Aplicacion Solar Fotovoltaica conectada a red

APLICACIONES DE SISTEMAS CONECTADOS A
RED
GENERADOR DE 5KW
Generador Solar Colegio Menéndez Pidal, Coslada, Madrid
ÍNDICE
1.
INTRODUCCIÓN
2.
DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE CONEXIÓN A RED
3.
CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA
4.
DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS
5.
4.1
Módulos fotovoltaicos
4.2
Inversores
4.3
Sistema de Monitorización
4.4
Contadores, protecciones y cableado
ANEXOS TÉCNICOS
5.1
Esquema unifilar
5.2
Balance energético y medioambiental
Generador de 5kW
1.
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de conexión a la red eléctrica constituyen la aplicación que mayor expansión ha
experimentado en el campo de la actividad fotovoltaica durante los últimos años. La extensión a gran
escala de este tipo de aplicaciones ha requerido el desarrollo de una ingeniería específica que
permite, por un lado, optimizar diseño y funcionamiento tanto de productos como de instalaciones
completas, lo que incluye el desarrollo de nuevos productos con los conocimientos adquiridos y, por
otro, evaluar su impacto en el conjunto del sistema eléctrico, siempre cuidando la integración de los
sistemas y respetando el entorno arquitectónico y ambiental.
El Real Decreto 2818/1998, de 23 de Diciembre, permite en España que cualquier interesado pueda
convertirse en productor de electricidad a partir de la energía del Sol. Por fin el desarrollo sostenible
puede verse impulsado desde las iniciativas particulares que aprovechando el recurso solar pueden
contribuir a una producción de energía de manera más limpia y más nuestra. Ahora, el ciudadano en
su vivienda unifamiliar, la comunidad de vecinos, las empresas u otras entidades que lo deseen
podrán disponer de su instalación solar conectada a la red. No hay que olvidar la buena imagen
corporativa que conllevan este tipo de iniciativas en una sociedad cada vez más sensibilizada con su
medioambiente.
ISOFOTÓN S.A., empresa española PIONERA Y LÍDER en el sector fotovoltaico, fabricante de
módulos y de sistemas completos llave en mano, ha trabajado en los últimos años en instalaciones
conectadas a la red eléctrica. Se pueden citar como ejemplo los proyectos realizados en las
estaciones de servicio de Repsol (15 kWp), en el Campus de la Universidad de Jaén (200 kWp), o el
llevado a cabo en la propia fábrica de ISOFOTÓN en Málaga (15 kWp) con objeto de realizar un
exhaustivo seguimiento de estos sistemas que ha permitido aumentar el know-how, así como
autoabastecer la fábrica de energía eléctrica en la medida de lo posible.
ISOFOTÓN se encuentra asimismo a la vanguardia de I+D de los sistemas de conexión a red, con
proyectos emblemáticos como Photocampa, PV Soundless, el Parque de las Ciencias de Granada o
el Conjunto de Conexiones a Red en Centros Educativos de Coslada.
Parque de las ciencias, Granada
Generador de 5kW
2.
DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE CONEXIÓN A RED
La instalación fotovoltaica de conexión a red responde al sencillo esquema de la Fig.1. El generador
fotovoltaico está formado por una serie de módulos del mismo modelo conectados eléctricamente
entre sí y se encarga de transformar la energía del sol en energía eléctrica, generando una corriente
continua proporcional a la irradiancia solar que incide sobre ellos. Sin embargo, no es posible inyectar
directamente la energía del generador fotovoltaico en la red eléctrica, ya que debe ser transformada
en corriente alterna para acoplarse a la misma.
ARRAY DE MÓDULOS
INVERSOR
RED ELÉCTRICA
Figura 1. Esquema de principio
La corriente generada se conduce al inversor que, utilizando la tecnología de potencia, la convierte en
corriente alterna a la misma frecuencia y tensión que la red eléctrica y de este modo queda disponible
para cualquier usuario.
La energía generada, medida por su correspondiente contador de salida, se venderá a la empresa
distribuidora tal y como marca el Real Decreto 2818/1998 anteriormente mencionado, que determina
un precio para la generación fotovoltaica de 0,4 €/kWh para instalaciones de potencia nominal 5 kW o
inferior y de 0,22 €/kWh para instalaciones de potencia nominal superior a 5 kW.
Asimismo, la instalación cuenta con un contador de entrada para descontar posibles consumos de la
instalación (stand-by nocturno del inversor, principalmente).
De esta forma, la instalación de conexión a red se plantea como una inversión, facturándose la
energía de la instalación fotovoltaica de forma independiente a la factura de consumo de la vivienda,
por lo que es falsa la creencia de que sólo se vende a la compañía eléctrica el excedente de
producción.
Este último hecho permite reducir el período de amortización que depende de los siguientes factores:
¾ Potencial solar de la instalación: latitud, inclinación y orientación del generador, existencia o
no de sombras.
¾ Porcentaje subvencionado: puede ser superior al 60 %, ya que existen subvenciones tanto a
nivel estatal (IDAE) como para cada Comunidad Autónoma en particular.
¾ Potencia nominal de la instalación: como se ha mencionado el precio de la energía depende
de la potencia nominal de la instalación. Con respecto a este punto, es importante destacar
que la potencia nominal de una instalación se calcula como la suma de las potencias
nominales de los inversores.
Generador de 5kW
Así, el período de amortización medio para una instalación de 5 kW con una subvención del 60 % es
de unos 7 años, incluyendo costes de mantenimiento, emisión de facturas, etc. Como la vida útil de la
instalación es superior a 20 años, estos plazos pueden considerarse razonables.
En una misma instalación se pueden emplear inversores de diversas potencias, cada uno con su
generador fotovoltaico de forma independiente.
Esto permite realizar operaciones de mantenimiento en una parte de la instalación sin interferir en el
resto y confiere una gran modularidad al sistema en lo que respecta a:
¾ Potencia nominal
¾ Posibilidad de ampliaciones.
¾ Adaptación a las particularidades del emplazamiento: minimización de sombras, utilización de
diversos campos con orientaciones e inclinaciones diversas.
Las tecnologías predominantes de inversores en el mercado son:
Inversor de rama: monofásicos, para instalaciones de pequeña potencia (potencia unitaria ≤ 5 kW),
una sola rama de módulos en serie por inversor.
Inversor multi-rama: trifásicos, para mediana y gran potencia (potencia unitaria ≥ 15 kW), varias
ramas conectadas en paralelo de módulos en serie por inversor.
En el proyecto presentado tanto el diseño como los componentes utilizados cumplen las
recomendaciones establecidas en la Normativa siguiente:
•
Ley 54/1997 de 27 de Noviembre del Sector Eléctrico
•
RD 2818/1998 de 23 de Diciembre sobre producción de energía eléctrica por recursos o
fuentes de energías renovables, residuos y cogeneración.
•
RD 1663-2000 de 29 de Septiembre sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de
baja tensión.
•
Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. Ministerio de Industria y Energía.
•
RD 1955/2000 de 1 de Diciembre, por el que se regulan las actividades de transporte,
distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de
energía eléctrica.
•
Norma Básica de la Edificación, NBE.
•
Especificaciones técnicas específicas de la compañía eléctrica distribuidora.
Generador de 5kW
3.
CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA
La siguiente tabla resume un ejemplo de configuración, que podría variar, según las necesidades de
la zona o a petición del cliente.
Datos de Radiación
Localidad
Latitud
MALAGA
36,7
33
Campo 1
Módulo
Nº módulos serie / inversor
I-100
25
Azimut (α)
Inclinación (β)
0
30
1
Nº módulos / inversor
25
Nº ramas paralelo / inversor
Area Generador / inversor (m2)
22
Potencia generador / inversor
2,50
kWp
Potencia nom. AC unitaria
Potencia max. AC unitaria
2.500
2750
W
W
5,00
kWp
5,00
5
kWp
kW
Inversores
Nº total invers.
SOLETE 2500
2
Nº Total Módulos
50
Potencia total Generador FV
Area total Generador (m2)
44
Tipo conexión
50
44
Pot. Generador FV
Potencia del sistema
Total sistema
Nº Total Módulos
Area Generador (m2)
A continuación se describen los componentes más importantes. En el Anexo 2 se ofrece el balance
energético global del sistema.
Generador de 5kW
4.
DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS
4.1 Módulos fotovoltaicos
Para la realización de este proyecto se propone la utilización de módulos fabricados con células de
silicio monocristalino de elevado rendimiento. Estos módulos los fabrica ISOFOTÓN en su factoría de
Málaga. Interesa insistir en que la tecnología de fabricación de estos módulos ha superado unas
pruebas de homologación muy estrictas que permiten garantizar, por un lado, una gran resistencia
a la intemperie y, por otro, un elevado aislamiento entre sus partes eléctricamente activas y
accesibles externamente.
La siguiente tabla resume las características generales de los módulos de ISOFOTÓN:
Células
Contactos
Laminado
Cara frontal
Cara posterior
Marco
Cajas de conexión
Si monocristalino, texturadas y con capa antirreflexiva
Contactos redundantes, múltiples, en cada célula
EVA (etilen-vinil acetato)
Vidrio templado de alta transmisividad
Protegida con Tedlar de varias capas.
Aluminio anodizadoAluminio anodizado
IP 65 con diodos de bypass
Toma de tierra
Especificaciones
Sección de cab le
Terminal de
conexión
Sí
IEC 61215 y Clase II mediante certificado TÜV
4-10 mm 2
Bornera atornillable con posibilidad de soldadura/
Multicontacto opcional
La siguiente tabla resume las características específicas de los módulos seleccionados:
Modelo
Potencia (W p)
Vnom (V)
I-100
100
12
Icc (A)
6,54
Voc (V)
21,6
Imax (A)
5,74
Vmax (V)
17,4
Dimensiones (mm)
1310 x 654
Peso (k g)
11,5
Ns
36
2
47
0,87
10
Np
TONC (ºC)
Área (m2)
Tolerancia (% )
Generador de 5kW
4.2 Inversores
Los inversores propuestos actúan como fuentes de corriente sincronizada con la red y disponen de
microprocesador de control y de PLC de comunicaciones.
Trabajan conectados por su lado DC a un generador fotovoltaico, y por su lado AC a un
transformador que adapta la tensión de salida del inversor a la de la red. Este transformador permite
además el aislamiento galvánico entre la parte DC y la AC.
Dispone de un microprocesador encargado de garantizar una curva senoidal con una mínima
distorsión. La lógica de control empleada garantiza, además de un funcionamiento automático
completo, el seguimiento del punto de máxima potencia (MPP) y evita las posibles pérdidas
durante periodos de reposo (Stand-By).
Así, son capaces de transformar en corriente alterna y entregar a la red toda la potencia que el
generador fotovoltaico genera en cada instante, funcionando a partir de un umbral mínimo de
radiación solar.
Además, permite la desconexión-conexión automática de la instalación fotovoltaica en caso de
pérdida de tensión o frecuencia de la red, evitando el funcionamiento en isla, garantía de
seguridad para los operarios de mantenimiento de la compañía eléctrica distribuidora. Los
umbrales permitidos son:
• En frecuencia: 51 a 49 Hz
• En tensión: 1.1 Um a 0,85 Um
También actúa como controlador permanente de aislamiento para la desconexión-conexión
automática de la instalación fotovoltaica en caso de pérdida de resistencia de aislamiento. Esta
característica, junto con la configuración flotante para el generador fotovoltaico, garantiza la
protección de las personas. La siguiente tabla resume las características específicas de los
inversores seleccionados:
Modelo
Pmax (W )
Pnom (W )
Vmin MPP (V)
Vmax MPP (V)
Vmax (V)
Unom (V)
η europeo (% )
Dimensiones (mm)
Peso (k g)
Distorsión armónica (% )
Factor de potencia
Umb ral de arranque (W )
Consumo stand-b y (W )
Imax,in
Rango Ns (módulos 12 V)
IP
Disponib ilidad (% )
SOLETE 2500
2750
2500
300
525
650
220/230
92,30%
500 x 400 x 300
35
< 4
> 0,98
370 V
< 5
10
20-28
IP 65
0,96
Generador de 5kW
4.3 Sistema de Monitorización
La monitorización del Solete está implementada por defecto. Los equipos vienen preparados para
comunicarse en puerto serie RS-485.
Para comunicar los equipos con el PC es preciso que éste reconozca la comunicación RS-485,
mediante la inclusión de una tarjeta RS-485 en el ordenador o la instalación adicional de un
conversor de señal RS-484 en RS-232.
Las pantallas de monitorización del Solete son descritas en los párrafos siguientes. Es posible
monitorizar hasta 32 equipos en serie.
El programa de monitorización,
entregado por Enertrón, tiene las
siguientes caracteristicas.:
El software es capaz de registrar y
representar las siguientes variables:
¾ Tensión
entrada
y
corriente
de
¾ Potencia activa de salida y
Potencia de entrada
¾ Radiación y temperatura en el
array fotovoltaico (en caso de
contar con medidores)
¾ Energía total inyectada en la
red
¾ Estado del sistema, incluyendo:
1. Estado del equipo (Marcha-Paro/ Localizado MPP-MPP localizado)
2. Estado de los contactores de entrada y salida
3. Alarmas
Todas estas variables se muestran de
forma digital, en tiempo real, en la
primera pantalla del Programa de
Monitorización.
La segunda pantalla representa los
datos históricos (histórico mensual y
valores medios y de pico obtenidos
durante el funcionamiento diario)
Generador de 5kW
4.4 Contadores, protecciones y cableado
La instalación cumple con todas las consideraciones técnicas expuestas en el Real Decreto
1663/2000, así como con la propuesta de seguridad del pliego técnico que nos ocupa y contará con
los siguientes elementos de protección:
1. Interruptor general manual, interruptor magnetotérmico con intensidad de cortocircuito superior
a la indicada por la empresa distribuidora en el punto de conexión. Este interruptor será accesible
a la empresa distribuidora en todo momento, con objeto de poder realizar la desconexión manual.
2. Interruptor automático diferencial.
3. Interruptor automático de interconexión controlado por software, controlador permanente
de aislamiento, aislamiento galvánico y protección frente a funcionamiento en isla, incluidas
en el inversor, como se ha detallado en el apartado previo.
4. Puesta a tierra del marco de los módulos y de la estructura mediante cable de cobre
desnudo y pica de tierra, siguiendo la normativa vigente en este tipo de instalaciones, es decir,
sin alterar las condiciones de puesta a tierra de la red de la empresa distribuidora.
5. Aislamiento clase II en todos los componentes: módulos, cableado, cajas de conexión, etc.
Se tendrán en cuenta en la instalación además los siguientes puntos adicionales con objeto de
optimizar la eficiencia energética y garantizar la absoluta seguridad del personal:
a)
Todos los conductores serán de cobre, y su sección será la suficiente para asegurar que las
pérdidas de tensión en cables y cajas de conexión sean inferiores al 1% de la tensión de
trabajo del sistema en cualquier condición de operación. Todos los cables serán adecuados
para uso en intemperie, al aire o enterrados (UNE 21123).
b)
La red de distribución DC discurrirá de forma aérea hasta la caja de conexiones y medidas
DC y desde este punto estará grapeada en pared hasta el inversor.
5.
ANEXOS TÉCNICOS
5.1 Esquema unifilar
Caja de
embarrado
N
RST
kWh
Cuadro de
distribución
Interruptor
de
Control de
Potencia (ICP)
CUADRO
CONTADORES
Contador Contador
entrada salida
kWh
CUADRO ELÉCTRICO
DE LA E.D.
Contador de
entrada al
consumo
Caja General de
Protección de la ED
kWh
Interruptor
general
CUADRO
PROTECCIONES
CUADRO
PROTECCIONES
Puesta a tierra de marcos de módulos,
estructura y carcasa del inversor
Vigilante de aislamiento
Interruptor on/off del inversor
Interruptor automático controlado
por vigilante de tensión y frecuencia
Interruptor diferencial
Interruptor magnetotérmico
Varistor
Fusible
∆f
∆ Vac
INVERSOR 2
SOLETE 2500
Contador de energía
∆f
∆ Vac
∆f
∆ Vac
INVERSOR 1
SOLETE 2500
ESQUEMA UNIFILAR SISTEMA DE CONEXIÓN A RED DE 5 kW
kWh
GENERADOR FOTOVOLTAICO
25 módulos en serie
I-100/12
25 módulos en serie
I-100/12
5.2 Balance energético y medioambiental
Descripción del método de cálculo
Los datos de radiación utilizados en este proyecto corresponden a los de la base HWORLD para plano horizontal, que representa el fruto de seis años de trabajo de
diversos Organismos y Centros de Investigación de un número considerable de países.
Como métodos para la extrapolación de estos datos a otras superficies no horizontales y,
en general, para la realización de los cálculos de producción energética de los sistemas
correspondientes a cada una de las provincias, se han utilizado los métodos propuestos
por diferentes investigadores del IES-UPM.
Para la obtención del ángulo que optimiza la captación energética a lo largo del año se
propone la siguiente:
βópt = 3,7 + 0,69Φ
La irradiancia sobre esta inclinación óptima se estima como:
2
Ga ( β opt ) = Ga (0) /(1 − 4,46 *10 −4 β opt − 1,19 *10 −4 β opt
)
Para estimar cómo afectan la orientación e inclinación del generador fotovoltaico a la
producción energética, se proponen las siguientes fórmulas:
[G (β ,α )]/[G (β )] = g ( β − β
eff
a
opt
1
opt
) 2 + g 2 ( β − β opt ) + g 3
donde
2
g i = g i1 α + g i 2 α + g i 3 ; i = 1,2,3
A continuación se detallan los valores típicos de los coeficientes g para un grado mediano
de suciedad.
g1i
i =1
8 x10 −9
i=2
3,8 x10 −7
i=3
− 1,218 x10 −4
g 2i
− 4,27 x10 −7
8,2 x10 −6
g 3i
− 2,5 x10 −5
− 1,034 x10 −4
2,892 x10 −4
0,9314
Coeficientes
GENERADOR SOBRE AZOTEA
- BALANCE ENERGÉTICO Datos de Radiación
Localidad
Azimut (α)
Inclinación (β)
Latitud
MALAGA
0
30
36,7
Pérdidas del sistema
Aumento radición ángulo
βóptimo con respecto a
radiación ángulo horizontal
Pérdidas dispersión de
parámetros del generador
Pérdidas α, β, incidencia no
perpendicular
Pérdidas cableado
Pérdidas transformador
Disponibilidad
13,70%
6,00%
6,86%
1,50%
0,00%
96,00%
Pérdidas sombreado
Pérdidas temperatura
módulos
Pérdidas polvo en
generador
Rendimiento inversor
PR
2,00%
8,00%
4,00%
92,30%
74,30%
Radiación diaria media
efectiva (kWh/m2/día)
Energía diaria
generada (kWh/día)
Energía total
generada (kWh)
Prima económica
(€)
2,31
3,33
4,31
5,14
6,44
6,81
7,36
6,44
5,28
3,78
2,58
2,22
8,57
12,38
16,00
19,09
23,94
25,28
27,35
23,94
19,61
14,03
9,60
8,26
265,52
346,74
495,86
572,74
742,19
758,49
847,76
742,19
588,22
435,08
287,92
255,93
105,33
137,54
196,69
227,19
294,40
300,87
336,28
294,40
233,33
172,58
114,21
101,52
Año plano horizontal
4,67
17,37
6.338,64
2.514,35
Año plano ángulo ( α,β) óptimo
4,95
18,39
6.712,54
2.662,66
TOTAL CORREGIDO (0 ,30) con
pérdidas sombreado y
disponibilidad
4,85
18,02
6.315,15
2.505,03
Mes
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Datos energéticos anuales
Distribución de las pérdidas del sistema
0%
19%
21%
7.000
6.000
6%
4%
5.000
Energía (kWh/año)
11%
17%
4.000
22%
3.000
Pérdidas orientación, inclinación e incidencia no perpendicular
Pérdidas sombreado
2.000
Pérdidas dispersión de parámetros del generador
Pérdidas temperatura módulos
1.000
Pérdidas polvo en generador
Pérdidas cableado
0
Pérdidas inversor
Año plano horizontal
Año plano ángulo (α,β)
óptimo
TOTAL CORREGIDO (0
,30) con pérdidas
sombreado y disponibilidad
GENERADOR SOBRE AZOTEA
- BALANCE MEDIOAMBIENTAL La energía solar fotovoltaica ayuda a disminuir problemas medioambientales como:
* El efecto invernadero (provocado por las emisiones de CO2 )
* La lluvia ácida (provocada por las emisiones de SOx )
La siguiente tabla recoge el resumen de la aportación del sistema a la conservación
del medioambiente (*):
Mes
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Año plano horizontal
TOTAL CORREGIDO
Energía total
generada
(kWh)
265,52
346,74
495,86
572,74
742,19
758,49
847,76
742,19
588,22
435,08
287,92
255,93
6.338,64
6.315,15
CANTIDADES QUE DEJAN DE
EMITIRSE A LA ATMÓSFERA
CO2 (Tm)
SOX (kg)
0,28
0,78
0,36
1,02
0,52
1,46
0,60
1,69
0,78
2,19
0,80
2,24
0,89
2,50
0,78
2,19
0,62
1,73
0,46
1,28
0,30
0,85
0,27
0,75
6,67
18,69
6,64
18,62
Teniendo en cuenta que el consumo medio de un hogar español es de 2125 kWh/año (**),
la producción de electricidad de este sistema fotovoltaico conectado a la red representa
veces este consumo.
3,00
Las referencias utilizadas en los cálculos son las siguientes:
(*) Electricidad solar (ingeniería de los sistemas fotovoltaicos) – Eduardo Lorenzo (Ed. PROGENSA)
(*) Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica (Ed. CIEMAT)
En ambos escritos se comparan las emisiones de gases de la combustión del carbón convencional con las
de la energía solar fotovoltaica, contabilizándose las fases de construcción y operación de las plantas,
pero no la de extracción de los componentes.
(**) Tesis doctoral: "Edificios fotovoltaicos conectados a la red eléctrica: Caracterización y análisis"
Estefanía Caamaño (IES)

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