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TEMA 4
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
CONECTADOS A RED
P.J.Pérez
2008
Instalaciones Fotovoltaicas
Tema 4.- SFCR
Índice
4.1.- Introducción.
4.2- Módulos o paneles fotovoltaicos
4.2.1.- CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL PANEL FOTOVOLTAICO
4.2.2.- COMPORTAMIENTO DEL PANEL FOTOVOLTAICO
4.2.3.- TIPOS DE CELULAS USADAS EN LOS MODULOS
4.2.4.- CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
4.3.- Inversores fotovoltaicos
4.3.1.- ELEMENTOS ESPECÍFICOS DE LOS INVERSORES PARA SFCR
4.3.2.- TIPOS DE INVERSORES
4.3.3.- EFICIENCIA DE LOS INVERSORES
4.3.4.- ESPECIFICACIONES DE LOS INVERSORES
4.4.- Tipos de SFCR
4.5.- Dimensionado básico de un SFCR
4.6.- Cálculo de energía generada por el sistema
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Curso 2007/2008
Tema 4.- SFCR
TEMA 4.- SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A RED.
4.1.- Introducción.
Un SFCR es aquél que dispone de módulos fotovoltaicos para la conversión directa de
la radiación solar en energía eléctrica, sin ningún paso intermedio, y que normalmente
trabaja en paralelo con la empresa distribuidora. A menudo estos sistemas se instalan
en edificios, en cuyo caso se denominan Edificios fotovoltaicos conectados a la red.
Antes de la aparición del Real Decreto 2818/1998, la legislación vigente permitía
vender únicamente el excedente entre la producción del sistema fotovoltaico y el
consumo de la vivienda. Sin embargo, esta situación ha cambiado radicalmente a
causa de dicho decreto, por el cual es posible que toda la potencia eléctrica que el
inversor entrega a su salida se inyecte (venda) en la red y que el consumo total de la
vivienda se extraiga (compre) de la red.
Un SFCR está formado básicamente por el generador fotovoltaico o conjunto de
módulos interconectados y el inversor o equipo encargado de convertir la potencia
continua disponible a la salida del generador en potencia alterna con las
características de la red eléctrica convencional. Además, debe disponer de una
estructura de soporte de los módulos y los elementos necesarios de protección y
medida.
Figura 9.- Esquema general de un SFA
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Ejemplo 1:
Proyecto: UNIVER
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Ciudad: Jaén (ES)
Características: Aparcamientos
Monocristalino - Conectado a red 140 kWp
Ejemplo 2:
Características: Barrera de sonido
Monocristalino - Conectado a red
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Tema 4.- SFCR
4.2- Módulos o paneles fotovoltaicos
Un panel solar esta constituido por varias células iguales conectadas eléctricamente
entre si, en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y corriente suministrada por
el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor parte de los
paneles solares se construyen asociando primero células en serie hasta conseguir el
nivel de tensión deseado, y luego asociando en paralelo varias asociaciones serie de
células para alcanzar el nivel de corriente deseado. Además, el panel cuenta con otros
elementos a parte de las células solares, que hacen posible la adecuada protección
del conjunto frene a los agentes externos; asegurando una rigidez suficiente,
posibilitando la sujeción a las estructuras que lo soportan y permitiendo la conexión
eléctrica.
Figura 15.- Estructura panel fotovoltaico
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Estos elementos son:
- Cubierta exterior de cara al Sol. Es de vidrio que debe facilitar al máximo la
transmisión de la radiación solar. Se caracteriza por su resistencia mecánica, alta
transmisividad y bajo contenido en hierro.
- Encapsulante. De silicona o más frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es
especialmente importante que no quede afectado en su transparencia por la continua
exposición al sol, buscándose además un índice de refracción similar al del vidrio
protector para no alterar las condiciones de la radiación incidente.
- Protección posterior. Igualmente debe dar rigidez y una gran protección frente a los
agentes atmosféricos. Usualmente se emplean láminas formadas por distintas capas
de materiales, de diferentes características.
- Marco metálico. De Aluminio, que asegura una suficiente rigidez y estanqueidad al
conjunto, incorporando los elementos de sujeción a la estructura exterior del panel. La
unión entre el marco metálico y los elementos que forman el modulo está realizada
mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo del panel.
- Cableado y bornas de conexión. Habituales en las instalaciones eléctricas,
protegidos de la intemperie por medio de cajas estancas.
- Diodo de protección. Su misión es proteger contra sobre-cargas u otras
alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel.
Los Panel solares tienen entre 28 y 40 células, aunque lo más típico es que cuenten
con 36. La superficie del panel o modulo puede variar entre 0.1 y 0.5m2 y presenta dos
bornas de salida, positiva y negativa, a veces tienen alguna intermedia para colocar
los diodos de protección.
Normalmente, los paneles utilizados, están diseñados para trabajar en combinación
con baterías de tensiones múltiplo de 12V, como veremos en la sección dedicada al
acumulador.
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Figura 16.- Estructura y tipos de módulos fotovoltaico
4.2.1.- CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL PANEL FOTOVOLTAICO
El comportamiento eléctrico de un módulo fotovoltaico, esta representado por su curva
característica V-I, obtenida habitualmente bajo unas condiciones estándares de
medida1 de ésta se pueden obtener una serie de parámetros que son necesarios para
el diseño de generadores fotovoltaicos, y que a continuación pasamos a describir.
Al igual que en la célula solar son importantes los siguientes parámetros:
- Potencia máxima o potencia pico del módulo (PmaxG). Si se conecta una cierta
carga al panel, el punto de trabajo vendrá determinado por la corriente I y la tensión
V existentes en el circuito. Estos habrán de ser menores que los IscG y VocG que
definiremos más adelante. La potencia P que el panel entrega a la carga está
determinada por la ecuación genérica:
1
Condiciones Estándar de Medida de Características de Módulos Fotovoltaicos: Irradiancia 1000 W/m2
Distribución espectral AM 1,5; Incidencia Normal; Temperatura de la célula 25º
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A su valor más alto se le llama potencia máxima o potencia pico del módulo. Los
valores de la corriente y de la tensión correspondiente a este punto se conocen
respectivamente como:
- IPmax Intensidad cuando la potencia es máxima o corriente en el punto e máxima
potencia.
- VPmax la tensión cuando la potencia también es máxima o tensión en el punto de
máxima potencia.
Otros parámetros son:
- Corriente de cortocircuito (IscG), que se obtiene al cortocircuitar los terminales del
panel (V=0) que al recibir la radiación solar, la intensidad que circularía por el panel es
de corriente máxima.
- Tensión de circuito abierto (VocG), que se obtiene de dejar los terminales del panel
en circuito abierto (I=0), entre ellos aparece al recibir la radiación una tensión que será
máxima.
Dichos parámetros se obtienen en unas condiciones estándar de medida de uso
universal según la norma EN61215. Establecidas como sigue y que el fabricante debe
especificar:
Irradiancia: 1000W/m2.
Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5 (masa de aire)
Incidencia normal.
Temperatura de la célula: 25ºC
Otro parámetro que debería ser suministrado es la TONC o Temperatura de
Operación Nominal de la Célula. Dicho parámetro se define como la temperatura
que alcanzan las células solares cuando se somete al módulo a las siguientes
condiciones de operación:
Irradiancia: 800W/m2
Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5 (masa de aire)
Incidencia normal
Temperatura ambiente: 20ºC
Velocidad del viento: 1m/s
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4.2.2.- COMPORTAMIENTO DEL PANEL FOTOVOLTAICO
Una vez conocidos estos parámetros, podemos determinar como afectan diferentes
factores a los paneles fotovoltaicos.
- La intensidad aumenta con la radiación, permaneciendo más o menos constante
el voltaje. Es importante conocer este efecto ya que los valores de la radiación
cambian a lo largo de todo el día en función del ángulo del Sol con el horizonte, por lo
que, es importante la adecuada colocación de los paneles existiendo la posibilidad de
cambiar su posición a lo largo del tiempo, bien según la ora del día o la estación del
año.
- La exposición al Sol de las células provoca su calentamiento, lo que lleva
aparejados cambios en la producción de electricidad. Una radiación de 1000 W/m2 es
capaz de calentar una célula unos 30ºC por encima de la temperatura del aire
circundante. A medida que aumenta la temperatura, la tensión generada es menor, por
lo que es recomendable montar los paneles de tal manera que estén bien aireados y,
en el caso de que sea usual alcanzar altas temperaturas, plantearse la posibilidad de
instalar paneles con un mayor número de células.
- El número de células por modulo afecta principalmente al voltaje puesto que
cada una de ellas produce 0.4V. La Voc del módulo aumenta en esa proporción. Un
panel solar fotovoltaico se diseña para trabajar a una tensión nominal Vpn, procurando
que los valores de VPmax en las condiciones de iluminación y temperatura más
frecuentes coincidan con Vpn.
Los parámetros bajo los que operan los paneles fotovoltaicos, para una determinada
localización, hacen que la característica de voltaje DC de salida varíe dentro de un
margen considerable a lo largo de todo el año. La radiación y la temperatura ambiente
experimentan además otro tipo de variación debidos a factores diurnos y
estacionarios.
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Figura 18.- Efectos de la irradiancia y la temperatura sobre la característica V-I de un
módulo fotovoltaico
4.2.3.- TIPOS DE CELULAS USADAS EN LOS MODULOS
En cuanto a la eficiencia de las diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden
indicar ciertos valores aproximados. Para el caso del Silicio monocristalino ésta se
sitúa en, aproximadamente entre un 16 y un 25% mientras que en el policristalino
actualmente es del 12-13% siendo posible que se eleve a corto plazo en un nivel
similar al alcanzado ya para el monocristalino.
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Como resumen, en relación a la tecnología solar del silicio mono o
policristalino, se puede indicar que su situación es madura, pero no obstante existe un
amplio aspecto de posibles mejoras, muchas de ellas analizadas y verificadas en
profundidad en laboratorios.
Otros posibles materiales para la fabricación de células solares es el Silicio
amorfo. Esta tecnología permite disponer de células de muy delgado espesor, lo cual
presenta grandes ventajas. Adicionalmente su proceso de fabricación es, al menos
teóricamente, más simple y sustancialmente más barato. La eficiencia es
comparativamente algo menor que en los casos anteriores (6-8%) y todavía no se
dispone de datos suficientes en cuanto a su estabilidad. Su principal campo de
aplicación en la actualidad son los relojes, juguetes, calculadoras y otras aplicaciones
de consumo. Dentro de las aplicaciones energéticas equivalentes a las de la
tecnología del Silicio cristalino, su versatilidad es muy adecuada para la confección de
módulos semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en
edificios.
Figura
19.-
Tipos
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de
células
usadas
11
en
módulos
comerciales
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4.2.4.- CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
El sistema generador deberá cumplir los siguientes requisitos, si atendemos al pliego
de condiciones técnicas del IDAE:
1. Todos los módulos deberán satisfacer las especificaciones UNE-EN 61215
para módulos de silicio cristalino, o UNE-EN 61646 para módulos fotovoltaicos
capa delgada, así como estar cualificados por algún laboratorio reconocido (por
ejemplo, Laboratorio de Energía Solar Fotovoltaica del Departamento de
Energías Renovables del CIEMAT, Joint Research Centre Ispra, etc.), lo que se
acreditará mediante la presentación del certificado oficial correspondiente. Este
requisito no se aplica a los casos excepcionales del apartado 4.1.1.3.
2.
El módulo fotovoltaico llevará de forma claramente visible e indeleble el
modelo y nombre o logotipo del fabricante, así como una identificación
individual o número de serie trazable a la fecha de fabricación.
3. Se utilizarán módulos que se ajusten a las características técnicas descritas a
continuación. En caso de variaciones respecto de estas características, con
carácter excepcional, deberá presentarse en la Memoria de Solicitud
justificación de su utilización y deberá ser aprobada por el IDAE.
4.
Los módulos deberán llevar los diodos de derivación para evitar las posibles
averías de las células y sus circuitos por sombreados parciales y tendrán un
grado de protección IP65.
5. Los marcos laterales, si existen, serán de aluminio o acero inoxidable.
6.
Para que un módulo resulte aceptable, su potencia máxima y corriente de
cortocircuito
reales
referidas
a
condiciones
estándar
deberán
estar
comprendidas en el margen del ± 10 % de los correspondientes valores
nominales de catálogo.
7. Será rechazado cualquier módulo que presente defectos de fabricación como
roturas o manchas en cualquiera de sus elementos así como falta de alineación
en las células o burbujas en el encapsulante.
8.
Se valorará positivamente una alta eficiencia de las células.
9.
La estructura del generador se conectará a tierra.
10. Por motivos de seguridad y para facilitar el mantenimiento y reparación del
generador, se instalarán los elementos necesarios (fusibles, interruptores, etc.)
para la desconexión, de forma independiente y en ambos terminales, de cada
una de las ramas del resto del generador.
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4.3.- Inversores fotovoltaicos
El inversor, para un sistema fotovoltaico conectado a red, es el elemento utilizado para
convertir la potencia continua disponible en el generador fotovoltaico en una señal
alterna en condiciones de ser inyectada a la red. En general, puesto que a la entrada
del inversor se recibe una señal continua que ha de ser transformada en señal alterna,
el inversor debe realizar dos funciones principales: en primer lugar, lo que se
denomina conmutación y en segundo lugar, lo que se denomina filtrado. Por medio de
la conmutación se transforma la señal continua en una señal cuadrada. Para ello se
utilizan circuitos de potencia construidos por dispositivos semiconductores que han de
funcionar en dos únicos modos: corte y saturación. A estos circuitos también se les
denomina sintetizadores. La segunda etapa es el filtrado con el que se consigue una
onda senoidal. Para el filtrado se utilizan filtros de potencia constituidos por bobinas y
condensadores.
Figura 20.- Diagrama de bloques de un inversor convencional
Un inversor, en sentido estricto, es un equipo encargado de convertir la energía
continua en energía alterna. Sin embargo, el equipo que en un SFCR se denomina
inversor es el encargado de realizar las siguientes funciones:
•
Convertir energía continua en energía alterna con una alta eficiencia
•
Realizar el seguimiento del punto de máxima potencia del generador
fotovoltaico.
•
Protección de la parte de alterna (Anti-islanding)
•
Protección de la parte de continua (Controlador de aislamiento)
•
Monitorización
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Así, la electrónica de potencia de un SFCR se puede igualar al equipo denominado
inversor.
Figura 21.- Diagrama de bloques de un inversor para SFCR
Para un buen funcionamiento del inversor, éste ha de tener una serie de
características de operación:
¾ Baja distorsión armónica total
¾ Rendimiento elevado.
¾ Bajo consumo.
¾ Seguimiento del punto de máxima potencia.
¾ Protección contra sobretensiones.
¾ Aislamiento galvánico o dispositivo similar.
¾ No funcionamiento en isla.
¾ Conexión / Desconexión automática.
Es importante remarcar que los inversores de SFA son diferentes a los
inversores de SFCR, y por lo tanto, no se pueden usar en instalaciones distintas
de aquellas para las cuales ha sido diseñado. En el caso de los módulos
fotovoltaicos, no ocurre esto, ya que son los mismos para ambos tipos de
sistemas.
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4.3.1.- ELEMENTOS ESPECÍFICOS DE LOS INVERSORES PARA SFCR
Seguidor del punto de máxima potencia
Un generador fotovoltaico presenta una curva de Tensión-Corriente, como la mostrada
en la figura 19, para una determina radiación y temperatura. En esta curva, solo existe
un único punto, llamado punto de máxima potencia (PMP), para el cual el generador
entrega la máxima potencia.
Figura 22.- Curva típica de Tensión-Corriente de un generador FV
El punto de máxima potencia es variable a lo largo del tiempo, ya que la curva de
Tensión-Corriente y por lo tanto el PMP, cambia con la radiación y con la temperatura.
Este hecho se representa en la figura 20.
Figura 23.- Curvas típicas de Tensión-Corriente de un generador FV
para diferentes niveles de radiación y temperatura
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El dispositivo encargado de mantener el generador trabajando en el punto de máxima
potencia (PMP) es el seguidor o “Maximum Power Point Tracker” (MPPT). Este
dispositivo se sitúa como un bloque electrónico a la entrada del inversor y esta
formado por un convertidor cc/cc y un circuito de control. El sistema de control del
MPPT se encarga de supervisar algunos parámetros, por ejemplo la tensión y
corriente del generador, y de dar las consignas adecuadas al sistema cc/cc. Estos
sistemas de control pueden ser analógicos o digitales y pueden monitorizar una o dos
variables del generador para el proceso de búsqueda del PMP.
Figura 24.- Diagrama de bloques del MPPT
La eficiencia del seguidor del punto de máxima potencia se puede definir como la
relación entre la energía real que aprovecha un seguidor del generador y la energía
que aprovecharía un inversor con un seguidor del punto de máxima potencia ideal.
t
η PMP
P
∫
=
∫P
actual
0
t
0
max
(t )dt
(t )dt
Donde Pactual (medida) es la potencia real obtenida del generador fotovoltaico por el
inversor con un determinado seguidor del punto de máxima potencia y Pmax es la
potencia máxima disponible a la salida del seguidor.
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Islanding
El funcionamiento en isla o “islanding” es el fenómeno eléctrico que se produce
cuando la red eléctrica se desconecta y los SFCR siguen funcionando. La ocurrencia
de esta situación puede ser potencialmente peligrosa para la red o para los operarios
de la misma en labores de mantenimiento. Por lo tanto, esta situación debe ser
evitada, estando prohibida por la legislación actual.
En la actualidad existen divergencias sobre el sistema encargado de evitar el
funcionamiento en isla del inversor. Hay un amplio consenso en que se deben
desconectar los inversores cuando la tensión o la frecuencia de la red está fuera de los
límites establecidos tanto para proteger la red de baja tensión como el propio inversor.
El desacuerdo se presenta en el método de monitorización aplicado para detectar que
la red está fuera de los niveles normales. En Alemania y Austria es obligatorio aplicar
la monitorización de las tres fases o la medida de la impedancia de la red mediante
ENS (estándar VDE 0126), mientras que en países como Holanda y Suiza el método
usado es libre y en países como EE.UU. y Reino Unido el método es libre, pero no se
permite la medida de la impedancia por miedo a introducir perturbaciones en la red [2].
La controversia estriba en el uso de ENS, ya que es un sistema bastante caro
para sistemas pequeños e incluso algunos investigadores consideran que produce
perturbaciones en la red. Además, el hecho de que existan otras posibilidades más
económicas para monitorizar la red, induce a pensar que la obligatoriedad del uso de
ENS es una medida proteccionista impuesta por las compañías eléctricas.
2
Achim Woyte, ‘Mains Monitoring and Protection in a European Context’, 17 th European Photovoltaic
Solar Energy Conference and Exhibition, Munich, Germany. Octubre, 2001. pp 580-583.
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4.3.2.- TIPOS DE INVERSORES
Los inversores se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios, como el número
de inversores por generador, dependiendo del uso del transformador, según su
tamaño, según el número de fases, etc.
Una clasificación típica de los inversores, atendiendo al número de inversores por
generador fotovoltaico y a la conexión del inversor al generador, los divide en:
•
Inversores centrales
•
Inversores orientados a rama (string inverter)
•
Inversores orientados a modulo (módulos ac)
•
Inversores multi-string
Inversores centrales
Se considera inversores centrales a aquellos que conectan todo el generador
fotovoltaico a un solo inversor. Normalmente son usados en grandes plantas con un
rango de potencias entre 20-400 kW, aunque incluso puede llegar a los MW de
potencia. En este tipo de instalaciones se simplifica la parte a.c. a consta de una parte
d.c. más compleja.
Figura 25.- SFCR con inversor central
Inversores orientados a rama
Se considera inversores orientados a rama a aquellos que conectan solo una rama del
generador fotovoltaico, así, cada generador dispondrá de varios
inversores.
Normalmente, tiene unos rango de potencias entre 1-5 kW.
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Figura 26.- Sistema con string inverters
Inversores orientados a módulo
Consiste en la utilización de un inversor acoplado a cada módulo, denominándose
módulos a.c. La potencia de los inversores está entorno a 100 W, aunque dependerá
del módulo al que se conecte. En este tipo de instalaciones se simplifica la parte d.c. a
consta de una parte a.c. más compleja.
Figura 27.- Sistema con módulos a.c.
Inversores multi-string
Son inversores que disponen de varios conversores dc-dc independientes, y todos
ellos conectados a un inversor común. Además, cada conversor dc-dc lleva asociado
un modulo MPP-tracking con el objetivo de optimizar individualmente el rendimiento de
cada uno de los conversores y como consecuencia el rendimiento total de la
instalación. Por último el conjunto de la instalación posee un único módulo de control
de funcionamiento (OCU: operational control unit),.
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Figura 28.- Inversores Multi-string
En la siguiente figura se muestra como con este tipo de inversores es posible conectar
simultáneamente strings con diferentes valores nominales, tamaño o tipo de células
solares, así como strings con diferentes orientaciones o diferentes grados de
iluminación en un mismo sistema fotovoltaico.
Figura 29.- Aplicaciones de los Inversores Multi-string
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Los inversores también se pueden clasificar atendiendo a otros criterios. Así
tendremos los siguientes tipos:
Tipos de inversores según el número de fases de salida:
Monofásicos
Trifásico
Tipos de inversores según el dispositivo semiconductor usado:
Tiristores (SCR,GTO,IGCT)
Transistores de potencia (BJT,FET,IGBT)
Tipos de inversores según como realicen la conmutación:
Autoconmutados
Conmutados por red
Los inversores autoconmutados son aquellos en los que el propio circuito de
potencia realiza la conmutación necesaria para producir la señal alterna, no
necesitándose la presencia de la red eléctrica convencional. Los inversores
conmutados por red necesitan la presencia de una señal de tensión procedente de
la red eléctrica convencional.
4.3.3.- EFICIENCIA DE LOS INVERSORES
Los inversores de los SFCR no tienen una eficiencia (relación entre la potencia de
entra y salida) constante e independiente de las condiciones de operación. La
eficiencia de los inversores será función, principalmente, de la potencia a la que estén
trabajando, aunque también dependerá del valor de la tensión de entrada y de la
temperatura de trabajo.
El comportamiento del inversor se puede describir por el modelo propuesto por
Schmidt [3]. Según dicho modelo, la eficiencia instantánea de conversión ηk viene dada
por la siguiente ecuación:
3
M. Jantsch, H. Schmidt y J. Schmid. ‘Results on the concerted action on power conditioning and
control’, 11th European photovoltaic Solar Energy Conference, Montreux, 1992, pp. 1589-1592.
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ηk =
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Psalida
p out
=
2
Pentrada
p out + k 0 + k 1 p out + k 2 p out
Donde:
Pentrada es la potencia instantánea disponible a la entrada del inversor (W)
Psalida es la potencia instantánea suministrada a la salida del inversor (W)
Pnominal es la potencia nominal de salida del inversor (W)
pout = Psalida / Pnominal (adimensional)
k0 es el coeficiente que representa las pérdidas de autoconsumo (adimensional)
k1 representa las pérdidas proporcionales a la potencia (adimensional)
k2 representa las pérdidas proporcionales al cuadrado de la potencia
(adimensional)
En la siguiente figura, se muestran las curvas de eficiencia correspondientes a un
inversor normal (Grafica B - Naranja), a un inversor de alta eficiencia (Grafica A - Verde) y
a un inversor de baja eficiencia (Grafica C – Azul).
Figura 30.- Curvas de eficiencia de distintos inversores
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Como se ha comentado anteriormente, la eficiencia de los inversores además de ser
función de la potencia a la que están trabajando, también es función del valor de la
tensión de entrada y de la temperatura de trabajo.
Normalmente, la eficiencia del inversor baja al aumentar la temperatura de trabajo, sin
embargo, la dependencia de la eficiencia con la tensión es función del diseño realizado
para ese inversor en particular. En la siguiente grafica se muestra la eficiencia de un
inversor comercial para diferentes temperaturas y tensión de trabajo.
Figura 31.- Curvas de eficiencia de un inversor comercial
La eficiencia media de un inversor se puede definir con la relación entre la energía
durante un periodo determinado (normalmente un año) y la energía a la salida del
inversor durante ese periodo.
Frente a la curva de eficiencia, el cual no es dependiente de la localidad, el valor de
la eficiencia media es dependiente de las condiciones climatológicas a las que se
encuentra sometido el generador y del la configuración del generador.
Para obtener una eficiencia normalizada y que sea representativa del
funcionamiento del inversor en unas determinadas situaciones reales de operación,
se ha definido la eficiencia europea.
η E = 0,03η 5% + 0,06η10% + 0,13η 20% + 0,1η 30% + 0,48η 50% + 0,2η100%
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4.3.4.- ESPECIFICACIONES DE LOS INVERSORES
El inversor deberá cumplir los siguientes requisitos, si atendemos al pliego de
condiciones técnicas del IDAE:
1. Serán del tipo adecuado para la conexión a la red eléctrica, con una potencia
de entrada variable para que sean capaces de extraer en todo momento la
máxima potencia que el generador fotovoltaico puede proporcionar a lo largo
de cada día.
2.
Las características básicas de los inversores serán las siguientes:
– Principio de funcionamiento: fuente de corriente.
– Autoconmutados.
– Seguimiento automático del punto de máxima potencia del generador.
– No funcionarán en isla o modo aislado.
3. Los inversores cumplirán con las directivas comunitarias de Seguridad Eléctrica
y Compatibilidad Electromagnética (ambas serán certificadas por el fabricante),
incorporando protecciones frente a:
– Cortocircuitos en alterna.
– Tensión de red fuera de rango.
– Frecuencia de red fuera de rango.
– Sobretensiones, mediante varistores o similares.
– Perturbaciones presentes en la red como microcortes, pulsos,
defectos de ciclos, ausencia y retorno de la red, etc.
4. Cada inversor dispondrá de las señalizaciones necesarias para su correcta
operación, e incorporará los controles automáticos imprescindibles que
aseguren su adecuada supervisión y manejo.
5.
Cada inversor incorporará, al menos, los controles manuales siguientes:
– Encendido y apagado general del inversor.
– Conexión y desconexión del inversor a la interfaz CA. Podrá ser externo al
inversor.
6.
Las características eléctricas de los inversores serán las siguientes:
•
El inversor seguirá entregando potencia a la red de forma continuada en
condiciones de irradiancia solar un 10% superiores a las CEM. Además
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soportará picos de magnitud un 30% superior a las CEM durante
períodos de hasta 10 segundos.
•
Los valores de eficiencia al 25% y 100% de la potencia de salida
nominal deberán ser superiores al 85% y 88% respectivamente (valores
medidos incluyendo el transformador de salida, si lo hubiere) para
inversores de potencia inferior a 5 kW, y del 90% al 92% para
inversores mayores de 5 kW.
•
El autoconsumo del inversor en modo nocturno ha de ser inferior al 0,5
% de su potencia nominal.
•
El factor de potencia de la potencia generada deberá ser superior a
0,95, entre el 25% y el 100% de la potencia nominal.
•
A partir de potencias mayores del 10% de su potencia nominal, el
inversor deberá inyectar en red.
7. Los inversores tendrán un grado de protección mínima IP 20 para inversores
en el interior de edificios y lugares inaccesibles, IP 30 para inversores en el
interior de edificios y lugares accesibles, y de IP 65 para inversores instalados
a la intemperie. En cualquier caso, se cumplirá la legislación vigente.
8.
Los inversores estarán garantizados para operación en las siguientes
condiciones ambientales: entre 0 °C y 40 °C de temperatura y entre 0% y 85%
de humedad relativa.
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EJEMPLO DE INVERSOR COMERCIAL
INVERSOR PARA CONEXIÓN A RED
•
Fabricante:
INGETEAM
•
Modelo:
•
Descripción:
Ingecon Sun 5
Inversor para conexión a red monofásico
con transformador con una potencia
nominal de entrada de 5320 W. Tiene la
posibilidad de instalarse en el exterior ya
que es resistente al agua. Cumple con
todas las normativas de la Unión
Europea.
•
Características
mecánicas:
•
Características
eléctricas:
Dimensiones:
Peso:
430 mm x 370 mm x 280 mm
27 Kg (inversor) + 54 Kg (transformador)
ENTRADA (DC)
Potencia nominal de entrada:
Rango de tensiones MPP:
Máxima corriente:
Máxima tensión:
5320 W
125 – 450 V
33 A
450 V
SALIDA (AC)
Potencia nominal de salida:
Potencia máxima:
Tensión de salida:
Frecuencia:
Distorsión armónica:
5000 W
5400 W
230 V
50 Hz
<3%
GENERAL
Grado de protección:
Eficiencia máxima:
Consumo en operación:
Consumo nocturno:
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IP 54
> 94 %
< 10 W
0W
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Curso 2007/2008
Tema 4.- SFCR
4.4.- Tipos de SFCR
En un SFCR si la energía que produce es mayor que la que consume, la diferencia
entre ambas se inyecta en la red. En caso contrario, si el sistema produce menos de lo
que se consume, la diferencia se toma de la red.
Figura.- Balance Energético de un SFCR
Si embargo, dependiendo de donde se sitúen los contadores para medir la energía
que se vende a la red y la energía que se consume de la misma se pueden presentar
dos posibles tipos de instalaciones:
•
Tipo A: Instalaciones donde se vende solo el exceso de producción que no es
consumida por el usuario
•
Tipo B: Instalaciones donde se vende toda la energía producida por el el
sistema fotovoltaico
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Tema 4.- SFCR
Instalación Tipo A
Instalación Tipo B
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Tema 4.- SFCR
4.5.- Dimensionado básico de un SFCR
Paso 1) Cálculo de la potencia del generador fotovoltaico.
a.- En función de la superficie disponible:
(Se puede considerar que 1 kWp de generador ocupa 10 m2)
b.- En función del presupuesto disponible
(Se puede considerar que 1 kWp tiene un coste de 6.000 €)
c.- En función de la energía que se desea generar
(Se puede considerar que 1 kWp genera 1.400 kWh/año o bien usar el
siguiente procedimiento de cálculo:
E = Hda(α,β) · PGFV · PR · 365
Donde:

E: producción de electricidad solar anual (kWh/año)

Hda(α,β): valor medio anual de la irradiación diaria sobre superficie
orientada con acimut a e inclinación B (kWh/m2·día)

PGFV: potencia del generador FV en condicoones estandar (kWp)

PR: rendimiento del sistema o performance ratio (adimensional).
(Se puede considerar un valor de PR de 0,75)
d.- En función del Código Técnico de Edificación
Paso 2) Cálculo de la potencia del inversor
En general, la potencia del inversor (PINV) depende de la potencia del generador
(PGFV). Una recomendación muy usada que proporciona valores de PINV, en función de
la latitud, es la siguiente:
* Sur de Europa:
PINV = 0.8 · PGFV
* Centro de Europa: PINV = 0.75 · PGFV
* Norte de Europa:
PINV = 0.7 · PGFV
(Nota. La recomendación anterior es válida para generadores FV orientados al Sur e
inclinados un ángulo aproximadamente igual a la latitud del lugar)
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Tema 4.- SFCR
Paso 3) Cálculo del número total de módulos a emplear
Una vez seleccionado el tipo de módulo que se desea usar, el cual estará
caracterizado por los siguientes parámetros:

PM: potencia del módulo (Wp)

VOC: tensión de circuito abierto (V)

ISC: corriente de cortocircuito (A)

VM: tensión en el punto de máxima potencia (V)

IM: corriente en el punto de máxima potencia (A)
el número de módulos a instalar sería igual a:
Nº de módulos = round [PGFV /PM]
Paso 4) Cálculo del número de módulos serie (NMS)
El NMS dependen del modelo de módulo fotovoltaico a utilizar y del margen de
tensiones de entrada en las que el inversor busca el punto de máxima potencia del
Generador FV.
NMS = round [ VMAXINV / VM ]
Donde VMAXINV es el límite superior del margen de tensiones de entrada del inversor y
VM: tensión en el punto de máxima potencia.
Paso 5) Cálculo del número de ramas de módulos en paralelo (NMS)
Se deben añadir tantas ramas en paralelo NMP como sean necesarias hasta completar,
aproximadamente, la potencia del Generador FV que se desea instalar.
NMP = round [ NMT / NMS ]
NOTA: Es necesario efectuar la simulación por ordenador para comprobar que las
tensiones de salida del generador está dentro del margen de tensiones de entrada del
inversor y que la energía generada coincide con la esperada.
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Tema 4.- SFCR
4.6.- Cálculo de energía generada por el sistema
La energía producida anualmente por un sistema fotovoltaico conectado a la red se
obtiene mediante la siguiente expresión:
EPV= Hda(α,β)·PMG ·PR·365
Donde:
EPV es la producción de electricidad solar anual (kWh·año-1)
Hda(α,β) es el valor medio anual de la irradiación diaria sobre una
superficie orientada un ángulo α respecto del sur e inclinada un ángulo
β sobre la horizontal (kWh·m-2· día-1)
PMG es la potencia del generador fotovoltaico en condiciones estándares
de medida: 1 kWm-2 de iluminación y 25oC de temperatura de las células
solares (kWp)
PR es el rendimiento del sistema o performance ratio (adimensional).
PMG es conocido, pues se trata del tamaño del generador fotovoltaico. PR es un factor
que se aproxima razonablemente bien con el valor 0,75. Hda(α,β), sin embargo
depende del enclave y de la orientación e inclinación de la superficie receptora. Es
obvio que la cantidad de radiación solar incidente sobre una superficie, en general,
depende de su orientación. En el caso del centro de España, la máxima captación anual
de radiación sobre una superficie estática, ocurre cuando está precisamente orientada al
sur (0º) e inclinada un ángulo de 35º sobre la horizontal (la inclinación se toma entre 0º,
superficies horizontales y 90º, superficies verticales). El valor medio anual característico
sería en este caso de 5,55 kWh/m2 y día.
Para el cálculo de las pérdidas de radiación por orientación no óptima y por sombras
se puede usar el procedimiento del código técnico de edificación (ver apartado
anterior) y aplicarlo al valor de Hda(α,β),
Para la estudio detallado de los diferentes parámetros eléctricos del SFCR y la
estimación de la producción energética, se puede usar el procedimiento descrito en el
anexo adjunto, en el cual, se calculan los valores de la energía producida, a intervalos
de diez minutos, a partir de los valores diarios medios mensuales de irradiación y
temperatura y de los parámetros de la célula en condiciones estándar. La metodología
utilizada es la siguiente:
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Tema 4.- SFCR
1. Cálculo de la irradiación horizontal diaria media mensual directa y difusa usando las
expresiones propuestas por Liu y Jordan y considerando el perfil del horizonte.
2. Cálculo de las irradiancias según el método propuesto por Whillier
3. Cálculo de las irradiancias en el generador usando el modelo propuesto por Pérez
para la componente difusa y considerando las pérdidas por transmitancia debidas a las
pérdidas de Fresnel, a la suciedad, a los bajos niveles de irradiancia y a las
variaciones espectrales de la radiación solar.
4. Cálculo de la temperatura ambiente suponiendo que evoluciona de acuerdo con dos
semiciclos de dos funciones coseno.
5. Cálculo del factor de forma, corriente, tensión y potencia en el punto de máxima
potencia del generador fotovoltaico.
6. Cálculo de la potencia y energía a la salida del inversor siguiendo el modelo
propuesto por Schmidt
(NOTA: Para ampliar ver “CurSolar”r en http://solar.ujaen.es)
Además de las pérdidas consideradas en el modelo (Transmitacia, Temperatura y el
Inversor), hay otra serie de factores que producen pérdidas en la energía generada por
el sistema. Entre estas pérdidas destacan las debidas a: la suciedad de los módulos,
la dispersión de los parámetros eléctricos, las sombras en los seguidores provocadas
por los seguidores circundantes, los cables, las tolerancias en potencia de los
módulos, los transformadores y las provocadas por la indisponibilidad debido a
situaciones de fallos, operaciones de mantenimiento, etc.
A modo de ejemplo, se presentan, valores típicos de pérdidas, donde se escogen una
situación de mayores pérdidas (escenario A), otra de menores pérdidas (escenario C)
y un caso intermedio (escenario B)
Escenario
A
B
C
Suciedad
-2,0%
-1,5%
-1,0%
Dispersión
-3,0%
-2,5%
-2,0%
Cables
-2,0%
-1,5%
-1,0%
Tolerancias
-2,0%
-1,0%
0,0%
Indisponibilidad
-2,0%
-1,5%
-1,0%
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