INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED

Antes de empezar, queremos recomendarte este fantástico libro con el podrás calcular y diseñar todo tipo de instalaciones fotovoltaicas, así como aprender el funcionamiento de todos los componentes que las forman:

Libro Instalaciones Fotovoltaicas

Recordamos que dentro de los tipos de instalaciones fotovoltaicas tenemos las Conectadas a la red eléctrica, de las cuales hay 2 tipos.

- Las que la energía creada por las placas fotovoltaicas (en corriente continua) se vuelca a la red eléctrica (en corriente alterna) a través de un inversor.

Inyectan a la red todo lo que producen, vendiendo la energía generada a la compañía eléctrica de la red a la que se conectan.

Son los llamados Huertos Solares o Centrales Generadoras.

- Las que están conectadas a la red eléctrica pero además la instalación fotovoltaica alimenta consumos eléctricos privados.

De estas últimas hay 2 tipos:

De Autoconsumo Conectadas a Red sin Compensación de Excedentes: alimenta la  instalación particular y la energía que sobra no la utiliza para nada, ni siquiera para venderla. No tienen mucho sentido.

De Autoconsumo Conectadas a Red con Compensación de Excedentes: alimenta la instalación particular y los excedentes de energía generada se vierten a la red eléctrica para venderla al a compañía eléctrica con la que tengamos el contrato.

Además, cuando no generamos suficiente energía para alimentar la instalación eléctrica o no generamos nada como es el caso de por la noche, compramos la energía a la compañia suministradora.

Estas últimas son las más utilizadas hoy en día en las viviendas particulares, ya que permiten reducir mucho la factura de la luz y sin la preocupación de quedarnos sin energía en algún momento como podría ser el caso de las aisladas.

La característica más importante de las Instalaciones Conectadas a Red es que no tienen baterías ni reguladores ya que se componen únicamente de los módulos fotovoltaicos y del inversor, eso sí, deben de tener un contador bidireccional para controlar la energía consumida y la vendida.

Los módulos o paneles fotovoltaicos son los mismos que para las instalaciones aisladas de red que ya vimos, sin embargo, los inversores deberán tener las siguientes características:

- Deben ser capaces de interrumpir o reanudar el suministro en función del estado del campo de paneles.

- Deben de hacer trabajar a los paneles en su punto de máxima potencia en cada instante.

- La tensión de entrada no es fija, por lo que tienen que estar preparados para trabajar con tensiones de entrada variables en un llamado rango de tensiones de entrada.

- Deben ser capaces de interrumpir o reanudar el suministro en función del estado del campo de paneles.

- Tienen que adaptar la corriente alterna producida en el inversor a la fase de la energía de la red.




No debemos olvidar que la compañía eléctrica propietaria de la red puede tener sus propias especificaciones técnicas adicionales a las que establece la normativa vigente.

También hay que tener en cuenta que las fotovoltaicas se dividen en función de su potencia:

- Instalación conectada a la red cuya potencia nominal es inferior a 5 kw.

- Instalación conectada a la red cuya potencia nominal se encuentra entre 5 kW y 100 kW

- Instalación conectada a la red cuya potencia nominal es superior a 100 kw = Planta Generadora

Se llaman "Huertos solares" o "Plantas Generadoras o Parques Fotovoltaicos" cuando las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red tienen potencias superiores a los 100Kw.

Este tipo entregan o suelen entregar la energía en media o alta tensión.

Otro tipo de instalaciones más pequeñas, de 5Kw a 100Kw, situadas normalmente en los techos de edificios, se llaman "edificios fotovoltaicos" entregando la energía en baja tensión, y donde se colocan los paneles en los techos de los edificios para su venta.

En general, a mayor potencia de la instalación se complica su instalación y esquema ya pueden aparecer centros de transformación o subestaciones eléctricas con los equipos y dispositivos asociados que ello conlleva.

Las plantas fotovoltaicas proporcionará energía eléctrica solo durante el día, energía que dependerá de la radiación solar que le llegue a los módulos así como su ángulo de inclinación.

La energía producida por los módulos fotovoltaicos es transformada en corriente alterna trifásica (400V) o monofásica (230V) y a una frecuencia de 50Hz por medio del inversor para inyectarla en sincronía a la red de la empresa suministradora.

En caso de que la red eléctrica se caiga o se corte por motivos de mantenimiento los inversores tienen que estar preparados para evitar trabajar en modo isla, con lo que deben detener el funcionamiento de instalación fotovoltaica.

Con este sistema de protección se evita el daño a posibles equipos de la planta así como la seguridad de posibles operarios en la red.

Veamos un ejemplo de dimensionado de una planta fotovoltaica.

Antes de empezar a diseñar hay que tener en cuenta o valorar:

- Que las condiciones sean aceptables en cuanto a irradiación solar en la zona prevista para su ubicación.

- Evitar o al menos minimizar las sombras entre los módulos que podrían ocasionar elementos como montañas, edificios, torres eléctricas etcétera, y mantener una distancia adecuada entre filas de módulos.

Todo esto puedes ver cómo se hace en la web: Pérdidas Fotovoltaica.

- Que la red eléctrica a la que nos conectemos esté próxima a la planta fotovoltaica.

. Que el acceso a la instalación sea fácil para poder hacer las tareas de mantenimiento, construcción, etc.

Ahora los pasos para el diseño:

1º) Superficie Disponible y Número de Módulos

La potencia del generador fotovoltaico estará limitada por la superficie disponible que tengamos para instalar los módulos fotovoltaicos.

A mayor superficie, mayor número de paneles y mayor energía generada.

También es importante la superficie ocupada y necesaria por cada módulo fotovoltaico.

Con estos datos podemos calcular el número total de módulos que podemos poner y la potencia pico instalada que tendrá nuestro generador en total.

2º) Ángulo de Inclinación Óptimo y Orientación

Si tuviéramos la posibilidad de mover la inclinación de los módulos:

-En invierno Latitud más 10º
-En verano Latitud menos 10º

De esta forma es como más se aprovecha la energía recibida del sol.

Si los módulos son fijos sería:

-Si solo la uso en invierno latitud más 10º

-Si solo la uso en verano latitud menos 10º

-De uso anual, la inclinación óptima será la de la fórmula para todo el año:



Si usamos este método, nuestros paneles tendrían una inclinación:

Pero el método que a mi mas me gusta y me parece el más fiable, es utilizar el ángulo óptimo y azimut que nos determina la web-aplicación PVGIS.

PVGIs se basa en datos recogidos del último año, incluso de varios años, para determinar el ángulo y azimut óptimos.

Para ver este método visita: Cálculo Ángulo Óptimo con PVGIS.

En caso de no colocar nuestros módulos o paneles fotovoltaicos con la orientación e inclinación óptima deberemos calcular las pérdidas producidas para comprobar que no se superan las permitidas por el el IDAE.

Si quieres saber cómo se calculan las pérdidas por no colocarlos con la inclinación óptima visita: Pérdidas Fotovoltaica

Además, también debemos de comprobar que el ángulo elegido está dentro de los límites que marca el IDAE (Ver Angulo máximo y minimo)

La orientación debe ser con azimut 0º, pero hay casos en el que no es así, como se aprecia en el método con PVGIs para el cálculo de la inclinación y orientación óptimos.

3º) Energía Generada por el Generador Fotovoltaico

Ahora que ya sabemos la cantidad de módulos que podamos poner en nuestra superficie, su ángulo y orientación, es hora de calcular la energía generada por nuestro generador fotovoltaico.

Podemos calcular la energía generada un día concreto, cada mes del año o incluso la media anual, todo esto mediante la web de PVGis

Además podemos obtener las horas de sol pico en el mes más desfavorable, así como la irradiación e irradiancia en cada mes del año.

Para saber sobre irradiación e iirradiancia visita: Irradiación solar.

Veamos un video donde explico cómo calcular todos estos datos estudiados hasta ahora de forma muy sencilla con PVGIS:



5) Cálculo del Inversor/res

Si la potencia es inferior a 6Kw, los inversores suelen ser monofásicos, y para potencias superiores, como es nuestro caso, se utilizan trifásicos.

Deben de cumplir 3 condiciones:

1ª) Vmáxima y Mínima del inversor (rango de tensiones):

V mínima del inversor < V generador a 70ºC
V máxima del inversor > V generador a -10ºC

o

Vmínima del inversor < Vmp del generador
Vmáxima del inversor > Voc del generador

2ª) Potencia del Inversor: 80% Potencia Generador < Pinversor < 90% Potencia Generador

Es decir, entre el 80% y el 90% de la potencia del generador

3ª) Intensidad máxima a la entrada del inversor:

I máxima del generador = Np x Icc < I máxima a la entrada del inversor.

Ejemplo de Cálculo Fotovoltaica Conectada a Red

Imagina que queremos montar una planta fotovoltaica en una superficie que mide 20 metros de largo x 10 metros de ancho, situada en una población cuya latitud es 37º.

Ojo la superficie está en cuesta con una inclinación de 15º

Utilizaremos módulos que tienen una potencia pico de 220w, con una Intensidad de cortocircuito de 8,4A y unas dimensiones de 1,8 m de largo y 1m de ancho

Los paneles, según catálogo, ocupan por cada Kilovatio(Kw):



Utilizaremos inversores para la instalación de 5Kw, y se desea que el conjunto de inversores tengan una potencia del 86% del total de la potencia generada por el total de placas fotovoltaicas de la instalación.

Diseñemos nuestra instalación.

1º) El ángulo óptimo de nuestros módulos, si utilizamos la fórmula, sería:

βóptimo si fuera horizontal el terreno = Φ - 10 = 47 -10 = 27º respecto a la horizontal

Como la inclinación del terreno es de 15°, la inclinación de los módulos respecto al terrenos será:

βóptimo = 27º- 15º= 12º

Esto por ejemplo pasaría si estuvieran colocados los paneles en un tejado.

2º) La superficie disponible será:

 S = 20 x 10 = 200m2

Si utilizamos módulos de silicio monocristalino, que ocupan una superficie según tabla de entre 7m2 y 9m2 por cada Kw, podría obtenerse una potencia:

Pgenerada(7) máxima = 200/7 = 28,67Kw = 28.670w

Pgenerada(9) mínima = 200/9 = 22,22Kw = 22.220w

El rango de potencias máxima generadas estaría entre 28.6 y 22,2 Kw

¿Cuántos módulos podríamos instalar?

N(7) =28.670w/220w = 130,3

N(9) = 22.220w/220 = 101

Podríamos poner entre 101 y 130 paneles en nuestra instalación.

Pero... ¿Cuántos módulos podríamos instalar en nuestro espacio?

Tenemos 2 configuraciones posibles:

- Colocar los módulo sobre el lado largo en horizontal y el ancho sobre la vertical de la superficie.

En este caso sería:

Largo del espacio/ largo del módulo = 20/1,8 = 11,1 = 11 módulos

Ancho del espacio / ancho de cada módulo = 10/1 = 10 módulos

Podríamos poner 11 módulos a la largo por 10 a lo ancho, lo que es lo mismo, un total de 110 módulos.

Este valor se encuentra entre los valores anteriores calculados. Podría ser válida.

- El otro caso es colocar los módulos a la largo de la superficie pero con su ancho, es decir los módulos en vertical.

Largo del espacio / ancho del modulo = 20/1 = 20 módulos

Ancho del espacio / largo de cada módulo = 10/1,8 = 5,5 módulos = 5 módulos

En este caso serían un total de 20 x 5 = 100 módulos.

El máximo número de módulos sería de la primera forma, un total de 110 módulos fotovoltaicos.

Nota: si estuvieran muy juntos podríamos tener que calcular la mínima distancia para que no se produjeran sombras entre ellos,

Puedes ver cómo se hace aqui: Distancia Mínima entre Paneles

Potencia y Energía Generada por el Generador Fotovoltaico

La potencia pico total de nuestro generador fotovoltaico sería:

P total generador = 110 x 220 = 24.200w = 24,2Kw

Energía Generada

La energía generada se calcula mediante la fórmula:

Egenerada = HSP x Pp x Nt x μm

Donde:

HSP = Horas de Sol Pico
Pp = Potencia pico de los módulos
Nt = número total de módulos
μm = rendimiento de módulo (0,9 normalmente)

Si calculamos la HSP para un día concreto, tendremos la energía generada ese día, si calculamos la HSP mediante la irradiación media de un mes, obtendremos la energía media diaria generada ese mes, e incluso la media de un año podríamos hacer.

Para saber la energía generada debemos conocer la HSP.

Aquí no explicamos cómo se hace, pero si quieres saberlo visita: Horas de Sol Pico

Por ejemplo en enero según PVGis sería:

Irradiación en el mes = 138,63 Kwh/m2 = HSP mensual

Irradiación Diaria media = 138,63 / 31 = 4,47 = HSP diario medio

Energía generada en enero al día = 4,47 x 220w x 110 x 0,9 = 97.356 wh = 97,3Kwh

En Julio la irradiación mensual es de 237,41 Kwh/m2 luego el HSP diario media será:

237,41 / 31 = 7,65

Energía generada en Julio al día = 7,65 x 220w x 110 x 0,9 = 60.330 w = 166.617 wh = 166,61Kwh

Ya puedes comprobar que en Julio se genera mucha más energía que en enero.

La energía generada durante el mes de Enero completo sería:

Energía generada en Enero = 138,63 x 220w x 110 x 0,9 = 3.019.361 wh = 3.019Kwh

Inversores

Para su dimensionado comenzamos por la condición de la potencia del inversor, que debe ser entre el 80% y el 90% de la de los paneles.

Recordamos que si la potencia es inferior a 6Kw, los inversores suelen ser monofásicos, y para potencias superiores, como es nuestro caso, se utilizan trifásicos.

En nuestro caso, según el enunciado será del 86%.

Potencia nominal del inversor (Pgf)= 0,86 x 24.200 = 20.570w = 22,57Kw

¿Cuántos inversores necesitaríamos?

Si elegimos inversores cuya potencia nominal es de 5Kw = 5.000w entonces:

Número de inversores = 22.570/ 5.000 = 4,51

Necesitaríamos 5 inversores.

Cada inversor debe ir conectado a varios paneles fotovoltaicos, es decir debemos dividir nuestra instalación en 5 sectores, cada uno alimentará a un inversor.

Módulos por sector = 110 / 5 = 22 módulos por sector

Cada inversor se alimentará con la potencia generada por los paneles de su sector: 220w x 22 = 4.840w

Ahora pasamos a la condición de la Intensidad máxima de entrada.

Nuestra instalación usará paneles:



Donde los datos más relevantes son:

Vmp = 37,3V
Voc = 46,7V
Imp = 8,85A
Isc = 8,85A

La intensidad máxima que debe aguantar a la entrada cada inversor será la Intensidad de cortocircuito Icc de cada sector.

Pero…¿Cómo conectamos los paneles en cada sector?

Una solución sería conectar 2 strings de 11 paneles cada string, la otra sería 11 strings de 2 paneles en serie cada uno.
Veamos cada caso:

2 strings con 11 paneles cada uno en serie:

Voc generador = 46,7 x 11 = 513,7A
Isc generador = 8,85 x 2 = 17,7A

11 strings con 2 paneles en serie cada uno:

Voc generador = 46,7 x 2 = 93,4 V
Isc generador = 8,85 x 11 = 97,35A

Tendríamos que valorar cual nos interesa más.

En este caso elegiremos la primera opción, 2 strings con 11 paneles en serie cada uno, porque la intensidad de entrada del inversor es mucho más pequeña y de esta forma será más barato.

Voc generador = 46,7 x 11 = 513,7V
Isc generador = 8,85 x 2 = 17,7A

Debemos elegir 5 inversores que puedan soportar como mínimo una intensidad a la entrada de 17,7A.

Imínima entrada del inversor = 17,7A

Ahora para el rango de tensiones a la entrada, como no tenemos la máxima y mínima para los 70º y -10º del módulo, lo hacemos aproximadamente con la opción de la Voc y Vmp.

El rango de tensiones a la entrada debe ser tal que la tensión mayor sea superior a 513V y la tensión mínima que esté por debajo de:

37,3V x 11 = 410,3V

En este caso, ya que tenemos la tensión nominal de 24V podríamos decir que la tensión mínima debe ser menor de: 24V x 11 = 264V

¡¡¡OJO!!! Cada sector de paneles tendrá su propia caja de conexiones.








En este caso la tensión mínima del inversor debería sería menor de 37,3V x 2 = 74,6V

La tensión máxima del inversor debe ser mayor de 46,1V x 2 = 92,2V

Para saber más sobre inversores visita: Inversor Fotovoltaico

Un esquema general de una instalación conectada a red sería:






Por supuesto estas instalaciones dispondrá de un cuadro de protección en la parte de alterna, con diferencial y magnetotérmicos y otros 2 elementos de protección:

- Interruptor automático de interconexión: conectará o desconectará la instalación en caso de pérdida de tensión o frecuencia.

- Protección para la interconexión de máxima y mínima frecuencia (50Hz a 61Hz), y de máxima y mínima tensión (entre 1,1 y 0,85 veces el valor de la tensión nominal)

Desconectará en cualquiera de que en los dos casos sobrepase los valores.

Otros elementos será la Puesta a Tierra, y en caso de instalaciones muy grandes llevarán su propio centro de transformación.


Si quieres aprender todos los componentes de una instalación fotovoltaica, su cálculo y diseño te recomendamos el siguiente libro fantástico:

Libro Instalaciones Fotovoltaicas

¿Te ha gustado la web sobre Instalaciones Fotovoltaicas Conectadas a Red">? Pulsa en Compartir. Gracias

© Se permite la total o parcial reproducción del contenido, siempre y cuando se reconozca y se enlace a este artículo como la fuente de información utilizada.