Curso de energía solar fotovoltaica, la electricidad que viene del sol

I- Introducción II- Composición física y fabricación de los dispositivos fotovoltaicos III- Conceptos eléctricos IV- Curvas características de las células fotovoltaicas V- Configuración de sistemas de producción fotovoltaicos VI- Dimensionamiento de sistemas de producción fotovoltaicos y de bancos de baterías VII- Conexiones y dimensionamiento de conductores y cables VIII- Instalación y mantenimiento

I- Introducción

Un sistema de producción electrosolar es una fuente de energía que, a través de la utilización de células fotovoltaicas, convierte directamente la energía luminosa en electricidad.

Ventajas fundamentales:

No consume combustible No produce polución ni contaminación ambiental Es silencioso Tiene una vida útil superior a 20 años Es resistente a las condiciones climáticas extremas (granizo, viento, temperatura y

humedad) No tiene piezas móviles y, por tanto, exige poco mantenimiento (sólo la limpieza

del panel) Permite aumentar a potencia instalada por medio de la incorporación de módulos

adicionales

Principales aplicaciones:

Generalmente es utilizado en zonas alejadas de la red de distribución eléctrica, pudiendo trabajar de forma independiente el combinada con sistemas de producción eléctrica convencional. Sus principales aplicaciones son:

Electrificación de inmuebles rurales: luz, TV, radio, comunicaciones, bombas de agua

Electrificación de cercas Iluminación exterior Señalización Protección catódica Barcos, caravanas

Componentes del sistema:

Corriente continua 12V:

Paneles el módulos de células fotovoltaicas Soportes para los paneles Regulador de carga de baterías y banco de baterías

Corriente alterna 110/220V:

Además de los elementos anteriores, entre las baterías y el consumo será necesario instalar un inversor de corriente con la potencia adecuada. El inversor convierte la corriente continua (DC) de las baterías en corriente alterna (AC). La mayoría de los electrodomésticos utiliza corriente alterna.

ESQUEMA (Fig.1)

Este curso fue publicado originalmente por Panorama Energético . Traducido (al portugués), adaptado y reproducido para AMERLIS con autorización de los

autores.

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Actualizado en 05/Jun/01

II- Composición física y fabricación de los dispositivos fotovoltaicos

Efecto fotovoltaico: Los módulos están compuestos de células solares de silicio. Estas son semiconductores de electricidad porque el silicio es un material con características intermedias entre un conductor y un aislante.

El silicio se presenta normalmente como arena. A través de métodos adecuados se obtiene el silicio en forma pura. El cristal de silicio puro no posee electrones libres y por tanto es un mal conductor eléctrico. Para alterar esto se añaden porcentajes de otros elementos. Este proceso se denomina dopagem. Mediante el dopagem del silicio con el fósforo se obtiene un material con electrones libres o material con portadores de carga negativa (silicio tipo N). Realizando el mismo proceso, pero añadiendo Boro en vez de fósforo, se obtiene un material con características inversas, o sea, déficit de electrones o material con cargas positivas libres (silicio tipo P).

Cada célula solar se compone de una capa fina de material tipo N y otra con mayor espesor de material tipo P (ver Figura 2).

Separadamente, ambas capas son eléctricamente neutras. Pero si son unidas, exactamente la unión P-N, se genera un campo eléctrico debido a los electrones del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P.

Figura 2

Al incidir la luz sobre la célula fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Debido al campo eléctrico generado en la unión P-N, los electrones son orientados y fluyen de la capa "P" a la capa "N".

Por medio de un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva. Se genera así un flujo de electrones (corriente eléctrica) en la conexión. Mientras la luz continúe incidiendo en la célula, el flujo de electrones se mantendrá.

La intensidad de la corriente generada variará proporcionalmente conforme a la intensidad de la luz incidente.

Cada módulo fotovoltaico esta formado por una determinada cantidad de células conectadas en serie. Como se vio anteriormente, al unirse la capa negativa de una célula con la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a través de los conductores de una célula a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la última célula del módulo, de la cual fluyen al acumulador o a la batería.

Cada electrón que abandona el módulo es sustituido por otro que regresa del acumulador o de la batería. El cable de la interconexión entre módulo y batería contiene el flujo, de modo que cuando un electrón abandona la última célula del módulo y se dirige a la batería, otro electrón entra en la primera célula a partir de la batería. Es por eso que se considera inagotable un dispositivo fotovoltaico. Produce energía eléctrica en respuesta a energía luminosa que entra en el mismo.

Se debe aclarar que una célula fotovoltaica no puede almacenar energía eléctrica.

Tipos de células: Existen tres tipos de células, conforme el método de fabricación.

Silicio monocristalino: Estas células se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio monocristalino producidas en hornos especiales. Las células son obtenidas por corte de las barras en forma de pastillas cuadradas finas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es superior a 12%.

Silicio policristinalino: Estas células son producidas a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de bocados de silicio puro en moldes especiales. Una vez en los moldes, el silicio se enfría lentamente y se solidifica. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es ligeramente menor que en las de silicio monocristalino.

Silicio amorfo: Estas células son obtenidas por medio de la deposición de camadas muy finas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad varía entre 5% y 7%.

Fabricación de los módulos fotovoltaicos:

El módulo fotovoltaico está compuesto por células individuales conectadas en serie. Este tipo de conexión permite adicionar tensiones. La tensión nominal del módulo será igual al producto del número de células que lo componen por la tensión de cada célula (aprox. 0,5 voltios). Generalmente se fabrican módulos formados por 30, 32, 33 y 36 células en serie, conforme a la aplicación requerida.

Se demanda dar al módulo rigidez en su estructura, aislamiento eléctrico y resistencia a los factores climáticos. Por eso, las células conectadas en serie son encapsuladas en un plástico elástico (Etilvinilacelato) que hace también el papel de aislante eléctrico, un vidrio templado con bajo contenido de hierro, en la cara orientada al sol y una lamina plástica multicapa (Poliéster) en la cara posterior. En algunos casos el vidrio es substituido por una lamina de material plástico transparente.

El módulo tiene una moldura compuesta de aluminio o poliuretano y cajas de conexiones las cuales albergan los terminales positivo y negativo de la serie de células. En los bornes de las cajas se conectan los cables que unen el módulo al sistema.

Etapas del proceso de fabricación del módulo:

Ensayo eléctrico y clasificación de las células Interconexión eléctrica de las células Montaje del conjunto. Colocación de las células soldadas entre capas de plástico

envolvente y láminas de vidrio y plástico Laminado del módulo. El conjunto es procesado en una máquina semi-automática

de alto vacío que, por un proceso de calentamiento y presión mecánica, conforma el laminado.

Curagem. El laminado se procesa en un horno con temperatura controlada en el cual se completa la polimerización del plástico envolvente y se alcanza la adhesión perfecta de los diferentes componentes. El conjunto, después de la curagem, constituye una única placa.

Molduración. Se coloca primeramente un selante elástico en todo el perímetro del laminado y a continuación los perfiles de aluminio que forman la moldura. Se usan máquinas neumáticas para conseguir la presión adecuada. Las molduras de poliuretano son colocadas por medio de máquinas de inyección.

Colocación de terminales, bornes, diodos y cajas de conexiones. Ensayo final.

Ensayo de los módulos Sobre los módulos se debe medir y observar:

Características eléctricas operacionales Aislamiento eléctrico (a 3000 Voltios de C.C.) Aspectos físicos, defectos de acabado, etc. Resistencia al impacto.

Resistencia a la tracción de las conexiones. Resistencia a la niebla salina y a la humedad ambiente. Comportamiento a temperaturas elevadas por períodos prolongados (100 grados

Celsius durante 20 días). Estabilidad a los cambios térmicos (de -40º C a +90º C) en ciclos sucesivos.

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Montado en 06/Abr/01

III- Conceptos eléctricos Tensión y corriente: La electricidad es el flujo de partículas cargadas (electrones) que circulan a través de materiales conductores (como cables o barras de cobre). Estas partículas adquieren energía en una fuente (generador, módulo fotovoltaico, batería de acumuladores, etc) y transfieren esta energía a una carga (lámpara, motor, equipamiento de comunicaciones, etc.) y a continuación vuelven a la fuente para repetir el ciclo.

Se puede imaginar un circuito básico como una batería de acumuladores conectada a una lámpara, como el indicado en la figura 3:

La batería de acumuladores es una fuente de electricidad, o una fuerza electromotriz (FEM). La magnitud de esta FEM es lo que llamamos tensión y se mide en Voltios.

Estos conceptos pueden ser mejor comprendidos si se hace la analogía con un sistema de bombeo de agua. Así, sustituirse el flujo de electrones por agua, la fuente de tensión por una bomba de agua y el cable por una tubería.

Entonces se tendría:

MODELO ELÉCTRICO MODELO HIDRÁULICO Corriente eléctrica es el flujo de electrones a través de un cable Se mide en Amperios.

Caudal de agua es el flujo de agua a través de una tubería. Se mide en litros/seg.

La fuente de energía eléctrica entrega tensión a los electrones, o sea, capacidad de realizar trabajo. La tensión se mide en Voltios.

La bomba de agua entrega presión a la misma. La presión se mide en kg/cm2 (o en mm de columna de agua).

Los electrones pierden su energía al pasar por unacarga. Aquí es donde se realiza el trabajo.

El agua pierde su presión al pasar por una turbina. Aquí es donde se realiza el trabajo.

Montaje en serie

Si los elementos de un circuito se conectan en serie, eso quiere decir que todo el flujo (de electrones o de agua) debe pasar por cada uno de sus elementos.

Ejemplo: en el caso del bombeo de agua, si se quiere elevarla a una altura de 20 m para luego a continuación hacerla pasar por una pequeña turbina deberíamos conectar la bomba y la turbina en serie, como muestra la fig. 5. Todo el caudal que pasa por la bomba también pasará por la turbina y por las tuberías.

Figura 5

Por tanto, el flujo es constante en cualquier punto del circuito. Si se quiere elevar el mismo caudal al doble de la altura (40 m) deberían conectarse dos de las bombas mencionadas en serie.

Esto equivale a decir que en un montaje en serie las presiones se suman.

Recordando la analogía eléctrica, el equivalente de presión es tensión. Por tanto si se dispone de dos módulos fotovoltaicos en que cada uno entregase 12 voltios, 2 Amperios y se pretendiese implementar un sistema de 24 voltios y 2 Amperios se debería montar un circuito conforme a la fig. 6.

Figura 6

Conclusión : cuando se unen módulos en serie, la tensión resultante es la suma de las tensiones de cada un de ellos y la corriente resultante coincide con la menor de las corrientes entregadas por los módulos.

Montaje en paralelo

Si la necesidad fuese de elevar a 20 m de altura el doble del caudal mencionado anteriormente deberían conectarse dos bombas, conforme muestra la figura 7. Esta es un montaje en paralelo.

Fig.7

Cada bomba elevará un caudal semejante, pasando por la turbina la suma de ambos. No hay diferencia de presión entre el agua bombeada por la primera y por la segunda bomba y, por tanto, todo el agua caerá de la misma altura contribuyendo con igual presión.

En el caso eléctrico, si se necesita suministrar una carga de 12 voltios y 4 amperios, el circuito será el de la fig.8.

Fig.8

Conclusión: cuando se unen módulos en paralelo, la corriente resultante es la suma de las corrientes de cada uno de ellos y la tensión resultante coincide con la que es entregue por cada módulo.

Potencia

Es el producto de la tensión por la intensidad de corriente: P=V x I

En que: P es la potencia, medida en vatios (W) V es la tensión aplicada, medida en Voltios (V) I es la corriente que circula, medida en Amperios (A)

Si se analizan los casos vistos en el montaje en serie y en el montaje en paralelo, se comprueba que ambos operan con valores de potencia idénticos:

24 V x 2 A = 48 W (serie) 12 V x 4 A = 48 W (paralelo)

Una misma potencia eléctrica podrá estar en la forma de alta tensión y baja corriente o baja tensión y alta corriente. Cada aplicación determinará la mejor elección.

Pérdidas de potencia

Al circular agua por una tubería se producen pérdidas de carga por fricción y turbulencia. O sea, la tubería ofrece una cierta resistencia al paso del flujo de agua. De la misma forma, los conductores eléctricos ofrecen una cierta resistencia al paso de la corriente de

electrones y esto se traduce en una pérdida de potencia, lo que debe ser tenido en cuenta al diseñar un sistema. Estas pérdidas de potencia se transforman en calor.

La resistencia de un conductor eléctrico es una propiedad que depende de las características intrínsecas del material del conductor y de su geometría. Dicho en otras palabras, la resistencia de un conductor varía en relación directa con su resistividad y su longitud y en relación inversa con su sección.

Así, R = x ( l / s) en que: R = resistencia, en Ohmios ( );

= resistencia específica o resistividad, en mm 2 x metro Exemplo del Cobre: =0,017 mm 2 m s = sección del conductor, en mm 2 ; l = longitud, en m Se comprueba que: V = R x I en que: "V" es la tensión del sistema, en Voltios "I" es la corriente que se transmite, en Amperios "R" es la resistencia del elemento conductor, en Ohmios

Esta expresión constituye la Ley de Ohm e indica que la tensión aplicada es proporcional a la resistencia y a la corriente que circula por el circuito.

Así, la pérdida de potencia será proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la corriente que circula por el mismo. P = R x I 2 porque P = V x I y V = R x I

En los sistemas fotovoltaicos que trabajan a tensiones bajas, interesa saber que caída de tensión ocurrirá cuando la corriente requerida recorra un conductor de longitud y sección determinados.

En el capítulo 7 se dan algunos valores de secciones de conductor adecuados para determinadas corrientes y distancias.

Cantidad de energía

Si se tiene que mantener encendida durante 2 horas una lámpara de 60 vatios, la energía consumida será igual a:

E1 = 60 vatios x 2 h = 120 vatios hora

Si, además, se quisiera alimentar con la misma fuente un televisor que consume 50 vatios y que funcione durante 3 horas, el consumo de energía del televisor será:

E2 = 50 vatios x 3 h = 150 vatios hora

Si E1 y E2 fuera los únicos consumos de energía del día, la necesidad total de energía diaria será:

E total = 270 vatios hora por día

Es importante la familiarización con este concepto de necesidad diaria de energía una vez que, como se verá más adelante, será utilizado en el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos.

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Pg. revista en 03/Mai/01

IV- Curvas características de las células fotovoltaicas

Curva de corriente x tensión (curva I-V) La representación típica de la característica de salida de un dispositivo fotovoltaico (célula, módulo, sistema) se denomina curva corriente tensión.

La corriente de salida se mantiene prácticamente constante dentro de la amplitud de tensión de funcionamiento y, por tanto, el dispositivo puede ser considerado una fuente de corriente constante en este ámbito

La corriente y la tensión en que opera el dispositivo fotovoltaico son determinadas por la radiación solar incidente, por la temperatura ambiente y por las características de la carga conectadas al mismo.

Fig. 9

Los valores trascendentes de esta curva son:

Corriente de cortocircuito (Icc): Máxima corriente que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a tensión nula y consecuentemente a potencia nula.

Tensión de circuito abierto (Vca): Máxima tensión que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a circulación de corriente nula y consecuentemente a potencia nula.

Potencia Pico (Pmp): es el valor máximo de potencia que puede entregar el dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el producto V x I es máximo.

Corriente a máxima potencia (Imp): corriente que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Es utilizada como corriente nominal del mismo.

Tensión a máxima potencia (Vmp): tensión que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Es utilizada como tensión nominal del mismo.

Efecto de factores ambientales sobre la característica de salida del dispositivo. Efecto de la intensidad de radiación solar

El resultado de un cambio en la intensidad de radiación es una variación en la corriente de salida para cualquier valor de tensión.

La corriente varía con la radiación de forma directamente proporcional. La tensión se mantiene prácticamente constante.

Fig.10

Efecto de la temperatura

El principal efecto provocado por el aumento de la temperatura del módulo es una reducción de la tensión de forma directamente proporcional. Existe un efecto secundario dado por un pequeño incremento de la corriente para valores bajos de tensión. Todo esto está indicado en la Fig. 11

Es por eso que para lugares con temperatura ambiente muy elevada son adecuados módulos que posean mayor cantidad de células en serie a fin de que las mismas tengan suficiente tensión de salida para cargar baterías.

Fig.11

Combinaciones de células y curvas resultantes

La tensión en el punto de máxima potencia de salida para una célula es de aproximadamente 0,5 Voltios a pleno sol.

La corriente que entrega una célula es proporcional a la superficie de la misma y a la intensidad de la luz. Es por eso que para conseguir módulos con corrientes de salida menores se utilizan en su fabricación tercios, cuartos, mitades, etc de células.

Un módulo fotovoltaico es un conjunto de células conectadas en serie (se suman sus tensiones) que forman una unidad con suficiente tensión para poder cargar una batería de 12 voltios de tensión nominal (esta batería necesita entre 14 y 15 Voltios para poder cargarse completamente). Para conseguir esta tensión se necesitan entre 30 y 36 células de silicio Monocristalino conectadas en serie.

Interacción del dispositivo fotovoltaico con la carga

La curva I-V corregida para las condiciones ambientales reinantes, es sólo una parte de la información necesaria para saber cual será la característica de salida de un módulo. Otra información imprescindible es la característica operativa de la carga a conectar. Es la carga que determina el punto de funcionamiento en la curva I-V

Potencia máxima de salida durante el día

La característica I-V del módulo varía con las condiciones ambientales (radiación, temperatura). Esto quiere decir que habrá una familia de curvas I-V que nos mostrará las características de salida del módulo durante el día en una época del año.

Fig. 12

La curva de potencia máxima de un módulo en función de la hora del día tiene la forma indicada en este diagrama de carga:

Fig. 13

La cantidad de energía que el módulo es capaz de entregar durante el día es representada por la área comprendida bajo a curva de la Fig.13 y se mide en vatios hora/día.

Se observa que en él es posible hablar de un valor constante de energía entregada por el módulo en vatios hora una vez que varía conforme a hora del día. Será necesario entonces trabajar con los valores de la cantidad de energía diaria entregada. (vatios hora/día).

Interacción con una carga resistiva

Un ejemplo más simple, si se conectan los bornes de un módulo a los de una lámpara incandescente (que se comporta como una resistencia eléctrica) el punto de operación del módulo será el de la intersección de su curva característica con una recta que representa gráficamente la expresión I= V / R, siendo R la resistencia de la carga a conectar.

Fig.14

Interacción con una batería

Una batería tiene una tensión que depende de estado de carga, antigüedad, temperatura, régimen de carga y descarga, etc. Esta tensión es impuesta a todos los elementos que están unidos a ella, incluyendo el módulo fotovoltaico.

Fig. 15

Es incorrecto pensar que un módulo con una tensión máxima de salida de 20 voltios elevará una batería de 12 voltios a 20 voltios y la dañará. Es la batería la que determina el punto de funcionamiento del módulo.

La batería varía su amplitud de tensión entre 12 y 14 voltios.

Dado que la salida del módulo fotovoltaico es influenciada por las variaciones de radiación y de temperatura a lo largo del día, esto se traducirá en una corriente variable entrando en la batería.

Fig. 16

Interacción con un motor de corriente continua

Un motor de corriente continua tiene también una curva I-V. La intersección de la misma con la curva I-V del módulo determina el punto de funcionamiento.

Fig. 17

Cuando se une un motor directamente al sistema fotovoltaico, sin batería ni controles intermediarios, disminuyen los componentes involucrados y por tanto aumenta la fiabilidad.

Pero, como muestra la Fig. 18, no se aprovechará la energía generada en las primeras horas de la mañana y al atardecer.

Fig. 18

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V- Configuración de sistemas de producción

Directamente unidos a una carga Es el sistema más simple de todos. El generador fotovoltaico se une directamente a la carga, generalmente un motor de corriente continua. Se utiliza sobre todo en la bombas de agua. Por no existir baterías de acumuladores ni componentes electrónicos mejora la fiabilidad del sistema, pero resulta difícil mantener un desempeño eficiente a lo largo del día.

Sistema módulo-batería de acumuladores Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para reponer simplemente la autodescarga de una batería que se utilice para el arranque de un motor, por ejemplo. Para eso se pueden utilizar los módulos de silicio amorfo o Monocristalino. Otra importante aplicación en que el sistema fotovoltaico se une de forma directa a la batería es en sistemas de electrificación rural de baja potencia. En estos casos se utilizan uno o dos módulos de silicio Monocristalino de 30 células, cada uno unido en paralelo para alcanzar la potencia deseada.

Sistema fotovoltaico, batería y regulador Es la configuración utilizada con módulos de 33 o 36 células en la cual se une el

generador fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que ésta no se sobrecargue. Las baterías de acumuladores alimentan cargas en corriente continua.

Batería, inversor

Cuando se necesitar energía en corriente alterna se puede incluir un inversor. La potencia generada en el sistema fotovoltaico podrá ser transformada integralmente en corriente alternad o se podrán alimentar simultáneamente cargas de corriente continua (C.C.) y de corriente alterna (C.A.)

Reguladores de carga de baterías Existen diversos tipos de reguladores de carga: La concepción más simple es aquella que consta de una sola etapa de control. El regulador monitoriza constantemente la tensión de la batería de acumuladores. Cuando la tensión referida alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 voltios para una batería de plomo ácido de 12 voltios nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Esto puede ser conseguido abriendo el circuito entre los módulos fotovoltaicos y la batería (control tipo serie) o cortocircuitando los módulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería y recomienza el ciclo. En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensión de carga a tope de la batería puede ser algo superior a 14,1 voltios.

El regulador es definido al especificar su nivel de tensión (que coincidirá con el valor de tensión del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar. Para ilustrar con un ejemplo simple, supóngase que se tiene que alimentar una habitación rural con consumo en 12 Vcc. y para eso se utilizan dos módulos fotovoltaicos. La corriente máxima de estos módulos es Imp = 2,75 A y la corriente de cortocircuito Icc = 3 A. Cuando los módulos están en paralelo la corriente total máxima que deberá controlar el regulador será I total = 2 x 3 A =6 A. Se considera la corriente de cortocircuito para contemplar la peor situación. El regulador a escoger, por tanto, deberá estar concebido para trabajar a una tensión de 15 voltios (tensión de trabajo de los módulos) y manejar una corriente de 6 A. Baterías de acumuladores La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad a fin de poder ser utilizada a la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo. Otra importante función de las baterías es proveer una intensidad de corriente superior a aquella que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede exigir una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.

Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías

Normalmente el banco de baterías de acumuladores y los módulos fotovoltaicos trabajan en conjunto para alimentar las cargas.

La figura siguiente muestra como se distribuye la entrega de energía a la carga a lo largo del día. Durante la noche toda la energía pedida por la carga es suministrada por el banco de baterías. En horas matutinas los módulos comienzan a generar, pero si la corriente que suministran es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos supera la energía media demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda, sino que además el exceso será almacenado en la batería que comenzará a cargarse y a recuperarse de la descarga de la noche anterior. Finalmente durante la tarde, la corriente generada disminuye y cualquier diferencia en relación a la demanda será entregada por la batería. Durante la noche, la producción es nula y todo el consumo viene de la(s) batería(s) de acumuladores.

Tipos de baterías de Acumuladores

Baterías de plomo-ácido de electrólito líquido

Las baterías de plomo-ácido se utilizan ampliamente en los sistemas de generación fotovoltaicos. Dentro de la categoría plomo-ácido, las de plomo-antimonio, plomo-selenio y plomo-calcio son las más comunes.

La unidad de construcción básica de una batería es la célula de 2 voltios. Dentro de la célula, la tensión real de la batería depende del su estado de carga, si está a cargar, a descargar o en circuito abierto. En general, la tensión de una célula varía entre 1,75 voltios y 2,5 voltios, siendo la media cerca de 2 voltios, tensión que se acostumbra llamar nominal de la célula.

Cuando las células de 2 voltios se unen en serie (POSITIVO A NEGATIVO) las tensiones de las células se suman, obteniéndose de esta manera baterías de 4, 6,12 voltios, etc. Si las baterías estuvieran unidas en paralelo (POSITIVO A POSITIVO Y NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no se alteran, pero se suman sus capacidades de corriente. Sólo se deben unir en paralelo baterías de igual tensión y capacidad.

Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medida en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (número de veces que la batería puede ser descargada y cargada a tope antes de que se agote su vida útil). La capacidad de almacenamiento de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor sea el tiempo de descarga, mayor será la cantidad de energía que la batería proporciona. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batería que posea una capacidad de 80 Ah en 10 hs (capacidad nominal) tendrá 100 Ah de capacidad en 100 hs.

Dentro de las baterías de plomo-ácido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas fotovoltaicos. Poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es del 20 % (o sea, que la batería estará con 80 % de la su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es de 50 % (batería con 50 % de su carga). Las baterías estacionarias poseen, además, una baja auto-descarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo-ácido convencional) y un mantenimiento reducido. Dentro de estas características también se encuadran las baterías de plomo-calcio y plomo-selenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de gasificación y una baja autodescarga.

Baterías selladas -Gelificadas Estas baterías incorporan un electrólito de tipo gel, con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una gelatina. No se derraman, se pueden montar en casi todas las posiciones y no admiten descargas profundas. -Electrólito absorbido El electrólito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio microporoso o en un trenzado de fibra polimérica. Tal como las anteriores no derraman, se montan en cualquier posición y admiten descargas moderadas. Tanto estas baterías como las Gelificadas no exigen mantenimiento con aporte de agua y no desprenden gases, evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida útil. Níquel-Cadmio Las principales características son :

1. El electrolito es alcalino. 2. Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal. 3. Bajo coeficiente de autodescarga. 4. Alto rendimiento bajo variaciones extremas de temperatura. 5. La tensión nominal por elemento es de 1,2 voltios. 6. Alto rendimiento de absorción de carga (superior a 80%). 7. Precio muy elevado en comparación con las baterías ácidas.

Tal como las baterías de plomo-ácido, estas se pueden obtener en las dos versiones: standard y selladas. Se utiliza la más conveniente conforme a las necesidades de mantenimiento admisible para la aplicación prevista. Dado su alto precio, no se justifica su utilización en aplicaciones rurales.

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VI- Dimensionamiento de sistemas de generación fotovoltaicos y de bancos de baterías

Datos necesarios para dimensionar un sistema

Tensión nominal del sistema.

Se refiere a la tensión típica en que operan las cargas a conectar. Además, se debe distinguir si la referida tensión es alterna o continua.

Potencia exigida por la carga

La potencia que cada carga exige es un dato esencial. Los equipamientos de comunicaciones requieren potencias importantes cuando funcionan en transmisión y esto, muchas veces, ocurre sólo durante algunos minutos por día. Durante el resto del tiempo requieren una pequeña potencia de mantenimiento. Esta diferenciación debe ser tenida en cuenta en la concepción del sistema.

Horas de utilización de las cargas

Juntamente con la potencia requerida por la carga, se deberán especificar las horas diarias de utilización de la referida potencia. Multiplicando potencia por horas de utilización, se obtendrán los vatios hora requeridos por la carga al final de un día. Localización geográfica del sistema (latitud, longitud y altura sobre el nivel del mar del sitio de la instalación)

Estos datos son necesarios para determinar el ángulo de inclinación adecuado para el módulo fotovoltaico y el nivel de radiación (medio mensual) del lugar.

Autonomía prevista

Esto se refiere al número de días en que se prevé que disminuirá o no habrá generación y que deberán ser tenidos en cuenta en el dimensionamiento de las baterías de acumuladores. Para sistemas rurales domésticos se toman de 3 a 5 días y para sistemas de comunicaciones remotos de 7 a 10 días de autonomía.

Se muestra a continuación una hoja de calculo para determinar los vatios/hora diarios (Wh/día) de todas las cargas de corriente continua y alternad que se pretendan alimentar.

a) Cargas en corriente continua Aparato Horas de uso por

día (A) Consumo del

aparato en vatios (B)

Total vatios hora/día (A x B)

Lámpara bajo consumo 7 W 1 8.5 8.5 2 lámparas bajo consumo 9 W

1 a 3 10 60

Lámpara bajo consumo 9 W 1 10 10 Equipamiento de transmisión radio aficionado

Transmisión 0.5 12 6 Escucha 3 3 9 Subtotal 1 93.5

b) Cargas en corriente alterna

Aparato Horas de uso por día (A)

Consumo del aparato en vatios (B)

Total vatios hora/día (A x B)

TV en color 14" 2 60 120 Incrementar 15% para tener en cuenta el rendimiento del inversor 18

Subtotal 2 138 Demanda total de energía en vatios-hora/día (1 + 2) 231.5

1) Identificar cada carga de corriente continua, su consumo en vatios y la cantidad de horas por día que debe funcionar. En el ejemplo se consideraran lámparas de bajo consumo de 7 y 9 W que, con sus balastros, consumen respectivamente 8,5 y 10 W. También se considera un equipamiento de transmisión tipo banda de radio aficionado donde se identifica su consumo tanto en transmisión como en escucha.

2) Multiplicar la columna (A) por la (B) para obtener los vatios hora/día de consumo de cada aparato (columna [AxB]).

3) Sumar los vatios hora/día de cada aparato para obtener los vatios hora/día totales de las cargas en corriente continua (Subtotal 1).

4) Proceder de igual forma con las cargas en corriente alterna con el incremento del 15% de energía adicional para tener en cuenta el rendimiento del inversor (Subtotal 2). Para poder escoger el inversor adecuado, se deberá tener claro cuales son los niveles de tensión que se manejarán tanto en termos de corriente alterna como de continua. Por ejemplo, si en una habitación rural se instala un generador solar en 12 Vcc. y se desea alimentar un televisor en color que funciona en 220 Vca y que consume 60W, el inversor será de 12 Vcc a 220 Vca y manejará un mínimo 60 W. Si existiesen otras cargas de corriente alterna, se deberán sumar todas aquellas que se deseen alimentar de forma simultánea. El resultado de la referida suma, más un margen de seguridad de aproximadamente un 10%, determinará la potencia del inversor.

5) obtener la demanda total de energía. Subtotal 1 + Subtotal 2.

Cálculo del número de módulos necesarios

Método Simplificado

Se deben conocer los niveles de radiación solar típicos de la región (ver mapa). Como ya se vio, la capacidad de producción de los módulos varía con la radiación.

Para realizar un cálculo aproximado de la cantidad de módulos necesarios para una instalación, se puede proceder de la siguiente forma:

1) Calcular con base en la hoja de dimensionamiento la demanda total de energía de la instalación (Subtotal1 + Subtotal 2)

2) Determinar en que zona se realizará la instalación.

3) Los valores de radiación deben calcularse para que en el invierno abastezcan adecuadamente el consumo. Para eso deberán disminuirse a los valores medios de radiación al porcentaje que se indica en la tabla 1.

LA PARTE FRONTAL DE LOS MÓDULOS DEL GENERADOR DEBE ESTAR ORIENTADA AL SUR GEOGRÁFICO (POSICIÓN DEL SOL AL MEDIO DÍA).

EL PLANO DE LOS MÓDULOS DEBE INSTALARSE INCLINADO, FORMANDO UN ÂNGULO DE 45º CON El PLANO HORIZONTAL.

Cálculo del banco de baterías de acumuladores

La capacidad del banco de baterías se obtiene con la fórmula:

Cap.= 1,66 x Dtot x Aut.

En donde:

1,66: factor de corrección de batería de acumuladores que tiene en cuenta la profundidad de descarga admitida, el envejecimiento y un factor de temperatura.

Dtot: Demanda total de energía de la instalación en Ah/día. Esto se obtiene dividiendo los Wh/día totales que surgen de la hoja de dimensionamiento por la tensión del sistema. Aut: días de autonomía conforme lo visto en el punto Autonomía prevista.

En el ejemplo adoptado será:

Cap. Bat. =1,66 x ((231,5 Wh/día/12 voltios) x 5 días) = 160 Ah

Se tomará el valor normalizado inmediatamente superior al que resulte de este cálculo y se armarán las combinaciones serie-paralelo adecuadas para cada caso.

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VII- Uniones y dimensionamiento de conductores y cables

Uniones Para asegurar la operación apropiada de las cargas se deberá efectuar la selección adecuada de los conductores y cables de unión, tanto de aquellos que unen el generador solar a las baterías como de los que las conectan con las cargas. En el caso de una habitación rural, los esquemas de unión básicos sería los siguientes: A) Instalación en 12 Vcc con un módulo fotovoltaico de 33 células y regulador de 12 Vcc

B) Instalación en 12 Vcc con módulos fotovoltaicos de 33 células y regulador de 12 Vcc

Para alimentación de equipamientos de comunicaciones pueden ser necesarias tensiones superiores a 12 Vcc. Las tensiones de trabajo típicas son 24, 36 y 48 Vcc. Para realizar el dimensionamiento adecuado se debe consultar el Anexo A. Aquí serán indicadas apenas algunas uniones básicas para las tensiones mencionadas.

a) Instalación en 24 Vcc con cuatro módulos fotovoltaicos de 24 Vcc

b) Instalación en 36 Vcc con seis módulos fotovoltaicos de 36 Vcc

c) Instalación en 48 Vcc con ocho módulos fotovoltaicos de 48 Vcc

Dimensionamiento de conductores y cables

Los cables cuyo recorrido está principalmente en zonas de intemperie deberán ser adecuados a esa condición. En estos casos se recomienda utilizar el cable FVV (designación europea AO5VV-F).

El cable tipo H07RN-F (norma NP-2357) corresponde a la figura siguiente. Se trata de un cable flexible, inadecuado para la intemperie, a ser instalado en un tubo de PVC que le servirá de protección mecánica. Su nivel de aislamiento es de 500 V.

Para instalar conductores en el interior de una habitación o de un edificio se utiliza cable de cobre con aislamiento de PVC ininflamable conforme a norma NP-2356. Este cable, inadecuado para instalaciones al aire libre, debe ser montado dentro de tubos PVC con 16, 20 o 25 mm de diámetro. Su nivel de aislamiento es de 1000 V. El diseño siguiente muestra un corte del mismo.

A fin de asegurar el funcionamiento adecuado de las cargas (lámparas, televisión, equipamientos de transmisión, etc) no deberá haber más de un 5% de caída de tensión tanto entre los módulos y las baterías como entre las baterías y los centros de cargas.

El proceso de selección del cable es más simple si se utilizar la tabla siguiente, que indica la sección de cable adecuada a utilizar para una caída de tensión del 5% en sistemas de 12 V.

En la columna a la izquierda se escoge la corriente pretendida. En esa misma línea se indica la distancia que el referido trozo de cable recorrerá y en la parte superior de la respectiva columna se lee la sección de cable correspondiente.

Si la instalación fuera de 24, 36 o 48 Vcc se procederá de la misma forma, pero en ese caso se deberá dividir la sección obtenida por 2, 3 o 4, respectivamente. Si el valor que resultar de esta división no coincide con un valor normalizado de sección se deberá adoptar la sección inmediatamente superior.

Distancia máxima, en metros, para una caída de tensión del 5% en sistemas de 12 voltios Sección (mm²) 35 25 16 10 6 4 2.5 1.5 Corriente (A)

1 540 389 246 156 93 62 39 22 2 270 194 123 78 46 31 19 11 3 180 130 82 52 31 20 13 7 4 135 97 62 39 23 15 10 5 5 108 78 49 31 18 12 8 4 6 90 65 41 26 15 10 6 3 7 77 55 35 22 13 9 5 2.8 8 67 49 31 19 12 8 4.5 2.5 9 60 43 27 17 10 7 4 2 10 54 39 25 16 9 6 3.5 1.8 12 45 32 20 13 8 5 3 1.5 15 36 26 16 10 6 4 2 1 18 30 22 14 9 5 3 1.8 0.8 21 26 18 12 7 4 3 1.6 0.7 24 22 16 10 6.5 3.5 2.5 1.5 0.5 27 20 14 9 5.5 3 2 1 - 30 18 13 8 5 2.5 1.5 0.8 -

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VIII- Instalación y mantenimiento Localización y orientación de los módulos

Para la buena instalación es importante seleccionar la mejor localización posible para los módulos fotovoltaicos. La localización debe reunir dos condiciones: 1 Estar lo más próximo posible de las baterías (a fin de minimizar la sección del cable). 2 Tener condiciones óptimas para la recepción de la radiación solar. Los módulos deberán estar suficientemente alejados de cualquier objeto que proyecte sombra sobre ellos en el período de mejor radiación (habitualmente de las 9 a las 17 horas) en el día más corto del año. La figura 8.1 ayuda a calcular la distancia mínima (en metros) a que un objeto podrá estar de los módulos a fin de que no proyecte sombra sobre los mismos durante el invierno, tres horas antes y tres horas después del medio día solar.

En base en la latitud del lugar de la instalación se obtiene de la figura 8.1 el Factor de alejamiento (Fa). Así, la distancia mínima a que podrá estar localizado el objeto será:

Distancia = Fa x (Ho - Hm) en que: Fa = Factor de alejamiento obtenido de la Fig. 8.1 Ho = Altura del objeto Hm = Altura en relación al nivel del suelo en que se encuentran instalados los módulos.

Los módulos deberán estar orientados de modo que su parte frontal mire para el Sur geográfico (o Norte, en el hemisferio Sur). Cuando el Sol alcanza el punto más alto de su trayectoria (medio día) su posición coincide con el Sur geográfico.

Para conseguir un mejor aprovechamiento de la radiación solar incidente, los módulos deberán estar inclinados en relación al plano horizontal un ángulo que variará con la latitud de la instalación. BP Solar recomienda la adopción de los siguientes ángulos de inclinación:

latitud Ángulo de inclinación

0 a 4 grados 10 grados 5 a 20 grados latitud + 5 grados 21 a 45 grados latitud + 10 grados 46 a 65 grados latitud + 15 grados 66 a 75 grados 80 grados

Ejemplo: como Lisboa está en la latitud 39º, el ángulo de inclinación del panel podrá ser de 49º. Pequeñas variaciones de ángulo no afectan significativamente el rendimiento de la instalación.

En el hemisferio Norte las placas estarán orientadas hacia el sur geográfico (que tiene una diferencia de 17º en relación al Sur magnético). En el hemisferio Sur, las placas estarán orientadas hacia el Norte geográfico.

Localización de los demás equipamientos

El regulador de carga de las baterías podrá estar localizado en la propia estructura (caso de los generadores solares de apenas uno o dos módulos) o en algún lugar próximo del banco de baterías (caso de los generadores con mayor cantidad de módulos). Las baterías deberán ser instaladas en un compartimento separado del resto de la habitación y con ventilación adecuada, pues de las baterías de plomo-ácido emanan gases explosivos.

En las instalaciones rurales es aconsejable tener un cuadro de distribución con una entrada para el banco de baterías y una o dos salidas (con las respectivas protecciones) en que se repartirán los consumos de las habitaciones. En el referido cuadro también podrá haber un sistema indicador del estado de carga de las baterías. Para eso es

conveniente colocar el cuadro en un lugar de la habitación de acceso fácil a fin de mantener el control adecuado.

Mantenimiento de los módulos fotovoltaicos

Una de las grandes ventajas de los sistemas de producción fotovoltaicos es que no necesitan mantenimiento alguno. Es por eso que son los ideales en los sitios en que es preciso autonomía de funcionamiento.

La parte frontal de los módulos está constituida por un vidrio templado con 3 a 3,5 mm de espesor, que los hace resistentes al granizo. Además, admiten cualquier tipo de variación climática. Son auto-limpiantes debido a la propia inclinación que el módulo debe tener, de modo que a suciedad puede escurrir. De cualquier forma, en los lugares donde sea posible, será conveniente limpiar la parte frontal de los módulos con agua mezclada con detergente. Se debe verificar periódicamente que el ángulo de inclinación corresponde al especificado. Se debe confirmar que no haya proyección de sombras de objetos próximos en ningún sector de los módulos entre las 9 y las 17 horas, por el menos. Se debe verificar periódicamente si las uniones eléctricas están bien ajustadas y sin señales de oxidación.

Mantenimiento de las baterías

• Observar periódicamente el nivel de agua en cada uno de los compartimentos de todas las baterías. En caso de que el nivel estuviera bajo, completar con agua desmineralizada.

• Inspeccionar los terminales a fin de verificar si están bien ajustados y sin corrosión.

• Observar si existe sulfatación, pues esto podría indicar gas en la batería y por tanto un fallo del sistema de regulación.

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