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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Diseño, ejecución, explotación y mantenimiento

INSTALACIONES AISLADAS

Oscar Velasco. Grupo Generalia. 31 de marzo de 2011

www.generalia.es

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Page 2: Curso Fotovoltaica 6/6

INDICE

Introducción

Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y

Sistema de Backup

Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.

Miniredes inteligentes

Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos

Diseño de sistemas aislados

Mantenimiento

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INDICE

Introducción

Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y

Sistema de Backup

Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.

Miniredes inteligentes

Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos

Diseño de sistemas aislados

Mantenimiento

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Esquema básico de funcionamiento

PV modules

PV regulator

Inverter

DC Consumption

AC Consumption

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Diferencias con respecto a los sistemas de conexión a red

Diseñado para el abastecimiento de consumo propio

Necesidad de almacenamiento de la energía

Regulador / cargador

Baterías

Inversores con capacidad para “crear red”

Para instalaciones con consumos en únicamente en continua y de pequeña potencia (<2 kW),

se podrían requerir paneles con características particulares:

Si los consumos son en continua a 12 V, paneles a 18 V

Si fueran 24 V, paneles de 30-32 V

NOTA: Los paneles de 12 V son mas caros generalmente, pero se puede evitar su uso

utilizando reguladores maximizadores de potencia. Sólo para potencias mayores de 2 kW

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Introducción

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Criterio de mayor producción en invierno VS maximización de la producción anual

En las instalaciones de conexión a red, el interés es conseguir la máxima rentabilidad anual

de la instalación

En instalaciones aisladas, el interés es alimentar las necesidades de consumo durante

cualquier día del año. Para ello:

Tenemos que dimensionar la instalación para el “peor día del año”

Seleccionaremos la inclinación de los paneles que maximice la producción en dicho mes

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Introducción

Sofia, Bulgaria Madrid, EspañaEd (32º) Ed (61º) Ed (34º) Ed (60º)

Jan 1,65 1,79 2,66 2,96Feb 2,25 2,34 3,05 3,19Mar 2,75 2,63 4,32 4,23Apr 3,42 3,01 4,1 3,63May 3,61 2,95 4,63 3,75Jun 3,79 2,97 4,78 3,69Jul 4,06 3,23 4,91 3,85

Aug 3,95 3,37 4,79 4,08Sep 3,48 3,28 4,38 4,14Oct 2,68 2,74 3,54 3,63Nov 1,71 1,84 2,66 2,9Dec 1,3 1,41 2,15 2,39

Total year 1050 960 1400 1290

0

1

2

3

4

5

6

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

Sofia, Bulgaria (32º) Sofia, Bulgaria (61º)

Madrid, España (34º) Madrid, España (60º)

Nota: existe la posibilidad de usar sistemas de backup en los meses de menor producción

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Introducción

Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y

Sistema de Backup

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Miniredes inteligentes

Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos

Diseño de sistemas aislados

Mantenimiento

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Inversor

Rango de potencias mucho mas bajo que en conexión a red

Capacidad de unirse en serie y paralelo

Preparados para entradas auxiliares en paralelo, en caso de sistemas

híbridos: diesel, red, paneles…

Fabricantes:

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Elementos

Fabricante Potencia UnitariaPotencia Sistema

Observaciones

Xantrex 6 kW 36 kW

• Incorpora cargador de baterías• Permite inyectar excedente a la red eléctrica• Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo

Victron 10 kVA100 kVA(90 kW)

• Incorpora cargador de baterías• Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo

Ingeteam 15 kVA 120 kVA• Incorpora cargador de baterías• Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo

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Detalles sobre el regulador

Se utiliza para:

Proteger a las baterías contra sobrecargas

Evitar descargas excesivas durante cada ciclo

Es recomendable trabajar con un sobredimensionamiento del 125%

Diferencias entre regulador y cargador

Cargador: solo sirve para cargar las baterías

Regulador: sirve tanto para cargar las baterías, como para

gestionar las cargas en corriente continua

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Elementos

NOTA: Los cargadores no son dispositivos simples:

El estado de carga de la batería depende de muchos factores y es difícil de medir

Existen múltiples algoritmos para optimizar la carga de las baterías y aumentar su

tiempo de vida

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Introducción

Las baterías se utilizan para almacenar la energía que se produce

en los paneles durante el día, para ser consumida en los periodos

que no hay irradiación solar

Este almacenamiento se produce a través de reacciones químicas

reversibles

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Baterías

Una batería está formada por la asociación serie de varios “vasos” o “celdas”

Entre los electrodos se establece una diferencia de potencial (Generalmente: 2V)

En aplicaciones fotovoltaicas se utilizan generalmente baterías de 12, 24 o 48 voltios

Se suele dimensionar para varios días de consumo

En caso de que se sucedan varios días de baja irradiación: nubes, lluvia, etc

Tres días puede ser una buena recomendación, según cada uso

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Capacidad de régimen

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Baterías

Capacidad

Cantidad de electricidad que puede obtenerse durante una descarga completa de un

acumulador plenamente cargado

La capacidad en Amperios-hora (A-h) es simplemente la corriente que la batería puede

entregar, multiplicado por el número de horas en que se entrega dicha corriente

En teoría una batería de 200 A-h podría entregar: 200 A durante una hora, 100 A durante

dos horas, 1 A durante 200 horas y así sucesivamente.

Sin embargo, en la realidad, la capacidad de la batería variará según el régimen de carga y

descarga. (Generalmente, menor velocidad de descarga implica mayor capacidad)

Por ejemplo: una batería con una capacidad de 100 A-h a un régimen de 8 horas (C-8):

Podría descargar 12,5 A durante 8 horas. C = 12.5 x 8 = 100 A-h

Pero podría proporcionar 5.8 A durante 20 horas. C’ = 5.8 x 20 = 116 A-h

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Profundidad de descarga

Baterías

Porcentaje de la capacidad total de la batería que puede ser usada sin necesidad de recarga y sin dañar a la batería.

Como regla general, cuanto menor sea la profundidad de descarga alcanzada en cada ciclo, mayor será la vida útil de la batería

Clasificación:

Múltiples fabricantes

Isofoton, Hoppecke, BAE, TABB, Tudor, etcétera

Ciclo ligero Ciclo profundo

- Diseñadas para fuertes corrientes en las descargas iniciales

- Constantes cargas y descargas- Profundidades de descarga menores

del 20 %

-Diseñadas para largos periodos de utilización sin necesidad de recibir recarga

-Son más robustas y tienen mayor densidad energética

-Profundidad de descarga del 80%

Nota: Esta clasificación se utiliza sobretodo para baterías de Plomo-Acido

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Tipos de Baterías

Baterías

Para aplicaciones fotovoltaicas las más adecuadas son las baterías estacionarias, diseñadas para tener un emplazamiento fijo y para los casos en que el consumo es más o menos irregular. Las baterías del tipo “estacionario” no necesitan producir una corriente elevada en breves periodos de tiempo, aunque sí profundas descargas.

Plomo-Acido(Ciclo Profundo)

Plomo-Acido(Ciclo Ligero)

Gel-Cell NiCd

Observaciones • Muy disponibles comercialmente

• Pueden experimentar muerte súbita

• Son de plomo-antimonio

• Muy disponibles comercialmente

• Pueden experimentar muerte súbita

• Son de plomo-calcio(reduce autodescarga)

• El acido se encuentraen estado de gel

• Mucho menor mantenimiento

• Puede operar en cualquier posición

• Más caras que Pb

• Mejor comportamientocon la temperatura

• Doble precio que Pb

Profundidad de descarga 40-80% 15-25% 15-25% 100%Autodescarga por mes 5% 1-4% 2-3% 3-6%Capacidad típica (AH/m3) 35,314 24,720 8,828 17,660Rango de capacidades (AH/m3)

7,062 a 50,323 5,791 a 49,000 3,672 a 16,400 3,630 a 34,961

Capacidad típica (AH/Kg) 12.11 10.13 4.85 11.10Rango de capacidades (AH/Kg)

4.18 a 26.65 2.42 a 20.26 2.20 a 13.87 2.64 a 20.90

Temperatura mínima de operación (oC)

-6.6 -6.6 -18 -45

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El generador diesel como backup (I)

El uso de un generador diesel puede permitirnos evitar el sobredimensionamiento

de paneles y baterías.

Se trata de cubrir los periodos de baja irradiación o las situaciones de consumo

extraordinario a través de un grupo diesel

A día de hoy, la energía proveniente de un grupo diesel puede ser más cara que la

que obtenemos a partir de la energía solar fotovoltaica

Dependerá del precio del combustible

Nota: En la siguiente transparencia vemos un ejemplo

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Grupo Diesel

Page 15: Curso Fotovoltaica 6/6

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Grupo Diesel

Notas: 1. Para este estudio se ha tenido en cuenta que el precio de la electricidad proveniente de Generador Diesel es,

hoy, de 0.35 €/kWh (Internalizando los costes que supone la logística del combustible). 2. El estudio está realizado para 1500 HSP3. Se ha estimado, en verde, la repercusión que supondrá el sobrecoste por las emisiones de gases contaminantes

(Precio de tonelada de CO2). 4. Los precios están en euros5. La palabra “híbrido” se refiere a una instalación fotovoltaica con un Backup de generador diesel.

-

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Precio kWh hibrido Precio kWh G Diesel Precio kWh G Diesel CO2

Precio de kW-h producido por generador diesel versus kW-h solar

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Introducción

Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y

Sistema de Backup

Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo.

Miniredes inteligentes

Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos

Diseño de sistemas aislados

Mantenimiento

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Sistema híbrido: Diesel - Solar

PV modules

PV regulator

Inverter

DC Consumption

AC Consumption

A la hora de seleccionar el generador diesel, se

debe buscar que disponga de arrancador

automático:

Bien porque dispone de la electrónica para

realizar el arranque a través de una señal

auxiliar

Bien porque es compatible con los cuadros

eléctricos diseñados para tal efecto

Unión a través del BUS AC

El generador diesel arranca si las baterías bajan de un

determinado nivel

El generador puede exclusivamente abastecer el

consumo o, también, cargar las baterías

El inversor está especialmente diseñado con

este propósito (Conversor AC/DC)

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Sistema híbrido: Eólico - Solar

El potencial eólico viene determinado

fundamentalmente por:

• Velocidad del viento: la energía cinética del viento

se incrementa según el cubo de su velocidad

• El recurso eólico será explotable en lugares con

velocidad media anual superior a los 4-5 m/s

También influyen, en menor medida, las características

y densidad del viento

Este tipo de sistema es, actualmente, objeto de análisis e investigación por parte de diferentes instituciones y empresas.

Buena correlación entre el recurso eólico y el solar

Generalmente, unión a través del BUS DC (de las baterías)

Pocos datos sobre el recurso: grandes variaciones intraregionales

Menores garantías en el sistema eólico que en solar:

En torno a los tres años

Descripción

Page 19: Curso Fotovoltaica 6/6

Wind generator

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Sistema híbrido: Eólico - Solar

PV modules

PV regulator

Inverter

DC Consumption

AC Consumption

Wind regulator

Esquema de funcionamiento

BUS DC

Page 20: Curso Fotovoltaica 6/6

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Eficiencia en el consumo (I)

La importancia de reducir el consumo…

Actualmente se pueden encontrar grandes avances en los consumos de muchos

dispositivos masivos: electrodomésticos, iluminación, aire acondicionado, PCs…

Dado el alto coste de la energía solar aislada y la dependencia de su precio con

el consumo…

… cualquier instalación solar aislada debe comenzar por

optimizar la eficiencia en el consumo

Ejemplo:

Precio electricidad: 0,40 €/kWh

Consumo Nevera Clase A+: 150 kWh/año

Consumo Nevera Clase G: 800 kWh/año

Ahorro: 260 € / año

* En realidad, la instalación de un dispositivo más eficiente nos permitirá reducir el coste de la inversión

FUENTE DE CONSUMOS: IDAE

Page 21: Curso Fotovoltaica 6/6

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Eficiencia en el consumo (II)

Ejemplos de consumos

Elemento Bajo consumo Convencional

Nevera Clase A150 kWh/año

Clase G800 kWh/año

Lavadora Clase A1.42 kWh

Clase G6.9 kWh

Iluminación 1

Incandescente100 W

LED10 W

Iluminación 2

Incandescente100 W

Bajo Consumo18 W

PC Sobremesa

250 W 70 W

Page 22: Curso Fotovoltaica 6/6

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Miniredes Inteligentes / Smart Grids (I)

Objetivo a nivel global

Para conseguirlo:

Aumentar la integración de las energías

renovables en la red global internacional

Necesidad de convivir con una

generación distribuida e intermitente

Compromiso de los gobiernos internacionales (como la UE:

Minimizar impacto medioambiental.

Reducir las emisiones en un 20%

Reducir la dependencia de los combustibles fósiles.

Aumentar el peso de las renovables en un 20%

Reducir costes y aumentar la eficiencia energética

Page 23: Curso Fotovoltaica 6/6

Miniredes Inteligentes / Smart Grids (II)

Mejorar la supervisión y control de la generación

Perfil de producción intermitente de las EERR

Poca previsión de la curva de producción

Mejorar la gestión de la demanda

Elevado ratio punta – valle de la demanda

Falta de correlación con la generación renovable

Medidas hacia las Miniredes Inteligentes

Mayor interconexión internacional

Mejorar el almacenamiento de electricidad

Nuevas instalaciones de bombeo / producción hidráulica

I+D en sistemas de almacenamiento in situ: hidrógeno / baterías

Introducción del vehículo eléctrico

Source: REE

Perfil de demanda de un día medio en España

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Diseño de sistemas aislados

Mantenimiento

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Page 25: Curso Fotovoltaica 6/6

Áreas alejadas de la red de distribución eléctrica

Áreas actualmente abastecidas con generadores

Excepcionalmente, áreas con inestabilidad en la red eléctrica

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Zonas de aplicación

Gran potencial de

aplicación en países

africanos

Especialmente: zonas con alto precio del combustible

Source: World energy outlook 2009

Page 26: Curso Fotovoltaica 6/6

Viviendas unifamiliares y bloques de viviendas

Edificios públicos: hospitales, escuelas, etc.

Alumbrado público y señales de tráfico

Antenas de comunicaciones

Bombeo de agua

Consumo humano

Uso agrícola

Desalinizadoras y Depuración de agua

Usos industriales

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Ejemplos de Aplicaciones

Page 27: Curso Fotovoltaica 6/6

Instalación con grandes ventajas para la

alimentación mediante energía solar

No hay necesidad de baterías

La construcción de un depósito en

altura sirve de almacenamiento de

energía

Por tanto tampoco necesitamos

regulador

No hay necesidad de inversores

Actualmente se pueden encontrar

bombas en corriente continua de gran

calidad

Pocos elementos:

Se reduce el precio de la instalación

Se reducen las posibilidades de avería

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Caso particular: Instalaciones de Bombeo de Agua

Page 28: Curso Fotovoltaica 6/6

Posibles límites del sistema

Potencia máxima de salida

Viene limitada por los inversores: actualmente < 120 kWp

Capacidad máxima de almacenamiento

Viene limitada por las baterías

Plomo-acido: se recomienda no superar más de tres o cuatro paralelos

En Ni-Cd este número es mayor (según los fabricantes) *

28

Otras consideraciones en la aplicación

Tendencia a la escalabilidad

Con el objetivo de poder alimentar poblaciones crecientes de cualquier tamaño

Mediante la integración de tecnologías y la evolución de cada dispositivo

* Se recomienda verificar con el fabricante este punto. Existen pocos casos prácticos

En Plomo-Acido, cada vaso permite almacenar un máximo de 3.000Ah en C-10(2V).

En ramas de 48 V, generalmente la máxima tensión que se utiliza, cada paralelo puede llegar a almacenar:

3.000 Ah x 48 V = 144 kWh

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Sistema de Backup

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Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos

Diseño de sistemas aislados

Mantenimiento

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Realizamos una tabla que recoja todos los consumos que vamos a encontrar en el sistema:

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Diseño del sistema (I)

Dispositivo Número de unidades

Potencia Pico (W)

Potencia Total media (W)

Horas de uso(h / dia)

Energía consumida (Wh/dia)

Lámpara 10 11 88* 8 880

Ordenador 1 300 150 6 900

Nevera 1 1000 400 24 9600

Televisión 1 90 90 8 720

TOTAL 1500 W 728 W 12.100 Wh/día

La potencia pico total afectará, principalmente, al cálculo del inversor

La energía diaria consumida total afectará, principalmente al cálculo de:

El sistema de almacenamiento

El sistema fotovoltaico

Estudio de consumos

* Coeficiente de Simultaneidad del 80%

Page 31: Curso Fotovoltaica 6/6

Según el estudio de consumos, necesitamos generar 12.100 Wh / día de media

Como hemos explicado anteriormente, esta generación debe garantizarse “en el peor

día del año”, es decir en Invierno

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Diseño del sistema (II)

Cálculo del generador fotovoltaico

Madrid, EspañaEd (34º) Ed (60º)

Jan 2,66 2,96Feb 3,05 3,19Mar 4,32 4,23Apr 4,1 3,63May 4,63 3,75Jun 4,78 3,69Jul 4,91 3,85

Aug 4,79 4,08Sep 4,38 4,14Oct 3,54 3,63Nov 2,66 2,9Dec 2,15 2,39

Total year 1400 1290

Debo tener en cuenta las perdidas que se producirán en los diferentes

equipos: paneles, inversor, regulador, cableado, y baterías

Las perdidas aproximadas en las baterías se pueden estimar del

orden del 15 %

Las pérdidas totales del sistema, en torno al 34 %

WPerdidasHSP

EnergíaP demandada

paneles 85,670.766,039,2

12100

Podemos instalar, por ejemplo, 34 paneles de 230 W = 7.820 Wp

Page 32: Curso Fotovoltaica 6/6

Según el estudio de consumos, necesitamos disponer de 12.100 Wh / día de media

En este ejemplo, se dimensionarán las baterías para abastecer dos días completos sin

irradiación solar.

Las baterías deberán ser capaces, por tanto, de suministrar 24.200 Wh

Para este ejemplo se seleccionarán baterías de Plomo-Ácido con una profundidad de

descarga del 80%

Para aumentar su tiempo de vida, se calcula una profundidad máxima de descarga

del 60%

Se considera un factor de pérdidas en baterías del 85%

32

Diseño del sistema (III)

Cálculo de las baterías

hACapacidad hA

12.1977

2485,06,0

212100

TensiónPérdidasP.Descarga

diasnºEnergía demandada

Instalaremos 12 baterías de 2000 A-h (C-20)

Page 33: Curso Fotovoltaica 6/6

En este caso, nos afecta la potencia pico que tenemos que garantizar

En nuestro caso, esta potencia podría llegar a 1500 Wp

Sin embargo, generalmente, se aplica un “Coeficiente de Simultaneidad”, por el

hecho de que los dispositivos rara vez estarán encendidos todos al mismo tiempo

Además, los inversores están preparados para abastecer una potencia puntual del

doble de su potencia nominal durante un periodo de tiempo determinado

33

Diseño del sistema (IV)

Cálculo del inversor (I)

En nuestro caso concreto, podemos suponer que los picos de arranque del motor de la nevera serán absorbidos durante estos periodos

Page 34: Curso Fotovoltaica 6/6

Alcanzaremos una potencia máxima de 1500 Wp, es decir la potencia nominal

del inversor deberá ser mayor que 750 Wp

Hablando de consumos medios, y aplicando un “Coeficiente de Simultaneidad” del

80% a las bombillas, la potencia nominal del inversor deberá superar los 728 Wp

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Diseño del sistema (V)

Cálculo del inversor (II)

Seleccionaremos por tanto un inversor con una potencia de

salida mayor que 750 Wp

Page 35: Curso Fotovoltaica 6/6

Energía en demanda: 12.100 Wh

Potencia en los paneles: 7.820 Wp

Capacidad de las baterías: 2.000 A-h (C-20) x 24 V = 48.000 W-h

Potencia de salida del inversor: 750 – 1000 Wp

35

Diseño del sistema (VI)

Resultado final

Se ha considerado que el consumo es el mismo en todos los días del año

En caso contrario (por ejemplo, por disponer de un aire acondicionado) deberíamos

estudiar también el consumo del día de mayor consumo.

Se podrían reducir la baterías, reduciendo su autonomía o aumentando su profundidad de

descarga, e introduciendo un generador diesel que soporte los periodos que las baterías no

pueden asumir

Observaciones

Page 36: Curso Fotovoltaica 6/6

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Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y

Sistema de Backup

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Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos

Diseño de sistemas aislados

Mantenimiento

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Page 37: Curso Fotovoltaica 6/6

Limpieza periódica de la cubierta frontal de vidrio del panel solar fotovoltaico

Teniendo en cuenta el nivel de suciedad ambiental

Generalmente una vez al año

Verificación de las conexiones y apriete de los terminales

Verificación del estado de los conductores

Verificación de la estructura de soporte

Si ésta no está protegida contra la intemperie (aluminio, acero inoxidable o

galvanizado), será necesario un tratamiento periódico con pintura antióxido.

Verificación de que no hay objetos que sombrean el panel solar fotovoltaico.

En caso que algún árbol pudiera hacerlo, prever su poda cada vez que se

estime necesario

37

Mantenimiento de los paneles

Page 38: Curso Fotovoltaica 6/6

Las baterías son un elemento de riesgo, por sus características eléctricas y químicas

38

Mantenimiento de las baterías (I)

Principales riesgos

El electrolito es, generalmente, de ácido diluido: riesgo de quemaduras en contacto con la

piel o con los ojos

Riesgo de electrocución

A partir de 24 V, para entornos húmedos

A partir de 48 V, para entornos secos

Riesgo de incendio/explosión

Debido a que generan gas hidrógeno

Necesidad de buena ventilación

Consejos:

Usar guantes y zapatos adecuados

Usar herramientas con mangos de

plástico

Quitarse objetos metálicos

Evitar chispas y llamas en el entorno

de las baterías

Page 39: Curso Fotovoltaica 6/6

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Mantenimiento de las baterías (II)

Principales acciones para el correcto mantenimiento

Verificar que el local está bien ventilado y protegido de los rayos solares

Mantener el nivel del electrolito entre los límites marcados por el fabricante

Adicionar sólo agua destilada

Proteger los bornes de conexión con grasa antioxidante para evitar la sulfatación

Verificar el apriete de los bornes de las baterías

Limpiar la cubierta superior de la batería