Elementos de una instalación Solar Fotovoltaica

Módulos fotovoltaicos

El módulo fotovoltaico es el elemento de la instalación solar encargado de transformar la energía del sol en electricidad de corriente continua de forma directa.

Un módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de células solares o pequeños generadores de intensidad conectados en serie, o de grupos de células conectadas en serie agrupadas en paralelo (este último caso sólo se da en módulos de gran potencia) encapsulados entre un vidrio templado y varias capas de material plástico, el conjunto se refuerza con perfiles metálicos de aluminio formando el marco exterior quedará firmeza y facilitará la colocación del módulo a la estructura de apoyo.

En la parte posterior del módulo se ubica la caja (o cajas) de conexiones con los terminales positivo y negativo identificados.

Panel fotovoltaico

Cubierta exterior:

Tiene una función eminentemente protectora, ya que es la que padece la acción de los agentes atmosféricos.

Se utiliza el vidrio templado puesto que presenta una buena protección contra los impactos a la vez que tiene una excelente transmisión a la radiación del espectro solar, el espesor más habitual es de 4 milímetros.

Capas encapsulantes:

Son las encargadas de rodear las células solares y sus contactos. el material más empleado es (etileno-vinilo-acetato o Eva) que proporcionan una excelente transmisión a la radiación solar así como una nula degradación enfrente de las radiaciones ultravioletas.

También, confiere cierta elasticidad al conjunto de células en frente a las posibles vibraciones exteriores en el uso del módulo.

Protección posterior:

Su misión consiste, fundamentalmente, en proteger contra los agentes atmosféricos, ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad. Normalmente, se utilizan materiales acrílicos, TEDLAT o EVA. A menudo son de color blanco, puesto que esto favorece el rendimiento del panel debido al reflejo que produce en las células.

Marco soporte:

Es la parte que presta firmeza mecánica al conjunto y permite su inserción en estructuras que agruparán a módulos.

El marco, normalmente es de aluminio anodizado y va proveído de los agujeros necesarios para su anclaje a un bastidor, evitando tener que ser manipulados posteriormente. Algunos módulos traen acoplado una presa de tierra la cual deberá ser utilizada especialmente si el número de unidades al instalar es grande.

Corte transversal de un panel fotovoltaico

Conexionado de los módulos solares

Conexión en serie:

Este tipo de conexión se basa en conectar el terminal positivo de un módulo con el negativo del siguiente, y así, sucesivamente hasta obtener la serie completa. Finalmente la conexión de salida de la agrupación será entre el terminal positivo del último módulo conectado y el negativo del primero.

Ejemplo: conexión de dos módulos con dos cajas de conexión cada uno en serie.

Conexión serie

En la conexión serie la intensidad eléctrica generada en el módulo fotovoltaico debe atravesar el resto de módulos de manera que el aumento de potencia se basa en el mantenimiento de la intensidad que puede dar un módulo y la suma del voltaje de los módulos conectados. Estas conexiones nunca se pueden hacer con módulos de diferentes potencia nominal, una variación bajista en el valor de la intensidad de una unidad producirá una reducción en la potencia ofrecida de cada uno de los módulos conectados en serie.

Normalmente se hacen conexiones serie para conseguir voltaje en circuito abierto de 24 a 450 V en instalaciones de conexión a red. Estas tensiones de trabajo se condicionan principalmente por los valores de funcionamiento, entrada DC, de los convertidores de red y de bombeo directo.

Es necesario tener en cuenta que superar los 48 V en corriente continua equivale a disponer de un voltaje peligroso para las personas, que obliga a extremar las condiciones de seguridad y aislamiento.

Conexión en paralelo:

Este tipo de conexión se basa en conectar juntos los terminales positivos de todos los módulos y por otra parte todos los terminales negativos. Finalmente la salida será entre el terminal positivo común y el negativo también común.

Ejemplo: conexión de dos módulos con dos cajas de conexión cada uno en paralelo.

Conexión paralelo

En la conexión paralelo la intensidad eléctrica generada en el módulo fotovoltaico se suma a la generada por los otros módulos de manera que el aumento de potencia se basa en el mantenimiento del voltaje que puede dar un módulo y la suma de intensidades generadas voltaje de los módulos conectados.

Normalmente se hacen conexiones paralelas hasta tener intensidades 50 o 60 A en instalaciones autónomas de electrificación y bombeado y de líneas de módulos conectados en serie en instalaciones de conexión a red.

El aumento de intensidad produce un aumento de las pérdidas por efecto joule (calentamiento de los conductores) de forma cuadrática P = R*12 hecho que obliga a montar conductores de muchas sección por tal, que puedan soportar intensidades elevadas.

Es necesario tener en cuenta que no podemos superar la intensidad máxima admitida por el reglamento electrotécnico de baja tensión para cada sección del conductor.

Conexión mixta:

A menudo en las instalaciones solares hace falta combinar conexiones serie paralelo debido a que queremos trabajar en un voltaje determinado y tendremos un número concreto de módulos en estos casos conectados en serie número de grupo de módulos (conectados en paralelo) necesarios para lograr el voltaje de funcionamiento.

Elementos de protección en el conexionado de módulos

Protección en caso de sombreado:

Las instalaciones conectadas a red trabajan generalmente con voltajes de campo de captación elevados, esto obliga a la utilización de conexiones serie. Cómo estos tipos de conexión implica que la corriente de cada agrupación de módulo circula a través de todos los que la forman en caso de sombreado de un módulo, este tendría de absorber la potencia generada por el resto.

El hecho de convertirse en consumidora de energía en vez de productora provocan sobrecalentamiento considerable en las células fotovoltaicas sombreadas. este calentamiento puede llegar a deteriorar el material encapsulado incluso a fundir las pistas conductoras y las soldaduras de conexión.

Por tal de evitar este problema los fabricantes o en su defecto el instalador debe colocar diodos de derivación o bypass en anti-paralelo con el módulo grupo de celular a proteger.

Protección contra sobretensiones:

Cuando se trabaja en intemperie como suele pasar con los campos de captación solar fotovoltaica, las descargas eléctricas y el consecuente aumento de voltaje son una de las principales causas de avería grave del sistema en general.

La manera de minimizar estos efectos es la colocación en paralelo con el campo o subcampos de resistencia de valor variable con el voltaje o varistores. estos elementos presentan en funcionamiento nominal una elevada impedancia hecho que las convierte prácticamente en inexistentes.

En el momento que el voltaje aumenta por encima del nominal los varistores reducen su valor resistente convirtiéndose en verdaderos cortocircuitos que evitan las sobretensiones.

Protecciones contra sobreintensidades:

Se trata de una protección del convertidor y se hace colocando un grupo de fusibles rápidos a su entrada en corriente continua procedente del campo. generalmente estos fusibles se integran en elementos seccionadores de campo que permiten abrir el circuito en prácticas de mantenimiento.

Acumuladores de energía eléctrica

En las instalaciones de suministro de electricidad de manera autónoma la energía captada durante las horas de sol se da de almacenar por tal de poder cubrir el suministro en las horas de insolación (ciclo diario). Esta función la desarrolla habitualmente un acumulador electroquímico o batería.

La principal característica de los acumuladores es su capacidad para ser cargados y descargados bastantes veces. Además los acumuladores deben tener la suficiente capacidad como para asegurar el suministro de electricidad durante períodos más o menos largos de nubosidad abundante.

Funciones básicas de los acumuladores en instalaciones solares:

• Suministrar una potencia instantánea superior a la de los módulos solares.
• Mantener estable el voltaje de la instalación.
• Suministrar energía en una ausencia de radiación (noches días nubes ciclaje diario y estacional).

Batería ciclo profundo de descarga

Regulación del proceso de carga de las baterías

El regulador de carga es el encargado de que tanto el proceso de carga como descarga de los acumuladores se realice de forma que el acumulador esté siempre dentro de las condiciones correctas de funcionamiento.

En el mercado existen reguladores de carga de diferentes fabricantes y con diferentes prestaciones. A continuación se detallan las prestaciones más habituales de los reguladores de carga empleados en instalaciones solares autónomas (qué son las que traen acumulación).

• Protección contra sobrecarga (corte por alta). Esta es la función básica del regulador puesto que de esta manera se evita el calentamiento de la batería la pérdida de agua del electrolito y la oxidación de las placas.
• Alarma por batería baja. Consisten en indicadores sonoros y luminosos que indican que el acumulador está bastante descargado. a partir de este momento el usuario tiene la posibilidad de moderar su consumo evitando una descarga excesiva del acumulador.
• (Corte por baja). esta función hace el regulador corte el suministro de corriente eléctrica hacia los consumos si el nivel de carga del acumulador es demasiado bajo y por lo tanto corre el peligro de una descarga profunda, hecho que originaría problemas de sulfatación.
• Protección contra cortocircuitos. esta función permite mediante un fusible proteger el propio regulador así como a la salida del acumulador de sufrir intensidades elevadas en caso de cortocircuito en alguno de los circuitos de consumo de la instalación.
• Visualización de funciones. la mayoría de los reguladores del mercado tienen algún sistema visual que permite obtener alguna información sobre el estado de la instalación bien sea simplemente con unos indicadores de si los módulos fotovoltaicos están dando intensidad si la batería está cargada o descargada.

Regulador de carga

Datos característicos importantes a la hora de seleccionar un regulador:

• El voltaje de funcionamiento. éste ha de ser el mismo que el de la batería (12,24,48 v)
• La intención máxima de carga. esta de ser de al menos un 10% de la máxima intensidad de carga que pueden proporcionar los módulos fotovoltaicos de la instalación.

Tipos de regulador de carga en función del principio de su funcionamiento:

• Reguladores del tipo paralelo.
• Reguladores del tipo serie
• Reguladores con seguimiento del punto de máxima potencia.

Convertidores de energía eléctrica cc/ca para aplicaciones autónomas (en isla)

En el nacimiento de la energía solar fotovoltaica instalaciones de electrificación empleaban la electricidad para los consumos al mismo voltaje, y forma de onda que le suministraron los módulos solares y los acumuladores es decir (12,24, o 48 V de corriente continua). Esto marca una gran diferencia con los usuarios que disponían de red eléctrica o de grupos electrógenos (230 V de corriente alterna).

El mercado de los electrodomésticos se adoptaron la mayoría de los usuarios por lo tanto podemos encontrar cualquier aparato para funcionar a 230v en cambio conseguir electrodomésticos  fiables, de calidad y un precio razonable que funcionan a bajo voltaje y corriente continua es casi imposible.

El adelanto de la electrónica de potencia ha facilitado la construcción de aparatos convertidores de corriente continua a corriente (cc/ca) denominados inversores o onduladores en función de si su salida más o menos parecido a la onda sinusoidal suministrada por la red eléctrica.

Inversor

Características principales que definen un convertidor:

• Voltaje/tensión nominal de entrada (vcc). Este valor ha de ser igual al del acumulador (12, 24 o 48 v).
• Voltaje de salida (VCA). Ha de ser normalizado (230 V en Europa) y 115 V a algunos países del Norte y Centro América.
• Potencia nominal (KW). Es la potencia máxima que puede suministrar el inversor en funcionamiento continuo. Las potencias grabadas pueden ser varias, de 150 W a 10 KW. Existen en el mercado fabricantes con tecnología aplicada y destinada a la adaptación de varios equipos hacen suma de potencias (por encima de los 10 KW) o adaptarlos a necesidades de consumo en trifásica.
• Estabilidad del voltaje de salida. Debe mantenerse, como máximo, alrededor del (10%) que es el valor que las normas admiten para el voltaje de las redes eléctricas convencionales.
• Tipos de onda. Existen diferentes posibilidades.

Convertidores de energía eléctrica cc/ca para conexión a red

Funcionamiento de la instalación:

Una instalación solar conectada a la red tiene tan sólo tres elementos básicos.

• Un grupo de placas solares.
• un ondulador o inversor convertidor electrónico que transforma la energía en forma de valor que el transportado por la red eléctrica.
• El cuadro de interconexión con la red comercial.

En santa fe la empresa provincial de la energía ya publicó los protocolos que determinan los circuitos y tipologías necesarias para conectarse en paralelo la red domiciliaria con circuito monofásico hasta 5kw o trifasicos hasta 15 kw.

El circuito solar produce energía eléctrica en función de la radiación solar incidente en cada momento del día por lo tanto los valores de generación grabados variará según la hora del día época del año y la meteorología. toda esta energía es contabilizada e insertada a la red comercial portal que sea consumida por cualquier usuario lo más probable es que sean los más próximos a los mismos abonados del propio edificio.

Por lo tanto el usuario casa o edificio pasa a ser un consumidor de energía eléctrica y una central generadora todo a la vez.

Tensiones de trabajo:

En la parte solar tensión continua hay diferentes configuraciones en las conexiones serie paralelo de los módulos por obtener valores de trabajo en corriente continua. Dependen del inversor escogido , los voltajes de trabajo pueden ser desde los 100 V hasta el 600 Vcc. En todo caso por optimizar el sistema se tiende a voltajes medios del orden de los 350 Vcc, dónde es verificable la reducción de intensidad, (entre 4 y 15 A), hacia la cantidad de módulos en las series y su voltaje medio por unidad, 33VCC, dentro de su punto de máxima potencia.

Inversor con conexión a red

Arquitectura de los inversores de onda sinusoidal:

En cualquier proyecto fotovoltaico de conexión a red, el inversor es el corazón del sistema. Es muy importante tener claro las características técnicas, potencia, rangos de trabajo, tensión DC-AC, frecuencia y potencia máxima de salida. Recordamos que la potencia acumulada por la cantidad de inversores determinará la potencia nominal de la planta como cualquier sistema fotovoltaico conectado ala red.

Como sistema fotovoltaico de conexión a la red, podemos encontrar todo un abanico de equipos en potencias nominales por su utilización. El sistema donde ya se instalan más de 50 KWP los equipos pueden ser de potencias nominales de 10 KW en lo sucesivo. Aunque básicamente se escogen los equipos que tengan en su característica técnica las máximas protecciones establecidas por la normativa existente, de forma que derive en un aumento de la seguridad del sistema y reduzcan en general costo de instalación.