Curso Fotovoltaica 1/6

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Diseño, ejecución, explotación y mantenimiento

DISEÑO DE LA INSTALACIÓN

Oscar Velasco. Grupo Generalia. 16 de Marzo de 2011

www.generalia.es

1

ÍNDICE

Evaluación del recurso solar

Hacia la rentabilidad de la planta desde el diseño

Elección de componentes

Calculo de la instalación fotovoltaica

Esquema unifilar

2

ÍNDICE





Esquema unifilar

3

Característica del recurso solar: su condición es aleatoria y variable

Importante cantidad y calidad de estaciones medida, tanto de la radiación global como

de sus componentes directa y difusa

No son suficientes como para permitir la evaluación de cualquier localidad geográfica

distante o con orografía cambiante.

La utilización de las imágenes de satélites

geoestacionarios son una herramienta que

claramente cubre este hueco

Se les puede atribuir mas fiabilidad que a

la interpolación de los datos de las estaciones

meteorológicas mas cercanas

EVALUACIÓN DEL RECURSO SOLAR

4

Mayor disponibilidad de datos: Mapas

con una incertidumbre cada vez

menor

Permiten una primera aproximación al

estudio de viabilidad del

emplazamiento de una central solar

Puede considerarse suficiente para pequeñas instalaciones

Pero una verdadera evaluación del recurso debe hacerse mas rigurosamente mediante la

medida in situ de la radiación solar

Adicionalmente puede compararse con valores ofrecidos por satélite, y en su caso, con la

estación meteorológica mas cercana.

5

EVALUACIÓN DEL RECURSO SOLAR

Fuente: NASA

ÍNDICE





Esquema unifilar

6

RENTABILIDAD OPTIMA DE LA PLANTA FV

7

HACIA LA RENTABILIDAD DE LA PLANTA DESDE EL DISEÑO

EVALUACIÓN DE RECURSOPERDIDAS DEL SISTEMA

(PR)

• Sombras

• Desconexiones, averías y otras

• Tolerancia de panel

• Polución , dispersión y reflactancia

• Temperatura

• Inversor

• Cableado

• Latitud

• Longitud

• Altitud de lugar

• Datos recibidos de estaciones

meteorológicas cercanas

• Datos vía satélite

ÍNDICE





Esquema unifilar

8

• Dentro de una instalación fotovoltaica podemos decir que el inversor es el corazón de la

misma.

• El precio de este equipo en relación a la instalación completa está en torno al 6%-9%

• Las compañías eléctricas pueden pedir transformador de aislamiento galvánico cuando la

conexión es en baja tensión

• El rendimiento de estos equipos ya está en el entorno del 95%-97%

• Conocer el concepto de funcionamiento puede ser muy importante en algunos casos,

vemos 3 opciones:

9

INVERSORES: TENDENCIAS

VARIAS ETAPAS DE

POTENCIA

INDEPENDIENTES

UNA ÚNICA ETAPA DE

POTENCIA

VARIAS ETAPAS DE

POTENCIA

CONTROLADAS

10

CARACTERÍSTICAS INVERSORES

Los parámetros mas importantes en el inversor son:

• Tensión máxima de entrada:

• la tensión del generador fotovoltaico nunca

podrá superar esta tensión

• Tensión MPPT:

• Es el rango donde el inversor es capaz de

situar la curva I – V del generador

fotovoltaico en el punto de máxima potencia

• La tensión del generador fotovoltaico deberá

estar dentro de este rango en las diferentes

condiciones de temperatura que habrá en la

localización durante el año

Fuente: SolarMax

11

Otros parámetros importantes en el inversor son:

• Eficiencia del inversor:

• Como se ve en la gráfica, el inversor en función de la carga alcanza una eficiencia,

además de la eficiencia máxima todos los fabricantes indican las eficiencia europea que

resulta de ponderar la eficiencia cuando el inversor está al 5%, 10%, 30%...100%

• La temperatura de trabajo del equipo:

• Es muy importante ya que en determinadas zonas es habitual que en recintos

cerrados se superen los 40º de temperatura con lo que habrá que verificar este

parámetro para valorar algún tipo de ventilación ya sea natural o forzada

CARACTERÍSTICAS INVERSORES

12

PANEL CRISTALINO O CAPA DELGADA

Identificación visual

Mono cristalino Poli cristalino Capa delgada A-Si:H

Fuente: Atersa

Son más baratos, aunque precisan mas estructura soporte para la misma potencia

La garantía de potencia disponible en el módulo no es tan precisa como los mono o

policristalinos y no hay referencias de instalaciones de tanta antig.

Comentarios sobre los paneles capa delgada:

13

PANEL CRISTALINO O CAPA DELGADA

PANEL CRISTALINO PRECIO * COMPORTAMIENTOCON LA TEMPERATURA

Mono cristalino

Poli cristalino

PANEL CAPA DELGADA

CGIS (Diseleniuro de Cobre, Indio, Galio)

CIS (Diseleniuro de Cobre e Indio)

CdTe (Teluro de Cadmio)

A-Si:H tripple (Silicio amorfo triple unión)

A-Si:H tandem (Silicio amorfo doble union)

A-Si:H single (Silicio amorfo)

EFICIENCIA SUPERFICIE NECESARIA

* Puede variar bastante según la política de precios de cada fabricantes

14

CARACTERÍSTICAS PANEL FV

Fuente: Atersa

A nivel eléctrico lo mas importante es ver si nos cuadra la

eficiencia del panel

A mayor eficiencia de panel menor superficie se

necesita de tejado o suelo

Los parámetros de tensión e intensidad no son

determinantes ya que como los valores de tensión e

intensidad del inversor son mayores tendremos que conectar

los paneles en serie-paralelo para adaptar estos valores en la

mejor medida posible

15

CARACTERÍSTICAS PANEL FV

Fuente: AtersaFuente: QS Solar

El factor de perdidas por temperatura en países

con latitud entre 35º - 0º repercute mucho en la

producción.

Entre paneles con la misma tecnología los valores

de perdidas son similares.

Si comparamos los datos de 2 tecnologías

distintas A:Si (Izquierda), Policristalino (Derecha)

podemos ver como la tecnología A:Si tiene un

40% menos de perdidas

La tecnología de concentración está todavía en proceso embrionario.

Lente fresnel

Sistema óptico refractivo

Concentración de 500x

Ahorro de costes potencial

Eficiencia de las células desde el 30% actual hacia el 40%

Aumento de la concentración de 500x actual hacia 1000x

Exigen gran precisión del seguimiento. Desviación menor de 0.1-0.2º

Los retos a superar actualmente son la degradación de elementos ópticos, la

refrigeración y el coste del seguimiento

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PANEL CONCENTRACIÓN

Fuente: Everphoton

La protecciones a instalar serán:

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S800PV de ABB (Características)

• S800PV-S Interruptores automáticos magnetotermicos

• Versiones en 2P, 3P y 4P

• Hasta 80 A

• 800Vcc con 2P y 1200Vcc con 3P y 4P (Muy interesante)

• S800PV-M Interruptores seccionadores

• Versiones en 2P, 3P y 4P

• Hasta 125 A

• 800Vcc con 2P y 1200Vcc con 3P y 4P (Muy interesante)

PROTECCIONES

MAGNETOTÉMICA AC

DIFERENCIAL AC

MAGNETOTERMICA DC

FUSIBLES DC

Fuente: ABB

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PROTECCIONES SOBRETENSIONES

Para protección contra sobretensiones se coloca lo mas próximo

posible a los elementos a proteger unos equipos llamados

descargadores de tensión o varistores de alta energía

• La función de estos equipos es detectar una sobretensión en un

espacio de tiempo determinado y derivarlo a tierra

• En función de que tipo de descarga tenga que derivar el equipo,

puede destruirse el propio descargador.

19

CABLE

Los cables que se utilizan dentro de una instalación fotovoltaica deberán cumplir

los siguientes requisitos:

• La instalación tiene una duración mayor de 25 años

• El cableado de panel a inversor estará en intemperie y circulará por el

interior de viviendas o industrias

• El cableado de inversor a contador será en la mayoría de los casos

enterrado bajo tubo

• En los casos que se requiera media tensión nos encontraremos con la

necesidad/posibilidad:

• Realizar instalación subterránea de cableado de media tensión

• Realizar instalación aérea de cableado de media tensiónFuente: TopCable

20

CABLE

Teniendo en cuenta los condicionantes anteriores se recomiendan el uso de:

• Cable especifico para instalaciones solares

• Cable RZ

• Las principales características de ambos son:

• Conductor: de cobre electrolítico

• Aislamiento: libre de halógenos

• Cubierta: ignifugada, con baja emisión de humos y gases

corrosivos en caso de incendio

• Aplicaciones: es un cable de alta seguridad. En caso de incendio no

emite sustancias tóxicas ni gases corrosivos, por lo que protege la

salud pública y evita posibles daños a los equipos electrónicos. Por

esta razón su uso es obligado en locales de pública concurrencia

• Una comparativa visual se puede ver en la siguiente transparencia

Fuente: TopCable

21

CABLE

Teniendo en cuenta los condicionantes anteriores se recomiendan el uso de:

• Cable especifico para instalaciones solares

• Cable RZ

• Las principales características de ambos son:

• Conductor: de cobre electrolítico

• Aislamiento: libre de halógenos

• Cubierta: ignifugada, con baja emisión de humos y gases

corrosivos en caso de incendio

• Aplicaciones: es un cable de alta seguridad. En caso de incendio no

emite sustancias tóxicas ni gases corrosivos, por lo que protege la

salud pública y evita posibles daños a los equipos electrónicos. Por

esta razón su uso es obligado en locales de pública concurrencia

• Una comparativa visual se puede ver en las siguientes

transparencias

Fuente: TopCable

22

CABLEADO

CABLE FV

23

CABLEADO

CABLE RZ

24

Los elementos para circuito de puesta a tierra son los típicos de

cualquier otro tipo de instalación eléctrica, estos equipos son:

• Picas de tierra, existen de diversas medidas en función de la

profundidad que se requiera desde 1,5 a 2,5 metros

• Cable de cobre desnudo >35mm2.

Para instalaciones de baja potencia será suficiente la utilización

de varias picas de tierra, separadas una distancia

determinada interconectadas con cable de cobre desnudo

Para instalaciones de potencias altas es mas habitual realizar un

mallado de tierra con cable de cobre desnudo, en función de

las mediciones físicas se puede complementar con la

colocación de picas de tierras

CIRCUITO DE PUESTA A TIERRA

25

Los elementos mínimos necesarios para una conexión en media

tensión son:

• Transformador de potencia igual a potencia salida inversor PV

con las siguientes características típicas:

• Transformador en baño de aceite mineral

• Con neutro accesible en baja tensión

• Refrigeración natural

• Reducción de tensión de MT a BT en trifásica

• Celdas de media tensión

• Existen diferentes tipos de celdas tales como:

• Celda de medida

• Celda de interruptor automático

• Pueden ser telemandadas o no

En función de los requerimientos del punto de conexión concreto,

la compañía fija los elementos. El coste puede variar de forma

importante en cada caso.

CENTRO DE TRANSFORMACIÓN

26

Una instalación fotovoltaica de conexión a red exporta toda la energía

a red, si bien es cierto que diversos equipos dentro de la instalación

tendrán un consumo propio como son:

• Inversores

• Equipos de comunicación

• Servicios auxiliares

• Equipos de seguimiento solar, en su caso

El contador tendrá que estar homologado en el país donde se vaya a

instalar

Las características habituales son:

• Clase 1

• Bidireccional

• Salida óptica, salida RS485

• En función de la potencia instalada el contador podrá conectarse

de forma directa o a través de trafos de medida

ELEMENTO DE MEDIDA

Fuente: Circutor

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EL PUNTO DE CONEXIÓN

INSTALACIÓN MT FV

Para evitar sombreados nos encontraremos que todo el trazado de cableado

de MT en una planta solar se realizará de forma subterránea.

La tensión habitual de trabajo está entre los 15kV y los 30kV aunque

dependerá del país

Se realizará un paso aéreo subterráneo para enlazar con la línea de la

compañía eléctrica.

El conductor tendrá las siguientes características

Fuente: Centelsa

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EL PUNTO DE CONEXIÓN

El cable de MT requiere de un blindaje para que la distribución del

campo eléctrico sea uniforme, se realiza en 3 capas por lo que se

denomina triple extrusión:

• Blindaje del conductor

• Aislamiento

• Blindaje del aislamiento

Requiere también capa externa denominada camisa que

proporcionará resistencia al conductor frente a:

• La humedad

• Frente a llama

• Resistencia a los rayos UV

• Resistencia al impacto y abrasión

• Resistencia a HidrocarburosFuente: Centelsa

ÍNDICE



Elección de componentes componentes


Esquema unifilar

29

30

Irradiación (Wh/m2)

Energía eléctrica (Wh)

PR = 0,74 a 0.78

Pérdidas

Nota 1: Los valores de las siguientes diapositivas son estimados y solo valen como orientación, ya que

algunos o todos pueden oscilar de forma notoria según cada emplazamiento.

Nota 2: Es fundamental un estudio detallado del PR de la instalación porque afecta de manera

importantísima a la rentabilidad de la planta

HACIA UNA DEFINICIÓN DEL PR

1. Temperatura. (9%) +10ºC 4% energía recibida

2. Inversor. Puede considerarse un 6%, se tiende al 4%

3. Cableado de alterna, continua y otros elementos eléctricos. Máximo 2%

4. Tolerancia panel. No debe superar actualmente el 3%

5. Polución, dispersión y reflectancia. En panel fijo aprox.3%. En

seguidor, 2%. En entornos urbanos, aumentar un 2% adicional

6. Sombras. Deben mantenerse por debajo del 4%. En seguidores, estudio

de sombras

7. Otras pérdidas (incidencias, etc). 2% para instalaciones fijas y 4%

para seguidor

31

100%

91%

87,4%

85,6%

83%

80,6%

77,3%

75,8%

ESTIMACIÓN DE PERDIDAS

Elegir los emplazamientos mas frescos, como zonas elevadas

Entre los inversores, aquéllos que tengan mejor eficiencia europea y de seguimiento

del punto de máxima potencia

Dimensionar los cables con cierta holgura para la intensidad prevista, y escoger

trazados con longitudes que no provoquen caídas de tensión acusadas

Elegir paneles con tolerancias entre el +/- 2-3%

Limpiar los paneles, en los periodos prolongados sin lluvia

La separación de filas de paneles o de seguidores debe permitir reducir las pérdidas

por sombreado, sin perder de vista la optimización de la parcela

Minimizar el impacto de las averías, con un mantenimiento preventivo

32

CLAVES PARA CONSEGUIR UN BUEN PR

En función del tipo de instalación, el estudio de sombreado, la optimización del

emplazamiento y la rentabilidad asociada al proyecto varían.

Los principales elementos a estudiar son:

• Desviación acimutal respecto al Sur (Hemisferio Norte) o Norte (Hemisferio Sur)

• Inclinación de paneles

• Sombreado elementos externos

• Sombreado elementos propios

33

ESTUDIO DE SOMBREADO

FIJA - SUELO SEGUIDOR - SUELO FIJA - TEJADO INTEGRACIÓN

1. Distancia entre filas de paneles

Una regla que podemos considerar básica en instalaciones fijas, es que en los

peores días de invierno, al menos en las 4 horas centrales del día, los paneles

solares no deben recibir sombras.

Esto implica calcular el ángulo del sol (altura respecto a la línea del horizonte) a

+/- 2 horas respecto al mediodía solar. Este ángulo variará en función de la latitud

lógicamente

En el trazado del recorrido del rayo de sol, desde la parte superior del panel

delantero, hacia la inferior del de detrás no se proyectarán sombras

34

FIJA-SUELO

d= h / k

Latitud 29° 37° 39° 41° 43° 45°k 1,600 2,246 2,475 2,747 3,078 3,487

2. Inclinación

La inclinación del panel puede tomarse la de “latitud – 10º”

En España, una inclinación de 30º-33º, se considera la idónea, pero inclinaciones

de entre 20 y 40º, no suponen pérdidas apreciables

Inclinaciones por debajo de 15º en ambientes urbanos, pueden llevar a pérdidas

por suciedad en paneles, superior a las deseadas

La inclinación del terreno, será lógicamente descontada, lo que puede favorecer,

distancias menores entre filas y mejor aprovechamiento del emplazamiento.

También puede darse el fenómeno contrario

35

FIJA-SUELO

3. Orientación

La orientación mas favorable es a 0º SUR (Hemisferio Norte), pero hasta 20º de

desviación este u oeste, las pérdidas son razonablemente bajas.

En el siguiente gráfico valido para una latitud de 40º, las perdidas adicionales que

tenemos en la instalación en función del ángulo acimutal y el ángulo de

inclinación elegido.

36

FIJA-SUELO

Un ejemplo práctico: El Parque Solar Valdecarábanos

…Optimización del emplazamiento

37

SEGUIMIENTO-SUELO

Tareas previas:

Condicionantes medioambientales

Condicionantes urbanísticos

Levantamiento topográfico

Estudio de sombras de elementos externos (árboles, postes eléctricos)

Estudio de sombras directas y sombras cruzadas

Determinación de distancia entre seguidores (o filas de paneles)

…Optimización del emplazamiento

38

SEGUIMIENTO-SUELO

…Optimización del emplazamiento. Estudio de sombras

39

SEGUIMIENTO-SUELO

40

Debido a que las instalaciones de conexión a red tienen un concepto de inversión, cuando

nos encontramos un tejado puede surgir la siguiente disyuntiva.

• Dispongo los paneles en la inclinación y orientación idóneas

• Adapto los paneles a la superficie

Para ello tendremos en cuenta en el balance:

Influencia de la orientación

Influencia de la inclinación

Influencia de sombras cercanas

Instalación coplanar versus instalación por hileras

Limitaciones geométricas del tejado

Influencia de la geometría del tejado en la configuración

Nota: Atención a paneles de la misma rama en distintos planos

FIJA-TEJADOS

41

En la integración arquitectónica se tenemos dos posibilidades.

• La integración implica que los paneles se colocarán de forma coplanar al tejado de

forma que visualmente no implique un cambio visual apreciable.

• La integración arquitectónica como elemento constructivo que puede realizar varias

funciones como:

• Generador de electricidad

• Efecto parasol, para ello se eligen paneles especiales que tienen huecos entre

células que permiten el paso de la luz

• Diseño innovador, para ello en la mayoría de los casos requiere de estructuras

especiales que incrementan el precio global de la instalación

La integración arquitectónica entendida de este modo no se entiende como una

inversión financiera pura, si no como un valor añadido en imagen y diseño

INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA

Supongamos que p. ej. en Toledo (España) en un determinado año, la irradiación

global media ha sido de 4.77 kW-h/ m2

42

PRODUCCIÓN ANUAL DE LA INSTALACIÓN

Producción por cada kW pico (kW en paneles)

(4.7 kW-h/ m2 -día x 0.74 x 1.15 x 365 días x 1 kW) / 1 kW/m2

La producción esperada con esa irradiación horizontal y para un factor de

pérdidas PR de 0.74 sería: 1460 kW-h

PR es adimensional

1.15 es una relación usualmente manejada para conocer la producción de un

panel a su mejor inclinación respecto a la irradiación horizontal

STC

instincdiamedanual

I

PañodiasfPRHkWpE

//

43

PRODUCCIÓN ANUAL DE LA INSTALACIÓN

44

Una vez seleccionados los módulos e inversores, la configuración del sistema permite

maximizar la energía producida al unir estos dos componentes.

Es posible que en alguna ocasión se deba replantear el uso de un determinado módulo

o inversor para que el dimensionamiento del conjunto sea mas idóneo

La configuración de los sistemas tiene en cuenta

• Tensión máxima de entrada al inversor

• Intensidad máxima de entrada al inversor

• Tensión e intensidad en punto de máxima potencia

Cuando se realizan las ramas de los paneles habrá que tener en cuenta que la tensión e

intensidad de la rama variará en función de la temperatura, por tanto se tendrán que

elegir valores extremos de la región para realizar el cálculo.

CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA

45

CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA

Fuente: PVsyst

Un ejemplo de configuración puede verse en la siguiente pantalla extraída del programa de

cálculo solar PVSYST

46

En el cálculo eléctrico sobre todo hay que prestar atención a:

• Intensidad máxima de los conductores

• Caída de tensión máxima permitida

Por regla general si cuando la distancia es medio-larga el factor determinante en la sección

del cable es la caída de tensión.

En el caso de una distancia muy corta la intensidad que circula por el cable la que

determinará la sección del cable

Tra

mo

Long.

V n

om

(V

)

Wp inst (kWp)

Inom

(A

)

Conduct.

∆V

max

(%)

∆V

max

(V)

Seccion (mm2)

Secció

n c

alc

. (m

m2)

Seccio

n e

sta

nd

ar

(mm

2)

Imax_

adm

isib

le

100% 70% 30% 100% 70% 30%

ZA01 93 541 72 50 22 133 93 40 35 1,0 5,4 131 92 39 97 150 338

ZA02 97 541 72 50 22 133 93 40 35 1,0 5,4 136 95 41 101 150 338

ZA03 115 541 72 50 22 133 93 40 35 1,0 5,4 162 113 48 120 150 338

ZA04 133 541 38 27 12 71 50 21 35 1,0 5,4 100 70 30 74 95 245

CÁLCULOS ELÉCTRICOS

47


Para la realización de un cálculo simplificado de tierras podemos partir de las siguientes

fórmulas en función de la resistividad del terreno y las características del electrodo

Los valores de resistividad medios aproximados en función del terreno se pueden ver en la

siguiente tabla:

48


Las formulas en las que está basado el dimensionamiento del cable son las siguientes:

• Trifásico

• Monofásico

• Teniendo en cuenta que:

• P = Potencia

• L= Longitud de cable

• = Conductividad cable

• E =Caída de tensión permisible en

voltios

• U= Tensión de línea (400V) para

trifásico y (230V) para monofásico

TABLA DE CONDUCTIVIDADES EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

49

La caída de rayo produce una sobretensión transitoria de

corta duración y con una amplitud muy alta.

La sobretensión producida por la descompensación de la

red entra dentro de la categoría de sobretensión

permanente, la duración es mayor y la amplitud es

inferior.

Para la protección contra sobretensiones se usarán los

equipos descargadores colocados a la entrada y salida de

los equipos que queramos proteger.

Existen 3 niveles de protección:

Alto Medio Bajo

SOBRETENSIONES

Fuente: Cirprotect

EQUIPO NIVEL DE PROTECCIÓN

INVERSOR

CONTADOR

CUADRO CC

SOBRETENSIÓN TRANSITORIA

SOBRETENSIÓN PERMANENTE

50

IMPORTANCIA DEL PUNTO DE CONEXIÓN

Cuando realizamos una instalación donde se requiera tener mas de un centro de

transformación en MT es importante la definición del tipo de enlace entre los centros de MT

y el punto de entronque.

Dentro de un parque solar las acometidas serán subterráneas con lo que podremos usar el

tipo de cable expuesto anteriormente en esta presentación.

Las posibles conexiones que nos encontramos serán. Conexión en anillo y conexión en

estrellaANILLO

ESTRELLA

ROTURA DE CABLE

ROTURA DE CABLE

NO HAY PERDIDA DE PRODUCCIÓN

HAY PERDIDA DE PRODUCCIÓN

ÍNDICE



Elección de componentes componentes


Esquema unifilar

51

52

ESQUEMA UNIFILAR

FUSIBLE

MAGNETOTERMICO DC

DIFERENCIAL

MAGNETOTERMICO AC

SECCIONADOR / MAGNETOTERMICO

COMPAÑÍA ELÉCTRICA

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Technology

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