadir tantas ramas en paralelo NMP como sean necesarias
hasta completar, aproximadamente, la potencia del GFV que se desea
instalar.
La simulacin puede partir de los valores de NMS y NMP
siguientes, y luego ser modificados hasta conseguir que se cumplan
los dos requisitos que se les exigen:
max inv
M
GFV
M
VNMS
V
PNMP
P
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Donde VMAXINV es el lmite superior del margen para el que el
inversor busca el punto de mxima potencia de la curva V-I del
GFV
5.4.5. Dimensionamiento del inversor
Se ha de determinar la potencia DC de entrada nominal (mxima)
que debe admitir el inversor PINV
En general, PINV depende de PGFV. Una recomendacin muy usada que
proporciona valores de PR = PINV / PGFV, en funcin de la latitud,
es la siguiente:
Sur de Europa: PR = 0.8 - 1.0
Centro de Europa: PR = 0.75 - 0.9
Norte de Europa: PR = 0.7 - 0.8 La recomendacin anterior es
vlida para GFVs orientados al Sur e inclinados
un ngulo aproximadamente igual a la latitud del lugar.
5.4.6. Dimensionamiento de las secciones del cableado
La seccin de los cables debe ser tal que soporten la mxima
corriente que circular por ellos, a la temperatura de trabajo.
Cabe sealar adems, la necesidad de realizar una simulacin del
comportamiento del nuestro generador, en pos de un mejor resultado
en las secciones.
A efectos de aadir un margen de seguridad al dimensionamiento de
las secciones de los cables, es conveniente considerar la mxima
corriente que va a atravesar los conductores un 20% mayor que la
obtenida a travs de la simulacin.
Los cables utilizados para conectar las ramas de mdulos a la
caja de conexin suelen estar al aire y ser unipolares.
Los cables utilizados para conectar la caja de conexin con el
inversor suelen estar al aire y ser unipolares.
Los cables utilizados para conectar la salida del inversor a la
red no suelen estar al aire y a menudo son unipolares. A partir de
los valores obtenidos en la simulacin, la mxima corriente que deben
soportar es igual a:
a) Inversor monofsico:
maxmax
ACc
PI
V
Donde: Icmx (A) es la mxima corriente que circula por el
conductor PACmx (W) es la mxima potencia que suministra el inversor
a lo largo de todo
un ao de operacin. b) Inversor trifsico:
maxmax
3 *
ACC
PI
VL
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Donde: Icmx (A) es la mxima corriente que circula por el
conductor PACmx (W) es la mxima potencia que suministra el inversor
a lo largo de todo
un ao de operacin.
5.4.7. Dimensionamiento de las protecciones
No se tratar en profundidad aqu. Tan slo mencionar: 1.-Los
mdulos fotovoltaicos deben incorporar diodos de paso, para evitar
la
formacin de "puntos calientes". 2.-El empleo de diodos de
bloqueo es controvertido. En general, deben usarse
cuando NMP > 5 3.-Cada rama del GFV debe incorporar un
fusible de proteccin de cables en
serie (tipo gl) de corriente igual a la mxima que se espera que
va a circular por el cable en cuestin.
4.-Poner a tierra los marcos de mdulos, cajas de conexin y
armario del inversor. El cable de puesta a tierra tendr una seccin,
como mnimo de 16 mm.
5.-Utilizar la configuracin flotante para el GFV: ambos polos
deben estar aislados de tierra.
