CURSO INTRODUCTORIO DE

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

ING. SANTIAGO SÁNCHEZ MIÑO

M.Sc Energías Renovables Alemania

Master Electrical Engineering USA

IPUR - UCSG

Guayaquil

Noviembre, diciembre 2009

Sistema Solar Residencial

El panel fotovoltaico en forma aislada tiene algunas restricciones en su uso:

1. Necesita de luz natural o artificial para funcionar, es decir que no sirve en la noche o en la oscuridad. 2. El voltaje de operación es bajo y en corriente continua, como el de una pila o una batería. Esto impide que se pueda conectar artefactos de uso común o electrodomésticos que funcionan a 120V y 60 Hz. 3. La potencia es relativamente baja comparada con sistemas de generación convencionales.

Para que el panel fotovoltaico pueda funcionar en sistemas residenciales de servicio

eléctrico necesitamos otros equipos. Un sistema fotovoltaico residencial (SFVR)

(Solar Home System SHS) tiene varios componentes.

La Fig. 6.4 muestra los componentes de un sistema solar residencial típico.

GRUPO ELECTRÓGENO

Fig. 6.4 Componentes de un sistema solar residencial

INVERSOR

DC / AC

BANCO DE BATERÍAS ARREGLO FOTOVOLTAICO CONTROLADOR

DE CARGA

TABLERO

BREAKERS

DC

TABLERO

BREAKERS

AC

Los paneles se instalan en el número y forma de conexión apropiada para proporcionar

el voltaje y la potencia requeridos por el diseño de carga. Usualmente van montados

sobre el techo de una residencia, o en una estructura al tope de un poste. La

orientación de los paneles debe hacerse mirando hacia la línea equinoccial y con un

ángulo de inclinación (tilt angle) para recibir la mayor cantidad de tiempo la radiación

directa del Sol durante la mayor cantidad de tiempo. Se ha determinado que para un

panel fijo el ángulo óptimo de inclinación del panel es igual a la latitud del lugar donde

se instala. En el caso del Ecuador, al tener una latitud de 0 a 5 grados, la inclinación

del panel debe ser de 5 a 10 grados sobre la horizontal para permitir que el agua lluvia

fluya sin dificultad y limpie el panel. Hay sistemas activos de seguimiento del ángulo

solar que siguen al Sol en su trayectoria durante el día y se conocen como

rastreadores solares (solar tracking systems).

Controlador de Carga

Es un dispositivo electrónico que controla permanentemente que la carga del panel

solar se encuentre dentro de los límites tolerables por las baterías y, de acuerdo a ello,

desconecta o conecta el panel. Existen controladores que monitorean a cada instante

la radiación solar y permiten mantener al sistema automáticamente en el punto de

máxima potencia. Estos se llaman rastreadores de máxima potencia (maximum

power point trackers). En ciertos casos, si las baterías se encuentran cargadas al

máximo, el controlador puede enviar el exceso de corriente de un panel fotovoltaico a

la carga. Los controladores disponen de instrumentos de medición y protección.

Banco de Baterías

Son los elementos donde se almacena la energía en forma química para su uso

posterior como electricidad en corriente continua. Consiste de baterías especiales de

ciclo profundo de descarga. Se diferencian de las baterías normales de automóviles

en que no necesitan una alta corriente instantánea necesaria para arrancar el motor,

sino que la descarga de corriente es lenta pero dura más tiempo. Las placas son más

gruesas y de menor área. Se fabrican también en plomo ácido pero se prefiere las

alcalinas, las de tipo seco o de gel de bajo mantenimiento. La duración de una batería

solar es de 5 a 10 años, dependiendo del tipo. Se debe mantener la temperatura de

las baterías dentro de los límites establecidos por el fabricante ya que si el electrolito

(agua destilada con ácido sulfúrico en bajas proporciones) está muy caliente aparecen

burbujas que gasifican el electrolito y reducen la vida de la batería.

Otro aspecto importante de las baterías es el número de ciclos de carga-descarga.

Una batería solar puede tener entre 3 a 5 mil ciclos durante su vida. Las baterías

normales para automóviles no cumplen con esto, ya que están diseñadas para usarse

en tiempos muy cortos durante el arranque, donde se demanda una alta corriente.

Las baterías solares se fabrican en celdas de 2V que se unen en serie para llegar a

voltajes de 6V, 12V, 24V y 48V. Para aplicaciones en SFVR las baterías normalmente

son de 2V. Por ejemplo, los sistemas de aplicaciones especiales como

comunicaciones, recreación o bombeo de agua utilizan baterías de 24V y 12V. Las

baterías se fabrican en capacidades que van desde decenas a miles de amperios hora

[Ah]. El amperio hora es la unidad de capacidad o energía de una batería y nos indica

cuántas horas puede la batería proporcionar la corriente nominal. El fabricante indica

normalmente los valores de corriente de descarga para 10 horas y 100 horas. La

especificación normal es de 20 horas. Un factor importante para salvaguardar la vida

de la batería es mantener un voltaje de carga constante, usualmente entre 1,85V y 2,4

V para una celda de 2V. Especial atención debe tenerse en los siguientes aspectos: a)

la corriente de carga de la batería debe ser alrededor del 25% de sus Ah nominales, b)

la profundidad de descarga no menor del 30 a 40% del límite permitido, y c) la

temperatura de funcionamiento de la batería.

La conexión de baterías en paralelo para obtener una corriente mayor solo se permite

cuando las características de las baterías son exactamente iguales, y se puede evitar

la circulación de corriente entre las baterías. Cuando se renueva un banco de baterías

deben cambiarse todas las baterías.

Inversor

Si la carga es de corriente continua, nuestro SFVR estaría completo con los elementos

anteriores (panel, cargador y batería). Sin embargo, esto no es lo común ya que

tenemos electrodomésticos o equipos que trabajan con corriente alterna. Para

convertir la corriente continua del banco de baterías en corriente alterna se utiliza un

inversor. Este es un equipo electrónico que va generando una onda sinusoidal similar

a la de la corriente alterna mediante una serie de rectificadores o diodos.

Grupo Electrógeno o Respaldo de Energía Adicional

En situaciones que no hay Sol, las baterías aportan con la energía para servir a la

carga. Usualmente el banco de baterías se dimensiona para atender a la carga por dos

o tres días de falta de energía solar. Si este tiempo es mayor, o si la carga se

incrementa, es necesario incluir en el SFVR un sistema de respaldo de energía, para lo

cual se usa un grupo electrógeno a gasolina o diesel. Puede también combinarse con

energía eólica, pero hay casos en que no se presenta viento, por lo que se recomienda

la instalación de grupos electrógenos. Este grupo entrega la corriente de carga para

cargar las baterías, o puede conectarse directamente a la carga de corriente alterna.

Se debe tener especial cuidado en seleccionar un grupo electrógeno que minimice la

emisión de gases contaminantes y el nivel de ruido.

Cuando se instala in grupo electrógeno se debe incluir un interruptor de transferencia

(manual o automático) para seleccionar la fuente de generación, sea a través del

arreglo fotovoltaico o del grupo electrógeno. Hay inversores que monitorean

permanentemente al grupo electrógeno y lo encienden o apagan automáticamente.

Centros de Carga o Tableros Eléctricos

Los equipos y aparatos eléctricos se conectan en circuitos o directamente a un tablero

de breakers o centro de carga. Se utilizan dos tableros: uno para las cargas en DC y

otro para las de AC. El dimensionamiento de los breakers depende de la carga del

circuito, es decir de su amperaje. También es posible emplear fusibles. Los breakers y

fusibles cumplen la función de proteger a los aparatos eléctricos de sobrecargas o

sobrevoltajes en los circuitos evitando el daño de los aparatos.