Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de...

Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo

Principios, explotaciones y soluciones de SMA

CompendioTecnológico 2

Portada:Sistema de respaldo híbrido de 30 kWp en Ntarama (Ruanda)para el suministro de electricidad a un centro de formación profesional en tecnología solarPuesta en servicio: 2009Fuente: juwi Solar GmbH

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CONTENIDO1. Sistemas aislados renovables 41.1 Componentes 51.2 Diseño del sistema 61.2.1 Acoplamiento de CC 61.2.2 Sistemas mixtos CC/CA 71.2.3 Acoplamiento de CA 81.3 Funcionamiento 101.4 Crecimiento y conexión en red de sistemas aislados 111.5 Sunny Backup: el suministro eléctrico de emergencia de SMA 12

2. El inversor aislado 142.1 Funciones de seguridad 152.2 Gestión operativa y de usuarios 162.3 Registro y almacenamiento de datos 16

3. Generadores eléctricos en la red aislada 173.1 Inversores para fotovoltaica 173.2 Inversores para turbinas eólicas 183.3 Inversores para turbinas hidráulicas 193.4 Plantas de cogeneración 203.5 Inversores para pilas de combustible 213.6 Unidades de combustión 22

4. Gestión operativa en sistemas aislados 234.1 Tareas y objetivos 244.2 Gestión operativa óptima: la regulación de carga de Sunny Island 254.2.1 Gestión del generador 264.2.2 Gestión del sistema 26

5. Comunicación en la red aislada 275.1 Sunny WebBox: la central de comunicaciones 285.2 Sunny Portal: almacenamiento y visualización de datos en internet 29

6. Diseño de sistemas aislados 306.1 Indicaciones sobre el ejemplo de diseño 306.2 Consumidores y horas de uso 316.3 Procedimiento de diseño 326.4 Selección del inversor aislado 326.5 Dimensionamiento de la batería 346.6 Dimensionamiento de la instalación fotovoltaica 366.7 Diseño del generador diésel 376.8 Cálculo de los costes de la instalación 37

7. Aspectos económicos de los sistemas aislados 388. Competente, flexible, internacional: el servicio técnico de SMA 409. Referencias 4110. Bibliografía 42

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SMA Solar Technology

1. Sistemas aislados renovables

Según estimaciones de la Unión Europea, en el mundo viven alrededor de 1.500 millones de perso-nas sin electricidad. Los elevados costes de las inver-siones necesarias para la ampliación de las redes públicas y la baja demanda de electricidad impedi-rán la conexión de estas regiones remotas a la red a medio plazo. En estas circunstancias, los sistemas fotovoltaicos aislados ofrecen una alternativa razo-nable.

Los sistemas fotovoltaicos aislados son redes eléc-tricas autónomas en las que se inyecta la energía suministrada por un generador fotovoltaico. Los sis-temas de suministro eléctrico en islas, para asenta-mientos aislados o incluso pueblos enteros son al-gunos ejemplos. Según estimaciones de la UE, en Europa existen ya unas 300.000 granjas y edificios que no están conectados a la red eléctrica pública. En estas zonas, el uso de sistemas fotovoltaicos ais-lados suele ser la solución más económica.

Para la planificación, el diseño y la selección de un sistema aislado se deben tener en cuenta varias res-tricciones. El diseño óptimo de un sistema de suminis-tro eléctrico depende principalmente de estos cinco factores:

1. La potencia de conexión necesaria2. El consumo de energía3. El tipo de consumidores4. El período de uso5. Las restricciones meteorológicas

Además de estos aspectos técnicos, se deben tener en cuenta también aspectos culturales, sociales, eco-nómicos y financieros.

Fig. 1.1: Tasa de electrificación (fuente: Banco Mundial)

Porcentaje de la poblacióncon acceso a la electricidad:

© Banco Mundial 2001

3 – 33%33 – 66%> 66%


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1.1 Componentes

El generador fotovoltaico, como fuente de energía renovable, es el componente esencial del sistema aislado. Otros generadores disponibles son los que cuentan con motores de combustión (por ejemplo, los generadores diésel o las plantas de cogenera-ción) y las turbinas hidráulicas y eólicas.

Por lo general, las instalaciones aisladas se diferen-cian por su tensión del sistema (CC o CA). En los sis-temas acoplados a CC, el generador fotovoltaico se conecta a través de reguladores de carga de CC/CC especiales (fig. 1.2). En los sistemas acoplados a CA se utiliza un inversor fotovoltaico convencional para inyectar corriente a la red (fig. 1.4).

El inversor aislado o de batería constituye el cora-zón del sistema acoplado a CA. Garantiza que la potencia generada y consumida esté equilibrada en todo momento. Si se genera demasiada energía, el inversor la almacena en las baterías. Si la demanda de energía supera la energía disponible, el inversor descarga las baterías.

Las principales diferencias entre los inversores aisla-dos y los fotovoltaicos se muestran en la tabla 1.1.

Para el funcionamiento óptimo del suministro aisla-do es esencial disponer de un sistema que gestione la batería, el generador y la carga. Esta función de control está integrada en el inversor de batería, lo que simplifica el funcionamiento del sistema y redu-ce los costes de inversión.

El inversor de batería Sunny Island proporciona todo lo necesario para una gestión fiable del sistema. Ad-mite un uso flexible y abre un mundo de nuevas po-sibilidades en lo referente al acoplamiento de CA para el diseño de sistemas de energía autónomos.

Inversores fotovoltaicos Inversores aisladosDirección del fl ujo de energía Unidireccional BidireccionalFuncionalidades Regulación del punto de máxima

potencia (MPP),Corriente de red sinusoidal

Gestión de batería, generador y carga, tensión de red sinusoidal

Capacidad de sobrecarga Aprox. 110% Aprox. 300% (resistente a cortocircuitos)Potencia activa/reactiva Inyección de potencia activa pura Cargas con cualquier factor de potenciaTensión característica de CC 125 V – 850 V (técnica de strings) 12 V, 24 V, 48 V

Tabla 1.1: Comparación entre inversores fotovoltaicos y aislados

Resumen de características del inversor de batería Sunny Island

• Óptimo para sistemas de suministro de ener-gía de 1 kW a > 100 kW

• Conmutación flexible en paralelo monofási-ca o trifásica

• Ampliable por módulos• Extraordinaria resistencia a la sobrecarga• Adecuado para el uso en condiciones climá-

ticas extremas• Gestión óptima de batería y registro de esta-

do de carga de la batería para garantizar una larga vida útil de la batería

• Integración económica de consumidores estándar de CA, fuentes de energía renova-bles y generadores

• Puesta en servicio sencilla


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1.2.1 Acoplamiento de CC

En el acoplamiento de CC, todos los consumidores y generadores se conectan exclusivamente en el nivel de tensión de la batería (fig. 1.2). El suministro de tensión continua de 12 voltios es adecuado para configuraciones de sistema simples. Especialmente cuando la electricidad se consumirá principalmen-te para la iluminación, como en el caso de un siste-ma de vivienda solar (Solar Home System: SHS) en el rango de potencia de unos cientos de vatios. Du-rante las horas diurnas, la batería almacena la ener-gía suministrada por el generador fotovoltaico y por la noche esta energía está disponible nuevamente para la iluminación. Con un pequeño inversor adicio-nal también es posible operar consumidores de co-rriente alterna convencionales en el sistema de CC.

En general, el uso de consumidores de CA resulta ventajoso. Estos equipos están disponibles en todo el mundo y se pueden adquirir a bajo coste.

1.2 Diseño del sistema

Un sistema fotovoltaico aislado, además de los con-sumidores como las lámparas, la radio, el televisor y el frigorífico, consta principalmente de estos cua-tro componentes: el generador eléctrico (por ejem-plo, un generador fotovoltaico), el acumulador de batería, el regulador de carga y el inversor. Estos componentes se pueden acoplar en diferentes nive-les del sistema: en el lado de CC, en el de CA o en sistemas mixtos.

Fig. 1.2: Sistema de vivienda solar (SHS) con la posibilidad de proporcionar corriente alterna

Bus de CCBus de CA


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1.2.2 Sistemas mixtos CC/CA

Los sistemas mixtos CC/CA son adecuados para co-nectar consumidores de CA con una potencia media a generadores de CC. Con estos sistemas, la batería del lado de CC se puede cargar de forma simultá-nea gracias a una unidad de combustión (fig. 1.3).

Los requisitos de un sistema mixto son diferentes de los de un sistema de vivienda solar (SHS): sirven para suministrar energía a consumidores remotos y son capaces de gestionar una demanda de energía superior. Por este motivo, los sistemas de CC/CA se suelen utilizar en granjas, pequeños comercios y fin-cas agrícolas.

El diseñador de un sistema de CC/CA debe tener en cuenta que la potencia del inversor tiene que co-rresponder a la potencia necesaria de los consumi-dores. Aunque haya más potencia del sistema foto-voltaico o eólico disponible, el inversor debe limitar la potencia disponible en el lado de CA.

Fig. 1.3: Sistema híbrido con componentes acoplados a CC

Bus de CCBus de CA


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1.2.3 Acoplamiento de CA

El acoplamiento de todos los consumidores y gene-radores en el lado de CA (fig. 1.4) presenta una ventaja decisiva: permite construir o ampliar los sis-temas con componentes estandarizados de forma flexible y modular.

Se pueden combinar fuentes de energía tanto reno-vables como convencionales, dependiendo de la aplicación y las fuentes de energía disponibles. Esto resulta especialmente ventajoso cuando la estructu-ra de la red es débil. Las fuentes de energía conecta-das cargan las baterías y suministran energía cuan-do resulta necesario. Si hay inversores y unidades de combustión destinados a tal fin, es posible una conexión a la red pública. El sistema se puede am-pliar fácilmente añadiendo más generadores, lo que permite gestionar una demanda creciente de ener-gía. Las fuentes de CA conectadas suponen un incre-mento real de la potencia del lado de CA.

Las instalaciones con acoplamiento de CA se pue-den utilizar para alimentar consumidores convencio-nales de CA. En consecuencia, son idóneas para su uso en áreas rurales de países en desarrollo y países recientemente industrializados.

En el rango de potencia medio (1–300 kW), la estructura de estos sistemas de suministro no re-quiere ninguna unidad de control y monitoriza-ción adicional. El inversor de batería como por ejemplo, el Sunny Island, comprueba de forma independiente la disponibilidad de la red y los componentes del sistema. Esto simplifica el funciona-miento del sistema y reduce los costes de inversión.

Desde una perspectiva económica, los sistemas ais-lados con acumulador de batería en el rango de potencia de kW son considerablemente más renta-bles que las instalaciones que utilizan únicamente generadores diésel. Incluso sistemas híbridos más grandes que utilizan un generador diésel para evi-tar el almacenamiento en batería a largo plazo se pueden operar a un coste inferior que los sistemas que trabajan exclusivamente con grupos diésel. Esto se puede atribuir a los elevados costes de manteni-miento, la corta vida útil y al muy bajo rendimiento de carga parcial de los generadores diésel.

Fig. 1.4: Sistema híbrido con componentes acoplados a CA

Bus de CCBus de CA


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La capacidad de ampliación y la clase de acopla-miento de los componentes individuales desempe-ñan un papel importante en los sistemas de suministro eléctrico fuera de las redes de interconexión. El aco-plamiento de CC con Sunny Island permite conec-tar generadores de energía de cualquier tipo y cual-quier consumidor de energía convencional a la red aislada. El sistema es fácil de ampliar tanto en el lado de consumidor como en el de generador (fig. 1.5).

Fig. 1.5: Sistema híbrido modular y flexible con acoplamiento de CA

Ventajas del acoplamiento de CA

• Estructura 100% compatible con la red pública

• Instalación sencilla, ya que pueden utilizarse componentes estándar de la instalación de la vivienda

• Suma de la potencia de todos los compo-nentes que inyectan a la red

• Escalable según las necesidades, incluso para grandes sistemas (desde 1 kW hasta el rango de los megavatios)

• Ampliable sin problemas• Combinable con generadores de energía

paralelos a la red e integrantes de la red (grupos diésel, pequeñas centrales hidro-eléctricas, instalaciones de energía eólica, etc.)

• Máxima fiabilidad gracias a la estructura redundante del sistema

Bus de CCBus de CA

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1.3 Funcionamiento

Los inversores aislados como el Sunny Island se co-nectan a un acumulador de batería y constituyen la red de CA del sistema aislado. Al mismo tiempo, re-gulan la tensión y la frecuencia en el lado de CA. Los generadores y consumidores se conectan direc-tamente a la red de CA. En caso de producirse un exceso de energía (por ejemplo, cuando la irradia-ción solar es alta y el consumo es bajo), el inversor aislado extrae energía de la red de CA para car-gar las baterías. Cuando hay un déficit de energía (poca o ninguna irradiación solar y un consumo ele-

vado), el Sunny Island suministra energía a la red a través de las baterías (fig. 1.6).

En la red aislada se pueden conectar varios genera-dores de energía: instalaciones fotovoltaicas con in-versores Sunny Boy, instalaciones de energía eólica con inversores Windy Boy, centrales hidroeléctricas y generadores diésel. Estos últimos pueden interve-nir cuando disminuye el estado de carga de las ba-terías y no hay suficiente irradiación solar.

Fig. 1.6: Rendimiento energético fotovoltaico y demanda de los consumidores

Rendimiento energético fotovoltaico < demanda de los consumidores (energía adicional de la batería)

Rendimiento energético fotovoltaico = 0 suministro desde la batería

Rendimiento energético fotovoltaico > demanda de los consumidores (carga de batería durante el día)

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1.4 Crecimiento y conexión en red de siste-mas aislados

Las redes aisladas con Sunny Island se pueden am-pliar gradualmente hasta crear grandes instalacio-nes gracias a la posibilidad de conexión en paralelo de todos los sistemas de inyección y consumidores. Por tanto, se pueden usar sobre todo para suminis-trar energía en regiones alejadas de la red, como, por ejemplo, pueblos aislados.

En la figura 1.7 se muestra la estructura y las posibi-lidades de ampliación de una red de suministro eléc-trico de un pueblo con acoplamiento de CA. Este sistema energético autónomo se puede ampliar sin problemas con nuevos generadores a medida que aumenta la demanda de energía de los consumido-res. Otra ventaja de los sistemas aislados es que la energía que no se necesita durante el día está dispo-nible durante la noche para el alumbrado público, por ejemplo, gracias al acumulador de batería.

Fig. 1.7: Posibilidades de ampliación de un sistema híbrido acoplado a CA para el suministro eléctrico de un pueblo

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Leyenda fig. 1.71. Generador fotovoltaico2. Inversor fotovoltaico

Sunny Boy3. Inversor de batería

Sunny Island

4. Acumulador de batería5. Generador6. Instalación eólica

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Fig. 1.8: Sistema híbrido acoplado a CA con cuatro clústeres, conectado a una Multicluster Box

Para garantizar el máximo nivel de seguridad en grandes sistemas, los inversores Sunny Island se ins-talan en los denominados clústeres. En este caso, hasta tres equipos (como circuito trifásico) o incluso cuatro equipos (monofásico, operado en paralelo), constituyen una unidad junto con la batería. Para obtener la potencia deseada se pueden conectar en paralelo varias unidades (formando un clúster). La ventaja que esto representa es que si falla una ba-tería no queda afectado todo el sistema (fig. 1.8).

1.5 Sunny Backup: el suministro eléctrico de emergencia de SMA

Mientras que en los sistemas aislados la conexión a la red es redundante, el sistema Sunny Backup per-mite a las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red conseguir una independencia temporal de la red pública de suministro eléctrico. En caso de pro-ducirse una caída de tensión, el sistema de respaldo continúa proporcionando electricidad a la red de la vivienda.

El sistema se compone principalmente del inversor Sunny Backup, una instalación fotovoltaica y un acu-mulador de batería. En funcionamiento normal, uno o varios inversores solares inyectan la electricidad de la instalación fotovoltaica a la red pública. El sis-tema Sunny Backup sólo se activará en caso de fallo de la red o caída de tensión. El mecanismo de con-mutación desconecta entonces la instalación fotovol-taica y los consumidores de la red, según la normati-va aplicable, y mantiene el suministro de la vivienda desde la batería. Como gestor del sistema, el Sunny Backup coordina todas las operaciones de conmu-tación. En consecuencia, compensa de manera fia-ble cualquier fallo de la red.

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Fig. 1.9: La solución de respaldo de SMA

En este caso, la instalación fotovoltaica actúa como fuente de energía para el suministro directo de los consumidores y para la carga de la batería. De este modo, se puede suministrar energía a los consumi-dores durante largos períodos de funcionamiento incluso en casos de caída del fluido eléctrico. La conexión de fuentes de energías renovables disponi-bles localmente permitirá prolongar la autonomía in-cluso cuando las capacidades de las baterías sean limitadas. El uso consistente del acoplamiento de CA es el requisito para una correcta interacción entre el sistema Sunny Backup y los inversores solares.

Como síntesis ideal entre el funcionamiento de red pública y el de red aislada, el sistema Sunny Backup está atrayendo el interés de cada vez más operado-res: ofrece excelentes alternativas en países en de-sarrollo y países recientemente industrializados con redes eléctricas inestables y puede representar tam-bién en nuestros países un suplemento útil para las

Resumen de características del inversor Sunny Backup

• Óptimo para sistemas de suministro de ener-gía de 1 a 100 kW

• Puede integrarse en instalaciones fotovoltaicas nuevas y ya existentes

• Kit preconfigurado• Dispositivo de conmutación compacto y eco-

nómico• Batería de dimensiones reducidas gracias a

la integración de la instalación fotovoltaica• Suministro de energía y carga de la batería a

través de la red• Alto rendimiento fotovoltaico constante• Conmutación automática al suministro de

reserva en aprox. 20 milisegundos

redes públicas. Según la opinión de los expertos, se prevé que en Europa aumenten los apagones pro-longados y las caídas temporales del fluido eléctrico.

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Fig. 2.1: Algoritmo de regulación en el inversor aislado de SMA (SelfSync®)

2. El inversor aislado

El inversor aislado Sunny Island es el primer in-versor de batería modular que permite la co-nexión de varios tipos de sistemas de inyección (instalaciones fotovoltaicas, eólicas; grupos de generación de corriente, plantas de cogenera-ción, pequeñas centrales hidroeléctricas) al lado de la corriente alterna (acoplamiento de CA).

El inversor aislado está equipado con varios siste-mas de gestión que garantizan el funcionamiento es-table del sistema de suministro de energía. La ges-tión de batería, del generador, de la energía y de la carga se complementan entre sí para proporcionar una gestión completa del sistema. El Sunny Island mide o calcula todas las variables necesarias para garantizar que no se deje al azar ninguna opera-ción de conmutación o modificación de los valores nominales.

Para permitir el funcionamiento en paralelo de las fuentes de energía acopladas a CA sin necesidad de comunicación, se utiliza el denominado "modo droop" (SelfSync®).

Este método utiliza estadísticas de la potencia acti-va y reactiva como base para la coordinación del rendimiento de los diferentes convertidores de co-rriente conectados (fig. 2.1). Para alcanzar un flujo de potencia óptimo se influye de forma especial en los parámetros de tensión y frecuencia de la red.

Cada convertidor trabaja con una regulación en cascada como fuente de tensión. De este modo, el consumo y la alimentación de potencia activa de cada convertidor individual conectado en paralelo se regula de forma independiente de la frecuencia de la red aislada. Si la frecuencia aumenta debido a una reducción brusca de la carga, todos los con-vertidores reducen la potencia inyectada para que el sistema se mantenga equilibrado.

Estos algoritmos de regulación permiten una re-acción rápida a las fluctuaciones de potencia ca-racterísticas de la red aislada. Están disponibles para todas las configuraciones de red relevan-tes (400 V o 230 V / 50 Hz y 120 V / 60 Hz).

0

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2.1 Funciones de seguridad

El inversor aislado ha sido optimizado para con-diciones de sobrecarga térmica y eléctrica: ajusta la potencia máxima como respuesta directa a las condiciones ambientales. Con el sistema de refrige-

ración patentado OptiCool (fig. 2.2), SMA ofrece ahora una solución técnica que combina tanto la re-frigeración activa como la pasiva. La gestión inteli-gente de la temperatura está formada por un siste-ma con dos cámaras que tienen un compartimiento estanco para los componentes electrónicos y uno de flujo de aire que contiene las fuentes de calor rele-vantes. Esto garantiza una protección excelente y, al mismo tiempo, un comportamiento de sobrecarga único y una fiabilidad óptima.

En caso de producirse fuertes corrientes de irrupción se implementan funciones de arranque suave: en el Sunny Island 5048, por ejemplo, la sobretensión se limita a 120 A en los primeros 0,1 segundos. Duran-te un máximo de tres segundos, el inversor suminis-tra 2,5 veces la sobretensión. Tras este período (por ejemplo, si se produce un cortocircuito duradero), el equipo se desconecta por motivos de seguridad. En un lapso de 100 milisegundos se disparan los disyuntores de 16 A de tipo B, lo que permite cubrir todos los requisitos de seguridad de la instalación en paralelo a la red.

Fig. 2.2: El sistema de refrigeración OptiCool per-mite el uso en condiciones ambientales extremas

Fig. 2.3: Curvas de tensión y corriente del Sunny Island 5048 antes, durante y después de un cortocircuito

Tens

ión [V

]

Tiempo [ms]

Inten

sidad

de c

orrie

nte [A

]

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2.2 Gestión operativa y de usuarios

El concepto de funcionamiento del inversor aisla-do (por ejemplo, Sunny Island 5048, Sunny Island 2224) se basa en el "Single Point of Operation" (SPO). Todos los ajustes, secuencias de conmuta-ción y variables importantes del sistema se pueden agrupar, visualizar o modificar en una misma pan-talla.

El SPO ofrece una visión general compacta del sis-tema y permite ajustar unidades paralelas y regula-dores de carga conectados desde un mismo equipo. La información sobre las fuentes o cargas externas está accesible porque todas las operaciones de con-mutación automáticas se activan también desde el inversor aislado. Mediante un sistema de comunica-ción interno, toda la información relevante se puede intercambiar entre los componentes del sistema que admiten esta función.

Para facilitar al máximo la instalación y el manejo del sistema Sunny Island al instalador y los usuarios, SMA ha desarrollado la guía de configuración rápi-da. El instalador programa todo el sistema mediante la introducción de las respuestas a unas cuantas pre-guntas a través del menú. A partir de seis sencillos ajustes, el inversor puede generar todos los valores predeterminados que faltan, lo que garantiza un fun-cionamiento seguro del sistema.

2.3 Registro y almacenamiento de datos

Una parte importante del menú de funcionamiento interno se centra en el historial de todos los modos operativos que se han producido. Los valores máxi-mos así como otros datos y eventos importantes se guardan en una memoria interna permanente. Un sistema de registro de datos integrado realiza todas las mediciones, cálculos y evaluaciones. De este modo es posible compilar una imagen completa de todas las actividades, desde los procesos de carga hasta las eliminaciones de carga automáticas.

Todos los datos importantes se guardan en una tar-jeta de memoria flash. Los datos se guardan según el procedimiento FIFO ("First In – First Out": prime-ro en entrar, primero en salir). De este modo, los datos más recientes están disponibles no sólo para el usuario, sino también para el equipo de soporte de SMA.

Es muy fácil ampliar el alcance del registro de datos del Sunny Island con productos de comunicación de SMA. Por ejemplo, con el registrador de datos Sunny WebBox es posible realizar una monitoriza-ción remota completa de forma sencilla.

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3. Generadores eléctricos en la red aislada

Las redes aisladas se utilizan principalmente para suministrar energía a cargas alejadas de la red. Esta energía se debe facilitar en una forma ade-cuada para el uso por parte de los consumidores. Para las redes aisladas acopladas a CA, esto signi-fica que todas las fuentes funcionan sobre la base de unos niveles de tensión y frecuencia definidos (por ejemplo, 230 V / 50 Hz). Los generadores de energía disponibles en el mercado suelen estar preconfigurados para los ajustes específicos de cada país. En algunos países, como Brasil o Japón, sin embargo, se aconseja revisar estos datos con mucha precaución. Por ejemplo, en Japón, 127 V y 230 V son igual de comunes, y también con fre-cuencias diferentes (50 Hz o 60 Hz).

Los sistemas de inyección cubren principalmente la demanda energética directa de los consumidores. La energía que no se consume directamente sirve para cargar las baterías y puede recuperarse pos-teriormente cuando es necesaria. Por tanto, el flujo de energía depende fundamentalmente del com-portamiento del consumidor. En general, las fuentes de energía se pueden dividir en renovables y en basadas en combustibles fósiles.

3.1 Inversores para fotovoltaica

El funcionamiento de un inversor fotovoltaico con-siste básicamente en la conversión de la corriente continua proporcionada por los módulos solares en corriente alterna sinusoidal. En este proceso, el equi-po tiene la tarea de sincronizar la forma de onda de la corriente y la tensión disponibles con la frecuen-cia de la red aislada. Los inversores fotovoltaicos más habituales, como los inversores Sunny Boy de SMA, determinan el punto de funcionamiento con el máximo rendimiento de potencia (punto de máxima potencia o MPP) y hacen su seguimiento durante el funcionamiento para garantizar el máximo rendi-miento energético posible.

En sistemas aislados, los rangos de potencia de hasta 300 kW tienen una importancia primordial. Los modelos Sunny Boy y Sunny Mini Central de SMA son idóneos para el uso en sistemas de estas magnitudes. Destacan por un rendimiento excepcio-nal, facilidad de uso y fiabilidad.

Fig. 3.1: Inversor de string Sunny Boy en un sistema aislado

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Sunny Boy y Sunny Mini Central son los únicos inversores solares que tienen la capacidad de "inter-pretar" el nivel de frecuencia en la red aislada. Al igual que las grandes centrales eléctricas de la red pública, son capaces de ajustarse a la demanda de energía que se determina tomando como punto de partida la frecuencia medida. En otras palabras: son capaces de regular el flujo de energía de la red aislada. Se pueden usar sin problema tanto en redes monofásicas como en trifásicas. Se puede rea-lizar un diseño preciso de forma muy sencilla con el programa "Sunny Design". Esto permite obtener información detallada no sólo sobre el diseño y la orientación del inversor y los módulos, sino también sobre las secciones de cable y el punto de funciona-miento óptimo de la instalación fotovoltaica. Sunny Design se puede descargar de forma gratuita en www.SMA-iberica.com

3.2 Inversores para turbinas eólicas

También en este caso, la tarea principal es la con-versión de la corriente continua suministrada por la instalación eólica en corriente alterna. Ni las redes monofásicas ni las trifásicas representan ningún problema, ya que el inversor Windy Boy fabricado por SMA se puede instalar en cualquier red aislada de SMA. Igual que el inversor Sunny Boy, el Windy Boy puede ajustarse a la demanda de energía actual de la red aislada para evitar un suministro excesivo de energía. Para incrementar la capaci-dad de las grandes turbinas eólicas, estos equipos pueden conmutarse también para el funcionamiento monofásico en paralelo.

La Windy Boy Protection Box conectada en serie al Windy Boy proporciona una protección óptima y garantiza el funcionamiento uniforme de la ins-talación. La Protection Box está equipada con un rectificador trifásico y limita la tensión y la potencia excesivas del aerogenerador, redirigiéndolas a una resistencia de carga.

Fig. 3.2: Inversor Windy Boy con la Windy Boy Protection Box para pequeñas instalaciones eólicas en un sistema aislado

Curva característica de

la turbina

Control de la poten-cia de salida medi-ante la frecuencia

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3.3 Inversores para turbinas hidráulicas

Las turbinas hidráulicas también se pueden inte-grar fácilmente en los sistemas aislados de SMA. Básicamente se puede distinguir entre las turbinas hidráulicas que funcionan con generadores asincró-nicos y las que funcionan con generadores sincró-nicos. Los generadores asincrónicos de hasta 5 kW se pueden integrar en sistemas trifásicos simples. Basta con conectarlos directamente. Las turbinas con generadores sincrónicos de imán permanente se pueden integrar mediante los inversores Windy Boy mencionados más arriba.

Con las características de turbina eólica para ins-talaciones eólicas que tienen almacenadas en su software, los inversores Windy Boy también son idóneos para el uso en sistemas de energía hidráu-lica. Los generadores sincrónicos que cuentan con su propia regulación de tensión y frecuencia se pueden integrar en instalaciones más grandes por medio de un equipo de sincronización adecuado.

Fig. 3.3: Inversor Windy Boy con la Windy Boy Protection Box para pequeñas instalaciones hidroeléctricas en un sistema aislado

Curva característica de

la turbina

Control de la poten-cia de salida medi-ante la frecuencia

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3.4 Plantas de cogeneración

Las plantas de cogeneración que funcionan con diésel o combustibles no fósiles son motores de com-bustión interna que no sólo generan electricidad, ya que también permiten aprovechar el calor resultante del motor y el sistema de escape para fines como, por ejemplo, la obtención de agua caliente. Por su clase de potencia, las denominadas 'miniplantas' de cogeneración son adecuadas principalmente para el uso en redes aisladas de SMA. Las plantas de cogeneración que forman redes se integran en redes aisladas como generadores diésel conven-cionales y se inician y detienen mediante el Sunny Island. Gracias a sus generadores síncronos, pue-den actuar también como unidades de suministro eléctrico de emergencia. En caso de caída de la red aislada, la planta de cogeneración puede formar una red y continuar suministrando electricidad a las cargas. Las plantas de cogeneración pequeñas funcionan principalmente en paralelo a la red, de modo que se conectan a redes ya existentes y les

inyectan electricidad con regulación de corriente. Están equipadas con generadores asincrónicos y, por tanto, no pueden formar una red por sí solas.

SMA Solar Technology AG ha desarrollado, junto con la empresa Power Plus, el sistema EcoIsland, formado por un Sunny Island y una planta de coge-neración ecopower. Estos equipos, perfectamente coordinados, constituyen una red aislada fiable para las áreas donde es importante poder recupe-rar el calor generado.

Para obtener más información consulte: http://www.ecopower.de/ecopower-mini-bhkw/anlagen-und-systeme/ecoisland.html(http://www.ecopower.es/Equipos.html)

Fig. 3.4: Sistema EcoIsland con instalación fotovoltaica y acumulador de calor

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3.5 Inversores para pilas de combustible

Con el Hydro Boy, SMA ofrece una forma óptima de integrar pilas de combustible en un sistema Sunny Is-land. El hecho de que las pilas de combustible fun-cionen con una corriente muy alta y una tensión rela-tivamente baja hace que un equipo como el Hydro Boy sea totalmente indispensable. Igual que el Sunny Boy, tiene la capacidad de adaptarse a las condicio-nes energéticas existentes en la red aislada.

Los inversores Hydro Boy están disponibles en los ta-maños estándar de 1,1 y 1,3 kW. También pueden fabricarse según las especificaciones del cliente.

Actualmente, las pilas de combustible se producen en rangos de tensión y corriente muy diferentes. Por tanto, es preciso prestar especial atención a su com-patibilidad con el Hydro Boy. Las pilas de combus-tible también se pueden integrar en sistemas Sunny Island en el lado de CC, es decir, en el lado de la batería. En este caso sirven para cargar la batería directamente y si es necesario pueden suministrar energía del lado de CC al de CA a través del Sunny Island.

Fig. 3.5: Inversor Hydro Boy para pilas de combustible en un sistema aislado

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3.6 Unidades de combustión

Las unidades de combustión son una combina-ción de motores de combustión y generadores de corriente. Primero convierten la energía almacena-da en el combustible en energía mecánica que, a su vez, se utiliza para generar electricidad (generador de corriente).

Existen varias opciones de diseño para la integra-ción tanto del motor de combustión como del gene-rador de corriente en una unidad de combustión. Estas unidades se integran a menudo en sistemas híbridos en forma de generadores de respaldo para optimizar los valores renovables del generador y del acumulador, así como para mejorar la dispo-nibilidad estacional de la energía del sistema de suministro. La disponibilidad de combustible y el ren-dimiento del motor son dos factores importantes que se deben tener en cuenta durante la planificación de un sistema híbrido. Si se realiza un diseño por debajo de lo óptimo de la unidad de combustión, se pueden ocasionar elevados costes operativos y de mantenimiento, por ejemplo a causa del mayor consumo de combustible. Generalmente, las unida-des de combustión tienen integrada una función de arranque remoto. Pueden encenderse y apagarse de forma selectiva según unas variables predefi-

nidas. Actualmente, en el mercado también hay unidades con función de arranque/parada manual que los operadores ya están utilizando. Para estas unidades, SMA ofrece el gestor del generador GenMan, que incorpora la función de arranque remoto.

Actualmente, los generadores diésel desempeñan un papel importante en los sistemas híbridos de energías renovables. Esto puede parecer una para-doja, pero tiene fácil explicación. Supongamos que queremos suministrar energía solar a un sistema al cien por cien. Sería necesario instalar un número suficiente de módulos solares para cubrir la deman-da de energía durante la estación con menos irradiación solar, por ejemplo, en invierno para Europa Central. Este tipo de sistema no puede ser una propuesta económicamente viable, debido al enorme generador fotovoltaico que se necesitaría. Con la integración de un generador diésel, utiliza-mos una fuente de energía que está disponible en todo momento y de forma rápida. Como resultado, se reduce de forma drástica el tamaño necesario de la instalación fotovoltaica.

Fig. 3.6: Generador que funciona con aceite vegetal

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4. Gestión operativa en sistemas aislados

Hasta la fecha, la gestión operativa sólo ha desem-peñado un papel secundario en la mayoría de instalaciones híbridas. El funcionamiento se con-trola mediante valores límite definidos que están preestablecidos en los reguladores de carga o los inversores de batería. La unidad de combustión se conecta o desconecta dependiendo del estado de la batería. En el caso más simple se usan exclusiva-mente valores límite de tensión. No obstante, existen varias restricciones inherentes en esta tecnología. Cuando la carga de la batería es muy alta, la resis-tencia interna de las celdas ocasionará un arranque prematuro del generador. En el caso de pequeñas corrientes de descarga, la batería a menudo se descargará excesivamente. Por tanto, la batería no se utiliza a su plena capacidad ni está protegida contra una descarga excesiva. Por este motivo, las nuevas generaciones de equipos ya utilizan umbra-les de tensión con compensación de corriente.

Un dato fiable para la gestión operativa es el esta-do de carga de la batería, pero este dato no se puede registrar mediante procedimientos metroló-gicos directos. Para determinar el estado de carga

concreto de una batería son necesarios algoritmos de cálculo, los cuales pueden variar sobremanera en su grado de precisión. Hasta hoy, son pocos los fabricantes de inversores de batería que han inte-grado algoritmos para la determinación del estado de carga en sus equipos.

Además de la determinación del estado de carga, otra función clave para conseguir una larga vida útil de las baterías en sistemas híbridos es la regulación de carga. La regulación de carga requiere cargas completas y de compensación periódicas con unos períodos de carga considerablemente más largos. Hasta el momento, son pocos los fabricantes que han integrado las cargas completas y de compen-sación en sus equipos.

Si el consumo de combustible de la unidad de combustión se debe mantener bajo, la unidad se tiene que cargar de forma eficiente y consistente hasta el límite de su capacidad. En consecuencia, el generador no se debe dimensionar con un tamaño mayor que el inversor de batería. Puesto que el consumo de energía está sujeto a grandes

Fig. 4.1: Estructura de un sistema híbrido renovable convencional

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fluctuaciones, el inversor de batería debe controlar la energía suministrada por el generador y ajustar constantemente su potencia de carga. La gestión de la potencia reactiva será necesaria para poder rea-lizar la carga de forma fiable también con peque-ños generadores. Al mismo tiempo, deben evitarse las corrientes reactivas innecesarias que afectan al rendimiento del sistema.

4.1 Tareas y objetivos

Los sistemas fotovoltaicos híbridos (fig. 4.1) constan de dos o más unidades de generación de corriente y unidades de suministro, como las instalaciones fotovoltaicas y de energía eólica; las centrales hidroeléctricas o las unidades de combustión. A menudo se conectan en paralelo varios de estos generadores de corriente.

A excepción de las unidades de combustión, los generadores sólo se pueden regular en determina-das condiciones y a veces no se pueden regular en absoluto. Por este motivo, los sistemas híbridos siempre llevan integrada una batería que actúa como reserva de energía y potencia. El acumulador de batería realiza algunas tareas clave: en caso de un exceso de energía generada, la batería absorbe la energía que no se puede consumir en ese momen-to y si la energía generada no es suficiente para cubrir la demanda, la batería libera su energía. No

obstante, la energía y la potencia que se pueden almacenar tienen unos límites. La batería está some-tida a procesos de envejecimiento que dependen en gran medida de la técnica de carga utilizada. Por tanto, la gestión de la batería es un factor crucial en toda gestión operativa. Sin una regulación de carga inteligente y una protección efectiva contra la des-carga total, las baterías de plomo convencionales proporcionan una vida útil muy corta.

La vida útil y el rendimiento de las unidades de com-bustión presentan también una fuerte dependencia de las condiciones de funcionamiento existentes actualmente y que se producen con frecuencia. Así, los grupos diésel convencionales para la generación de electricidad normalmente alcanzan su rendimien-to máximo al cien por cien de la potencia nominal (fig. 4.2). Aproximadamente al 50 por ciento de su potencia nominal, el rendimiento es ya un 20 por ciento más bajo. Y con cargas de generador inferio-res al 50 por ciento, la eficiencia cae en picado.

La gestión operativa de los sistemas híbridos tiene tres tareas esenciales: • Mantener siempre el sistema en funcionamiento

de forma segura para que las cargas se pue-dan cubrir de forma fiable con energía eléctrica

• Minimizar los costes de combustible y manteni-miento

• Optimizar la vida útil de la batería y el generador

Fig. 4.2: Curva de rendimiento de un pequeño generador diésel convencional

Eficie

ncia

Potencia del generador [P/Pnom]

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4.2 Gestión operativa óptima: La regulación de carga de Sunny Island

Los inversores de batería de SMA Solar Technology AG funcionan con un algorit-mo de compensación muy preciso que se puede ajustar a diferentes tipos de bate-ría y a la antigüedad de las baterías. El re-gistro del estado de carga se ha ampliado con la conexión de una derivación exter-na de medición de corriente. Esto permite monitorizar y controlar los consumidores o sistemas de inyección de CC en el lado de la batería.

El inversor de batería Sunny Island tiene una regulación de carga de tres niveles con carga completa y de compensación automáticas (como se muestra en la fig. 4.3). Esto garantiza que se puedan impe-dir de forma fiable tanto las cargas excesi-vas como las insuficientes.

En la fig. 4.4 se muestra la regulación de carga y el registro del estado de carga en un sistema fotovol-taico híbrido de Grecia. Tras una carga completa de

Fig. 4.3: Distintas fases de la regulación de carga del inver-sor de batería Sunny Island 5048

unas cinco horas, al día siguiente sólo es necesario realizar una carga de mantenimiento.

Fig. 4.4: Regulación de carga y estado de carga en un sistema fotovoltaico híbrido de Grecia durante un período de dos días

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4.2.1 Gestión del generador

Según el estado de carga (o la potencia actual com-binada con funciones de temporizador), el inversor de batería genera una señal de arranque o parada para una unidad de combustión. Además, observa períodos de calentamiento y funcionamiento mínimo, así como de enfriamiento, para el generador. Esto permite que el generador funcione con pocas exigen-cias de mantenimiento y prolonga significativamente su vida útil.

Una regulación rápida y precisa de la corriente del generador permite asegurar que el generador se mantenga siempre en su punto de funcionamiento óptimo. Incluso en caso de súbitos cambios de carga, el inversor de batería Sunny Island absorbe gran parte de las fluctuaciones de carga y ayuda al generador mediante el suministro de energía de la batería. Esto permite utilizar de forma segura incluso generadores que son pequeños en relación con la carga nominal.

Este proceso no sólo funciona con los generadores diésel o de gasolina, sino también con pequeñas centrales hidroeléctricas (fig. 4.5). En este caso, las fluctuaciones de tensión se pueden atribuir a las diferentes situaciones de potencia reactiva dentro del sistema.

4.2.2 Gestión del sistema

Los sistemas híbridos que suministran electricidad a cargas muy dinámicas (máquinas, electrodomésti-cos, utensilios de cocina), además de luces, radios, televisores y frigoríficos, no se deben controlar meramente sobre la base de valores energéticos como el estado de carga. Cuando la demanda de potencia es alta, no necesariamente debe cubrirla la batería, sino que puede suministrarla directamen-te el generador conectado. Esto aumenta de forma significativa el rendimiento del sistema y prolonga la vida útil de la batería porque fluye menor cantidad de energía a través de ella. Lo mejor es iniciar el generador cuando aumenta la demanda de consu-mo. La gestión de carga que permite la desconexión temporal de cargas no críticas también mejora el rendimiento del sistema. Estas y otras funciones se pueden activar en el Sunny Island. El inversor de batería cuenta con una alta capacidad de sobre-carga que le proporciona el tiempo necesario para ajustarse a estas situaciones y le permite, por ejem-plo, gestionar de forma más segura las corrientes de arranque de las máquinas.

Fig. 4.5: Regulación de corriente del generador en combinación con una turbina hidráulica

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5. Comunicación en la red aislada

En los sistemas aislados se pueden utilizar disposi-tivos de comunicación con tres finalidades concre-tas:

1. Comunicación relacionada con funciones2. Comunicación de soporte3. Diagnóstico general

1. Las tareas del sistema pueden requerir una comu-nicación relacionada con las funciones, por ejem-plo, si se conectan varios inversores de batería en paralelo o se operan en una red trifásica aislada, deberán comunicarse entre sí para intercambiar datos o respetar determinados parámetros eléc-tricos, como los desfases. No son necesarias más herramientas de comunicación.

2. La comunicación de soporte sirve para evaluar los datos con el fin de verificar y controlar el correcto funcionamiento de la instalación. Para ello suele ser suficiente la comunicación con el Sunny Island, ya que éste puede registrar al mismo tiempo los datos de las baterías, fuentes

externas y cargas. Estos datos se pueden regis-trar y almacenar con la Sunny WebBox. Esto funciona mediante la conexión del registrador de datos con un bus RS485. En caso necesario, la Sunny WebBox envía los datos al Sunny Portal, lo que le permitirá acceder a los mismo mediante internet y desde cualquier lugar del mundo.

3. El diagnóstico general implica la comunicación con prácticamente todos los componentes del sistema. Se puede detectar cada equipo y regis-trar sus datos. Mediante un bus de comunicación (como RS485) es posible enlazar los equipos Sunny Island, Sunny Boy, Hydro Boy, Windy Boy y Smart Load con la Sunny WebBox. De este modo se puede realizar un análisis detallado de los datos.

Todas las tareas de comunicación mencionadas anteriormente pueden realizarse también de forma local con un ordenador o portátil. Los programas de software se pueden descargar de forma gratuita.

Fig. 5.1: Opciones de comunicación en la red aislada

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5.1 Sunny WebBox: La central de comunicaciones

La Sunny WebBox es el vínculo entre la instalación aislada y el operador de la instalación. Mediante su conexión directa con Sunny Portal por internet, este registrador de datos ofrece nuevas posibilida-des para el registro, la evaluación y visualización individual de los datos en cualquier ordenador con un navegador de internet estándar. Desde RS232 hasta RS485, la Sunny WebBox admite todos los canales de comunicación existentes con los inver-sores de SMA. Los datos se pueden transmitir al usuario por medio del Sunny Portal y la instalación se puede configurar a través de la controladora ethernet integrada o de un teléfono móvil. Los datos de la instalación se guardan en la Sunny WebBox en una tarjeta de memoria extraíble. Estos datos se pueden transferir automáticamente al Sunny Portal por internet a intervalos de tiempo configurables.

Resumen de características de la Sunny WebBox:

• Control continuo de la instalación• Detección precoz de averías• Registro de los rendimientos energéticos• Diagnóstico y configuración de la instalación

con cualquier tipo de ordenador (Windows, Linux, Mac OS)

• Preparación de datos y representación grá-fica gratuitas en internet mediante el Sunny Portal

• Monitorización de hasta 50 inversores de varios tipos en cada instalación

• Almacenamiento de datos en tarjeta MMC/SD extraíble sin prácticamente restricciones de tiempo

• Bajo consumo de energía

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5.2 Sunny Portal: almacenamiento y visuali-zación de datos en internet

Con el Sunny Portal de SMA (gratuito) los datos operativos actuales de un sistema aislado se pueden recuperar desde cualquier lugar del mundo. De este modo, el operador está informado en todo momento sobre el estado del suministro de energía. Al mismo tiempo, es posible realizar diagnósticos remotos fiables mediante una conexión segura a internet. Además de ofrecer la visualización de datos rela-tivos al rendimiento y la potencia, el servicio web permite también el envío automático de informes de estado por correo electrónico.

El Sunny Portal, totalmente preconfigurado, es ade-cuado no sólo para pequeñas redes aisladas, sino también para grandes sistemas de suministro de energía eléctrica. Los datos se almacenan de forma permanente. Algunas páginas del portal se pueden configurar de forma individual. Los valores de los diferentes inversores o de la instalación completa se pueden mostrar de manera resumida. Para ello están

disponibles atractivas representaciones gráficas, como diagramas de barras, líneas o de dispersión.

La transferencia de datos y la configuración de la ins-talación se realizan mediante una conexión ethernet o un teléfono con módem GSM. Durante este proce-so, los datos se transfieren automáticamente en los intervalos de transferencia que se han definido.

Resumen de características del Sunny Portal:

• Fácil monitorización remota desde cualquier lugar del mundo

• Representación de los datos de la instala-ción en forma de diagramas y tablas

• Archivo gratuito de los datos del sistema• Envío de información del sistema por correo

electrónico• Creación de varias páginas web para visua-

lizar los datos de la instalación• Diseño personalizado de las páginas en for-

mato HTML

Fig. 5.2 Almacenamiento y visualización de datos en internet en el Sunny Portal

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6. Diseño de sistemas aislados

El diseño profesional del sistema, incluido el dimen-sionamiento del generador fotovoltaico y la batería, es esencial para la rentabilidad y fiabilidad ope-rativa de un sistema aislado. No sólo debe tener en cuenta el perfil de consumo de energía, sino en especial las fluctuaciones en la disponibilidad cuando se utilizan fuentes de energía renovables. Por ejemplo, los siguientes programas de software de simulación pueden ayudar al diseñador de la instalación: HYBRID2, PV SOL y Homer.

El diseño de un sistema es comparable con el traba-jo de un arquitecto, que debe dibujar un plano de la casa antes de hacerla construir. El diseño implica básicamente adaptar una instalación a unas con-diciones energéticas y geográficas específicas, así como al comportamiento de consumo energético

del usuario de la instalación. Estas condiciones se ven afectadas principalmente por:

• El porcentaje de cobertura solar• El período de autonomía• El comportamiento energético• El fabricante de componentes• La ubicación geográfica

Para una estimación inicial del tamaño de la instala-ción, los componentes y costes necesarios, se puede realizar un diseño preliminar que consta de cinco pasos. Este enfoque gradual a la realidad de un sistema híbrido sirve para evitar que el planificador se lleve desagradables sorpresas.

6.1 Indicaciones sobre el ejemplo de diseño

Al tratarse de un diseño preliminar, deben tener-se en cuenta los siguientes puntos:

1. Los cinco puntos mencionados arriba compren-den sólo una estimación inicial.

2. Un diseño completo debería incluir muchos más detalles, por ejemplo: • Fluctuaciones estacionales • Dimensionamiento según el peor mes • Condiciones de irradiación predominantes • Otras especificaciones individuales

3. Si desea obtener ayuda de SMA para el dise-ño de la instalación, rellene el cuestionario con los detalles de su sistema Sunny Island. Esto servirá:• Para aclarar los detalles técnicos • Como ayuda posterior para el equipo de

servicio técnico

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6.2 Consumidores y horas de uso

La potencia y el consumo de energía de las cargas tienen una gran importancia en los sistemas aisla-dos. En la tabla 6.1 se muestra un resumen de las cargas estándar, sus potencias y el tiempo de fun-cionamiento característico de cada día.

Consumidor Potencia nominal [W] Tiempo func. caract. [h] Energía [kWh]Lámpara de bajo consumo 15 4 0,06Bomba de circulación de calefacción 70 2 0,14

Bomba de agua 200 3 0,6Frigorífi co 90 5 0,45Congelador 200 l 100 5 0,5Cocina (fogones + horno) 2.300 0,75 1,7Microondas 1.200 0,25 0,3Hervidor 1.800 0,25 0,45Tostadora 1.200 0,25 0,3Batidora 200 0,25 0,05Lavavajillas 1.300 1 1,3Aspiradora 1.800 0,25 0,43Plancha 1.000 0,25 0,24Máquina de coser 80 0,25 0,02Lavadora 2.000 1 2Secadora 1.000 4 4Radio 5 3 0,015Reproductor de DVD 15 2 0,03Amplifi cador 100 2 0,2Televisor (70 cm diagonal) 100 4 0,4Receptor de satélite 18 3 0,054Equipo de vídeo 20 1 0,02Ordenador 250 2 0,5Equipo de fax térmico 10 0,25 0,0025Impresora láser 100 2 0,2Aire acondicionado (habitación) 3.000 2 6Secador de pelo 1.000 0,25 0,25Afeitadora 15 0,25 0,0038

Tabla 6.1: Resumen de cargas estándar

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6.3 Procedimiento de diseño

Cuantos más datos tengamos sobre el sistema aisla-do, más garantías tendremos de que el diseño de la instalación será óptimo. En cualquier caso, se debe responder a estas preguntas, relativas a seis áreas diferentes:

1. Áreas de aplicación del sistema planificado• ¿La instalación servirá como instalación aislada o

como sistema de respaldo de red?• ¿El sistema se debe instalar para el funcionamien-

to monofásico o trifásico?2. Características geográficas• ¿En qué país se instalará el sistema?• ¿Cuáles son los niveles de irradiación solar y

temperatura?• ¿Cuál es la velocidad media del viento en la ubi-

cación?3. Generadores de energía• ¿Qué generadores de energía se utilizarán?

¿Fotovoltaicos, diésel, eólicos, hidráulicos u otros?

4. Porcentaje de cobertura• ¿Qué porcentaje de cobertura debe obtenerse

de energías renovables (por ejemplo, relación entre energía fotovoltaica y diésel)?

5.Consumo de energía• ¿Cuál es el consumo de energía anual o diario?6. Potencia• ¿Cuál es la demanda máxima de potencia en un

día?

Partiendo de estos datos es posible realizar un dise-ño inicial que proporcione información sobre el ta-maño, las fuentes de energía adecuadas y los com-ponentes de la instalación.

6.4 Selección del inversor aislado

Al elegir el equipo adecuado, es importante recor-dar que algunos inversores aislados sólo pueden funcionar de manera monofásica y otros, de mane-ra trifásica. Otro factor que hay que tener en cuenta es el rango de potencia.

Potencia en 30 minutos Sistema monofásico Sistema trifásicoPmáx = 1...2,7 kW SI 2012 —Pmáx = 1...2,9 kW SI 2224 —Pmáx = 1...8,7 kW — SI 2224 / SI 2012Pmáx = 1...4,2 kW SI 3324 —Pmáx = 2...6,5 kW SI 5048 —Pmáx = 6...78 kW — SI 5048

Tabla 6.2: Selección de los inversores aislados

Designación de los equipos Sunny Island

En la designación de los equipos SI XYZZ:X, Y = potencia constante de CA [kW] a 25 °CZZ = potencia constante de CC [V]

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Para seleccionar el Sunny Island adecuado, deberá conocer estos factores:

• La potencia máxima Pmáx• El número de fases

Cálculo de ejemplo 1

El número de inversores aislados de los sistemas monofásicos con potencias superiores se determina dividiendo la potencia máxima Pmáx por la potencia en 30 minutos del Sunny Island:

Redondeando el resultado al siguiente número entero se obtiene el número de equipos Sunny Island necesarios.

Pmáx = 16 kW P30 = 6,5 kW

El número de equipos en los sistemas trifásicos se determina también a partir de la potencia en 30 minutos del Sunny Island. No obstante, el resultado se debe redondear al siguiente número superior divisible por 3. Ésta es la única forma de distribuir los inversores de forma simétrica entre las fases:

Pmáx = 32 kW P30 = 6,5 kW

= cantidad SI 5048PmaxP30



16 kW6,5 kW

32 kW6,5 kW

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6.5 Dimensionamiento de la batería

El tamaño de la batería depende principalmente de:

• El período de autonomía en días• El consumo de energía anual [Ea] en kWh/a• El rendimiento medio de la batería durante la

descarga (aprox. ƞbat = 0,9)

Para el cálculo del período de autonomía se puede usar cualquier intervalo de tiempo adecuado para la aplicación. Sin embargo, se recomienda basar el proceso de dimensionamiento en los valores empíri-cos de esta tabla:

Período de autonomía (días) Tipo de bateríaSunny Backup (Europa) 0,5 OGiRespaldo (red débil) 1 OGi resist. ciclosSistema fotovoltaico o eólico con batería 4 OPzV/OPzS*Sistema diésel 2 OPzV/OPzS*Sistema con turbina hidráulica 1,5 OPzV/OPzS*

Tabla 6.3: Períodos de autonomía en varias explotaciones *Si usa baterías OPzS deberá realizar un control periódico del estado de carga.

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Dependiendo de las condiciones locales, el tamaño de la batería se indica en kWh o Ah.

Importante: las baterías no están disponibles en todos los tamaños. Los fabricantes de baterías ofrecen tamaños estándar. Se recomienda elegir un tamaño estándar algo superior al calculado.

La tensión de la batería depende de los inversores aislados que se usen: Sunny Island 2012: 12 V Sunny Island 2224 y 3324: 24 V Sunny Island 5048: 48 V

Sistema con generador diésel Período de autonomía: 2 díasConsumo de energía anual [Ea]: 4.500 kWhRendimiento medio de la batería [ƞ bat]: 0,9Sunny Island seleccionado: SI 2224

Para emitir los datos relativos a la profundidad de descarga de la batería (en inglés "DOD: Depth Of Discharge") se ha tenido en cuenta el período de autonomía. Los períodos de autonomía de la tabla 6.3 se han emitido teniendo en cuenta una profundidad de descarga del 50%.

Ea365

1.000

= 27,4 kWh0,9

4.500 kWh365

= 1.140 Ah24 V1.000

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6.6 Dimensionamiento de la instalación fotovoltaica

El tamaño de la instalación fotovoltaica depende de:

• El consumo de energía anual [Ea] en kWh/a• El rendimiento del sistema

(aprox. ƞsis = 0,7)1

• La fracción solar [SF]• La irradiación solar

La región en la que se va a construir la instalación se debe establecer en una fase preliminar. El nivel de irradiación solar y la fracción solar adecuada del lugar pueden variar de forma considerable (tabla 6.4).

Rendimiento energético específi co [EFV]kWh/(kWp ╳ a)

Fracción solar adecuada [SF]

Alemania 800 – 900 50 – 70%Sur de Europa 1.300 – 1.450 60 – 90%Norte y Sur de África o Sudamérica 1.450 – 1.700 60 – 100%Arabia Saudí (extremadamente alta) 1.800 60 – 100%

Tabla 6.4: Irradiación solar y fracción solar adecuada del lugar

1 El rendimiento del sistema incluye el rendimiento de carga y descarga, las pérdidas de potencia, las pérdidas por potencia reactiva, etc.


Utilizando los valores anteriores es posible calcular el tamaño aproximado de la instalación fotovoltaica en kWp para una vivienda unifamiliar en el sur de Europa.

Consumo de energía anual [Ea]: 4.500 kWh/aRendimiento medio del sistema [ƞsis]: 0,7Fracción solar [SF]: 70%Rendimiento energético específico [EFV]: 1.300 kWh/(kWp ╳ a)

El diseño exacto del campo solar, del inversor solar y del cableado adecuado se puede calcular con la ayuda de la herramienta de diseño de SMA Sunny Design (http://www.sma-iberica.com/es/tecnologia-solar/productos/comunicacion/monitorizacion-de-instalaciones/software/sunny-design/vista-general/index.html).

37


6.8 Cálculo de los costes de la instalación

A partir de este diseño preliminar se puede realizar también una estimación inicial de los costes de la instalación. Los costes del cálculo que se muestra aquí incluyen:

• Costes del inversor aislado• Costes del acumulador de batería• Costes de la instalación fotovoltaica

(módulos e inversores)• Costes del generador diésel• Costes de montaje e instalación

Los elementos que no se incluyan aquí se deberán añadir en una fase posterior de diseño más detalla-da. Debido a la gran variedad de sistemas existen-tes no se pueden tener en cuenta aquí.

6.7 Diseño del generador diésel

Determinar el tamaño del generador diésel es bastante sencillo: su potencia nominal debe ser de aproximadamente el 80–120 por ciento de la potencia nominal del Sunny Island. No obstante, es preferible mantener este valor por debajo del 100 por ciento, ya que así se garantizará que el genera-dor trabaje con su carga óptima. También permite asegurar una vida útil más larga y un aprovecha-miento adecuado del combustible diésel.

Resumen de costes de la instalación:

Coste Sunny Island Número equipos ╳ precio equipoCoste batería Ebat [kWh] ╳ 200–300 €2

Coste FV PFV [kWp] ╳ 3000 €3

Coste diésel Pdiésel ╳ 1.000 €

Subtotal xy €Instalación (15%) 0,15 ╳ subtotal

Total xy €

2 Consultar al fabricante de la batería 3 En 2010

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7. Aspectos económicos de los sistemas aislados

Desde una perspectiva económica, en la actualidad los pequeños sistemas aislados con acumulador de batería en el rango de potencia de varios kW son considerablemente más rentables que las instala-ciones que utilizan únicamente generadores diésel. Incluso sistemas híbridos más grandes que utilizan un generador diésel sólo para evitar la acumulación en batería a largo plazo, se pueden operar a un coste inferior que los sistemas que trabajan exclusi-vamente con diésel, gracias a la vida útil más larga y al bajo coste de mantenimiento de los grupos. En concreto, en cualquier evaluación de costes se debe tener en cuenta el hecho de que en las regiones remotas un kilovatio hora fácilmente puede costar entre 0,50 y 1,50 euros.

Los costes de inversión implicados en la ampliación de una red dependen principalmente del alcance de la ampliación. En el caso de los sistemas híbri-dos, los costes de inversión dependen de los tipos de cargas que se deben suministrar. El tamaño necesario de la instalación fotovoltaica se deriva de estos factores.

Fig. 7.1: Rentabilidad de explotaciones aisladas en relación con la distancia respecto a la red pública de suministro eléctrico

Fuente: Alliance for Rural Electrification (ARE)

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Los sistemas fotovoltaicos híbridos se pueden ope-rar de forma rentable a largo plazo. A la vista del aumento del coste de la energía y las materias primas, los sistemas híbridos que funcionan con energías renovables constituyen una alternativa real y abrirán nuevos campos.

Fig. 7.2: Rentabilidad de explotaciones aisladas

Datos de un sistema diésel Generador diésel de 25 kVA

Datos de un sistema fotovoltaico híbrido diésel Generador diésel de 25 kVA Instalación fotovoltaica de 30 kWp Inversor aislado de 30 kW Batería de 240 kWh

La rentabilidad de los sistemas fotovoltaicos híbridos en comparación con los sistemas totalmente diésel se puede comprobar analizando los costes en rela-ción con la vida útil de los dos sistemas. El ejemplo práctico en Tanzania (África oriental) demuestra que el coste inicial más elevado del sistema fotovoltaico híbrido en comparación con una estación totalmente diésel ya se recupera en el sexto año, debido a los costes operativos considerablemente más elevados del generador diésel. En los años siguientes, las ventajas de utilizar un sistema fotovoltaico híbrido continuarán aumentando de forma constante.

Fuente: Alliance for Rural Electrification (ARE)

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8. Competente, flexible, internacional: el servicio técnico de SMA

Desde hace más de 20 años, SMA desarrolla y fabrica inversores para instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red y para sistemas energéticos descentralizados. Esta extensa experiencia es la base sobre la que SMA continúa desarrollando sus productos. Actualmente ofrece una amplia selección de inversores aislados y de batería tanto para gran-des redes aisladas como para sistemas de suministro eléctrico de emergencia. Los equipos se diseñan específicamente para cada explotación y garantizan un funcionamiento óptimo incluso en condiciones muy desfavorables.

Para un suministro de energía estable son necesarios no sólo componentes duraderos sino también un servicio técnico fiable. Por este motivo, SMA ofrece tecnología punta innovadora y un servicio completo como solución de un mismo proveedor. El servicio téc-nico telefónico de SMA, el servicio "in situ", el amplio programa de garantía o la retirada de equipos al final de su vida útil son servicios flexibles de SMA que se adaptan totalmente a las necesidades del cliente.

Los expertos del servicio técnico telefónico ayudan a los operadores de la instalación en la planifica-ción, instalación y puesta en servicio de sistemas Sunny Island; asesoran sobre cuestiones técnicas y dan consejos para la monitorización del siste-ma. El servicio técnico gratuito para Sunny Island está disponible en el número de teléfono +49 561 9522 399.

Con más de 20 centros de servicio técnico en Alemania a fecha de hoy y una buena infraestructura de servicio internacional, SMA está siempre donde se necesita. Sea cual sea el tema de su consulta (la ins-talación, el mantenimiento o el análisis del sistema), el equipo de servicio técnico de SMA es un interlocutor competente para los operadores de la instalación.

Los productos de SMA cuentan con la máxima calidad y con una garantía estándar de cinco años. Además, SMA ofrece una ampliación de la garantía que da derecho al operador de la instalación a dis-frutar de reparaciones gratuitas o equipos de recam-bio durante 20 años más.

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9. Referencias

Con su línea de productos Sunny Island, SMA proporciona la tecnología necesaria para la cons-trucción de redes aisladas modulares. En SMA, los planificadores de instalaciones encuentran un equipo adecuado para cada aplicación, ya sea para suministrar electricidad a un pueblo de China, un hospital de la India, una cabaña en los Alpes de Italia o una granja en Alemania. Con más de 1.000 sistemas aislados instalados en todo el mundo,

SMA cuenta con amplia experiencia en el área del suministro autónomo de energía y tiene preparadas soluciones individuales para nuevos desafíos.

Fig. 9.1: Suministro eléctrico para una vivienda en Ghana

Fig. 9.2: Cabaña en los Alpes con suministro de corriente fotovoltaica

Fig. 9.3: Suministro eléctrico en un pueblo de China Fig. 9.4: Sistema híbrido en una escuela de Vaitupu (en el archipiélago de Tuvalu, océano Pacífico)

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10. Bibliografía

[1] Beverungen, S.: "Review of Energy Management Strategies for Hybrid Energy Systems" [Revisión de estrategias de gestión de la energía para sis-temas energéticos híbridos], informe interno de la Universidad de Kassel, Conversión eficiente de la energía de IEE-RE; Kassel (2000)

[2] Sauer, D. U., et al.: "Entwicklung und Test von Ladestrategien für Gel- und Vliesbatterien in au-tonomen Systemen" [Desarrollo y pruebas de es-trategias de carga para baterías de gel y AGM en sistemas autónomos], informe final de un pro-yecto de investigación, Fraunhofer ISE; Freiburg (2001)

[3] Bopp, G.; Bächler, M.; Wollny, M.; Jossen, A. etal.: "Systemkorrelierende Auswertung und Bewer-tung des Betriebsverhaltens in bestehenden PV- Anlagen" [Evaluación y valoración relacionadas con el sistema del rendimiento en instalaciones fotovoltaicas existentes], informe final de un pro-yecto de investigación, ZSW; Ulm (1999)

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[5] SMA Technologie AG: "Sunny Island 5048 – Neuer Batteriewechselrichter für Inselanwendun-gen" [Sunny Island 5048: nuevo inversor de ba-tería para aplicaciones aisladas], folleto; Nieste-tal (2006)

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[8] Wollny, M.: "Electrifying China" [La electrifica-ción de China]; suplemento especial Refocus de la revista "Renewable energy focus"; Oxford (2005)

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[10] Rothert, M.; Wollny, M.: "Optimized Operation Management in Hybrid Systems" [Gestión ope-rativa optimizada en sistemas híbridos]; Nies-tetal (2006)

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