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Principales Elementos de la Instalación.

ÍNDICE:

1. GENERADOR FOTOVOLTAICO.

2. INVERSOR.

3. PROTECCIONES.

4. ESTRUCTURA.

1.GENERADOR FOTOVOLTAICO.

Figura 1: Panel policristalino.

Un generador fotovoltaico comprende una variedad de componentes tales como: Módulos, estructuras de soporte, diodos de “bypass”, diodos de bloqueo, fusibles, cables y terminales, dispositivos de protección contra sobretensiones (varistores), seccionadores o interruptores y cajas de conexión.

Figura 2: Esquema de un panel.

Los módulos pueden, en principio, tener cualquier tipo de asociación de células en serie o paralelo aunque la mayoría de los comerciales disponibles tienen 20 V de tensión de circuito abierto (VOC) y, aproximadamente, 3 A de corriente de cortocircuito (ISC) en condiciones normales de prueba (SRC: Standard Test Conditions).

A la asociación de varios módulos en serie se le denomina “hilera” o rama. En hileras de módulos con tensiones de circuito abierto más altas que 30 V, es necesario instalar en antiparalelo con ellas, diodos de “bypass” que permiten un camino alternativo a la corriente alrededor de una asociación serie de células cuando alguna de las células que conforman dicha hilera está parcialmente sombreada o destruida. Normalmente los fabricantes de módulos incorporan en cada módulo uno o dos de estos componentes.

Los diodos de bloqueo, se instalan en serie con cada hilera o conjunto de hileras para prevenir las pérdidas debidas a la inversión de corriente cuando el generador fotovoltaico está conectado a una fuente de tensión como por ejemplo una batería, en situación de no iluminación, de noche. No obstante, para el caso de los módulos de silicio mono y multicristalino, suele ser mayor la energía perdida por caída de tensión en funcionamiento normal por lo que su uso en general, está desaconsejado, aunque en el caso de grandes instalaciones, cuando existen muchas ramas en paralelo, es conveniente disponer en serie con cada rama de un diodo de bloqueo para impedir que las ramas menos iluminadas actúen como cargas de las más iluminadas, en situación de cielo parcialmente nublado.

Los fusibles protegen a los conductores de sobrecorrientes y se pueden instalar cuando el generador fotovoltaico está compuesto de varias hileras o ramas en paralelo, en el conductor que colecta la intensidad generada en dichas ramas si no tiene la suficiente capacidad para soportar de modo permanente la intensidad de corto circuito, máxima, proveniente del conjunto de dichas ramas, o bien en sistemas fotovoltaicos autónomos cuando un cortocircuito eventual en ella. No obstante, en un diseño adecuado del cableado de un generador fotovoltaico está conectado a red, los cables o conductores que lo conforman deberán tener la suficiente sección para permitir el paso de la máxima corriente generada, intensidad de cortocircuito de la rama o suma de las intensidades de cortocircuito de las ramas en paralelo asociadas, sin sobrecalentarse o sin presentar caídas de tensión según el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión e Instrucciones Complementarias.

Por todo ello, la mayoría de las veces que se utilizan fusibles en serie con las ramas de un generador fotovoltaico, van asociados a seccionadores que permitirán aislar dicho generador fotovoltaico del equipo o equipos a él conectados.

Las cajas de conexión, son también muy importantes y numerosas en el generador fotovoltaico. Una mala conexión debida a un mal apriete del terminal o corrosión de éste por insuficiente estanqueidad de la caja, puede inutilizar una rama o varias y, en el peor de los casos, provocar un fuego.

Otros componentes fundamentales de un generador fotovoltaico en cualquier caso, son los varistores o dispositivos de protección contra sobretensiones producidas por descargas atmosféricas. Estos actúan como verdaderos fusibles de tensión y se instalan en general entre los terminales positivo y negativo de una rama o asociación de ramas y entre cada uno de dichos terminales y la tierra de todas las masas metálicas del generador o sistema fotovoltaico: Estructura y marcos metálicos de módulos, carcasas de cuadros eléctricos, etc. Van tarados a una determinada tensión y son aislantes hasta que se llega a dicha tensión, momento en el que pasan a conducir, quedando inutilizados después de su actuación por lo que es necesaria su sustitución.

Finalmente, la  estructura soporte del generador fotovoltaico sirve para unir y dotar de rigidez la asociación serie/paralelo de módulos que lo componen. Deberá estar diseñada para soportar todas las cargas mecánicas que pudieran presentarse en cada caso: viento, nieve, contracciones y dilataciones por cambios de temperatura, etc.

En viviendas fotovoltaicas conectas a red, en las que los módulos conforman, como elementos estructurales integrados, parte de la cubierta o fachada sur, la estructura soporte de módulos deberá estar dispuesta de tal modo que garantice una perfecta estanqueidad, permitiendo en todo caso la reposición o sustitución de cualquier módulo, fácilmente.

2. INVERSOR.

Figura 3: Inversor de 100 kW.

El dispositivo fundamental de un sistema fotovoltaico conectado a red es el inversor. Funciona como interfase entre el generador fotovoltaico y la red eléctrica. De este modo, el sistema fotovoltaico conectado a red forma parte de los sistemas de generación que alimentan dicha red.

El inversor debe seguir la frecuencia a la tensión correspondiente de la red a la que se encuentre conectado. La forma de onda de la corriente de salida del inversor deberá ser lo más senoidal posible para minimizar el contenido en armónicos inyectados a red. Se recomiendan los valores incluidos en la norma CEI 555/1/2/3 (Comité Electrotécnico Internacional) equivalente a la norma CENELEC EN 60 555/1/2/3 (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) y equivalente a su vez a la norma AENOR UNE- 806-90/1/2/3. El contenido de esta norma incluye la distorsión armónica máxima en corriente, en % sobre la fundamental, dependiendo del número de orden del armónico, producida por un receptor conectado a la red.

Por supuesto, estos valores se consideran válidos cuando no existe distorsión armónica en la onda de tensión proveniente de la red.

Ya que la potencia disponible del generador fotovoltaico varía con la irradiancia y temperatura de trabajo de las células que lo componen, el inversor deberá extraer la máxima potencia posible del generador fotovoltaico. Esto se consigue con un dispositivo que normalmente suelen incorporar este tipo de equipos, denominado
“seguidor del punto de máxima potencia” (Maximum Power Point Tracker – MPPT), dispositivo electrónico incorporado en el inversor y que varía cada determinado tiempo, de uno o varios minutos, la tensión de entrada del inversor (o tensión de salida del generador fotovoltaico) hasta que el producto VxI de salida, potencia de salida, del generador fotovoltaico se hace máximo.

En resumen, los inversores al utilizar sistemas fotovoltaicos conectados a red deben reunir las siguientes características generales: Alta eficiencia en condiciones nominales (> 90 %), así como en condiciones de baja insolación (>80 % para valores de irradiancia ≥ 150 MW/cm2); bajo contenido en armónicos de intensidad (THD < 5 %); gran fiabilidad, peso reducido, bajo nivel de emisión acústica, etc.

2.1 Requerimientos de los inversores conectados a red.

Para la compañía eléctrica la seguridad y la calidad de la potencia son los puntos más importantes. El flujo de energía eléctrica normalmente siempre va en el sentido de las cargas, cuando un consumidor deja de consumir, no suele ser normal que comience a inyectar energía a red.

Existen diferencias entre la operación de autoproductores con generadores dinámicos y con generadores estáticos (inversores). A continuación se detallan los requerimientos normalmente exigidos a estos últimos:

- El sistema fotovoltaico parte como un componente de la red eléctrica.

- El inversor debe cumplir las especificaciones de la red eléctrica.

- La seguridad de los operadores debe tenerse siempre en cuenta (pueden existir partes activas desconocidas).

- Los sistemas fotovoltaicos no deberán entregar energía a una línea sin protecciones.

- La desconexión del inversor debe ser automática en cuando aparezca un fallo.

- Deberá existir un punto de fácil desconexión (contactos) que sea accesible a los empleados de la compañía eléctrica.

- Los inversores deberán operar con factor de potencia unidad.

- Se deberá efectuar aislamiento eléctrico entre los sistemas fotovoltaicos y la red.

En la mayoría de los casos el inversor deberá estar desconectado en segundos a partir de la detección de alguna falta. La mayoría de los inyectores no están preparados para operar sin tensión de red (modo isla), por ello la mayoría de las compañías solo permiten conectar un sistema fotovoltaico a la red si se instala una relé de tensión trifásico. El inversor deberá desconectarse de la red a través del relé si la tensión crece o disminuye por encima de unos límites predefinidos. El rango recomendado es del 80 – 110 % de la tensión nominal.

Las tres fases deberán ser monitorizadas de cara a detectar pérdidas de la tensión de red. Así si un inversor monofásico puede mantener la tensión estable en una fase (modo isla) el relé de tensión deberá detectar el fallo en las otras dos fases y desconectar el inversor.

También si la señal de salida del inversor excede de las condiciones predefinidas para la operación (sobre/subtensión, sobre/subfrecuencia) el inversor debe desconectarse automáticamente de la red. Se posibilitará la nueva conexión después de un cierto tiempo (3 minutos normalmente), tiempo que el sistema de control y protección de red espera para intentar una nueva conexión.

2. 2 Compatibilidad con la red.

En la conexión en alterna de un inversor conmutado por red, no hace falta un control directo. En control de la demanda de energía reactiva y quizá inyección armónica viene dado, debido esencialmente a la independencia del inversor y su control. En el caso de un inversor autoconmutado, la tensión de alterna del inversor puede ser controlada independientemente de las condiciones de la entrada en continua si la demanda de reactiva (o entrega) esta controlada, y el control de flujo de potencia activa es perfecto mediante el ajuste de las fases de voltaje respecto de la red. Así, el parámetro más importante del lado de continua, la potencia del campo fotovoltaico, se puede controlar en la conexión alterna del convertidor de potencia autoconmutado.

2.3 Calidad de la señal.

Las dos principales cuestiones técnicas a tener en cuenta en un inversor desde el punto de vista de calidad de la señal son el factor de potencia y la distorsión armónica. Normalmente, los inversores conmutados por red, operan con factores de potencia significativamente menores de la unidad, cosa que en las conexiones a red se debe evitar. La cuestión es que con factores de potencia bajos el inversor demandará a la red energía reactiva (VAR), afectando a la tensión del sistema, lo cual puede degradar la calidad del servicio eléctrico de los demás consumidores conectados a ella. Además, esto es poco deseable para la compañía eléctrica ya que no puede ser razonable que se espere que ésta cargue con los costes de suministrar potencia reactiva mientras no se le compra potencia activa, o quizá incluso tener que comprar potencia activa si es un autogenerador.

La demanda de energía reactiva ya sea debido a cargas o inversores, puede ser aceptada si la compañía eléctrica cobra dinero al propietario de la instalación autogeneradora por el consumo de la potencia reactiva. Las leyes que regulan los contratos entre la compañía eléctrica y el consumidor no permiten hacer esto. Por ello, un factor de potencia unidad en el punto de conexión y la salida del convertidor es lo que las compañías eléctricas desean.

El contenido armónico en la señal de salida de un inversor para uso fotovoltaico es difícil de fijar debido a que no hay mucha información disponible. Las regulaciones prevén alguna forma de aislamiento. Segundo, el autogenerador y la compañía eléctrica deberán utilizar protecciones que logren interrumpir corrientes de fallo en continua. En tercer lugar, un fallo en el inversor con niveles de continua puede saturar el transformador de distribución y causar mal funcionamiento del servicio a otros abonados, así que tanto en el mismo transformador como en la misma línea, los dispositivos de protección se deben disparar inmediatamente. Todas estas áreas conciernen sobretodo a la compañía eléctrica.

La detección y señalización de fallos en la conexión campo fotovoltaico al inversor es difícil ya que normalmente se producen pequeñas corrientes de cortocircuito y los dispositivos de interrupción ante faltas en continua como contactores son caros y tienen una vida útil corta. Así, como el campo fotovoltaico no daña al inversor, es éste mismo el que se ocupa a menudo de detectar y señalizar la mayoría de los fallos en el lado de continua. Esto último no quiere decir que no se puedan producir fallos irremediables en el inversor, un corto entre los terminales del campo a través de los dispositivos de conmutación por ejemplo. Existen plantas piloto que han convertido esta posible situación en una operación de desconexión normal.

3. PROTECCIONES.

Los inversores de potencia actuales suelen incluir el control de todo el sistema. Esto incluye detectar que el campo fotovoltaico tiene suficiente potencia como para poder conectarse a la red, cerrando en ese momento un contactor y comenzando a operar tan pronto como haya luz.

Por la noche el inversor deberá estar totalmente desconectado. La lógica de control del inversor incluirá un sistema de protección que detecte situaciones de funcionamiento anormales como son:

1)   Falta a tierra en continua.

2)   Condiciones anormales en red (tensión de línea, frecuencia).

3)   Pérdidas en una fase.

4) Parada del inversor cuando la etapa de potencia se sobrecaliente.

5)  El inversor igualmente deberá ser protegido entre transitorios de tensión mediante varistores en el lado de continua y alterna.

Debido al hecho de que cada vez son mas los inversores que operan con altas frecuencias de conmutación, 20 kHz o más utilizando PWM, se obtienen distorsiones armónicas bajas y factores de potencia cercanos a la unidad, por otro lado se causan interferencias en la región de RF. Esto es importante sobretodo en inversores operando en baja tensión, fotovoltaica en viviendas.

Los armónicos debidos a la frecuencia de conmutación del inversor pueden interferir con frecuencias utilizadas en equipos de telecomunicaciones (radio, televisión, teléfonos). Para evitar estas interferencias, los inversores suelen suprimir los armónicos mediante filtros y protecciones apropiadas.

Además de las protecciones ya comentadas sobre el inversor, un sistema fotovoltaico conectado a red debe incluir una serie de protecciones, tanto en la zona de continua como en la de alterna que garanticen su buen funcionamiento al par que un nivel de seguridad para le usuario y personal de mantenimiento, semejante a los sistemas eléctricos de generación/consumo convencionales.

En la zona de continua, en lo que a tierras se refiere, existe una controversia mantenida sobre las ventajas y desventajas de la puesta a tierra de masas metálicas y conductores polares. Así, en la zona de continua y desde el punto de vista de funcionamiento del sistema, una buena toma de tierra, resistencia de tierra < 2 Ω , de la estructura soporte, aseguraría un buen camino para la corriente causada por una descarga atmosférica que se produjera accidentalmente sobre ella. Por tanto, en la mayoría de los casos y sobre todo en las zonas de riesgo de este tipo de fenómenos, la estructura soporte o las marcas metálicas de los módulos, así como todas las carcasas metálicas del equipamiento eléctrico incluido en un sistema de estas características, han de ponerse a tierra, a menos que exista o se instale un pararrayos que proteja el área en la que dicha estructura soporte fuera instalada, debido a la posibilidad de acoplamiento vía tierra.

Sobre la puesta a tierra de las partes activas del generador fotovoltaico, polo positivo o negativo, también existe controversia. En el artículo 690-41 del Reglamento Electrotécnico de EE UU (NEC-National Electrical Code) se explícita que uno de los polos activos de un generador fotovoltaico han de ponerse a tierra. Sin embargo, en Europa, es práctica común, dejar el circuito en flotación, instalando varistores para protección contra sobretensiones.

Asimismo, desde el punto de vista de la seguridad personal, para prevenir choques eléctricos en usuarios o personal de mantenimiento cuando la tensión del sistema es cercana o superior a 100 V c.c.; es muy recomendable, sobre todo en instalaciones en las que el generador fotovoltaico es accesible, por ejemplo: fachadas, cubiertas accesibles, centrales fotovoltaicas, etc., instalar entre cada polo del sistema y tierra, un dispositivo suficientemente sensible, 100 mA, que detecte corrientes de fugas del sistema a través de tierra y en caso de contacto, actúe, cortocircuitando el sistema a tierra.

Además, dicho mecanismo debe poder actuarse manualmente con el mismo fin para evitar cualquier riesgo de accidente durante las labores de mantenimiento correspondiente.

Otra forma de disminuir el riesgo de choque eléctrico cuando la tensión del generador fotovoltaico está por encima del 100 V consiste en poner a tierra, a un punto intermedio de las ramas a modo de divisor de tensión.

Si la tensión de circuito abierto del generador fotovoltaico es igual o menor a 100 V (25 ºC, 1000 W/m2), no sería necesaria la instalación de ningún dispositivo como los descritos, incluso si los módulos son accesibles.

En la zona de alterna, a la salida del inversor, siempre es conveniente poner un transformador de aislamiento galvánico en el que y para suministro trifásico, su neutro podría ir también conectado a tierra o flotante. En suministro monofásico, instalaciones domésticas, < 5 kW., no es preciso la puesta a tierra del neutro. Por supuesto, en todos los casos es imprescindible protección diferencial contra contactos indirectos. También es necesaria la instalación de dos relés, uno de máxima y otro de mínima tensión que actúen sobre un interruptor automático de desconexión.

Además, tanto en la zona de continua como en la de alterna se instalarán, en todos los casos, disyuntores magnetotérmicos.

A continuación, se resumen las características técnicas generales en cuanto a funcionamiento y protecciones, que deben reunir los sistemas fotovoltaicos de potencia > 5kW, conectados a la red nacional, tanto debajo como en alta tensión, incluyendo los límites en fluctuación de tensión y frecuencia que la propia red puede tener.

- Fluctuación de tensión: La tensión debe mantenerse entre el 85 % y el 110 % de su valor nominal.

- Fluctuaciones de frecuencia: La frecuencia debe mantenerse entre 49 y 51 Hz para el adecuado funcionamiento del sistema fotovoltaico.

- Compensación del facto de potencia, cos φ> 0,86 (inductivo).

- Caída de tensión máxima permitida ∆V = 5 % Vnominal.

- Distorsión total armónica máxima: THD < 5 %.

- Protecciones mínimas necesarias:

1) Para conexión en baja tensión:

1.- Contra sobrecargas y cortocircuitos (3 relés).

2.- Contra sobre y subtensiones fuera de los límites anteriormente establecidos, con rearme manual (3 relés).

3.- Contra desequilibrios en la red de más del 7 % en cualquier sentido (1 relé).

4.- Contra variaciones de frecuencia fuera de los límites mencionados (2 relés, una para subfrecuencia y otro para sobrefrecuencia).

2) Para conexión en alta tensión:

Además de las protecciones descritas para baja tensión:

1.- Protección de fallo a tierra, contra sobretensiones homopolares (1 relé de tensión en el neutro en sistemas de neutro aislado).

También y en relación a la norma IEC TC82 respecto a seguridad:

Los fallos internos del sistema fotovoltaico no deben afectar el funcionamiento de la red a la que se encuentran conectados.

Coordinación con los sistemas de protección de la red a la que se conecten.

Cuidado especial en las operaciones aisladas.

Otras condiciones:

1.- Reconexión a la línea después de 3 minutos si la tensión está por encima del 85 % de la nominal.

2.- Si existen varios generadores, la reconexión se realizará a intervalos de 10 segundos.

Datos requeridos de las interfases:

Autogenerador.

1.- Tipo de energía y condiciones legalmente vigentes.

2.- Localización, instalación y potencia.

3.- Nivel de cortocircuito en el punto de conexión.

-     Red eléctrica.

1.- Punto de conexión.

2.- Límites de valor de tensión.

3.- Máxima y mínima capacidad de corto en cortocircuito.

4.- Existencia de secuencia automática de reconexión.

-     Especificaciones técnicas:

Capacidades permitidas de inversores:

Baja tensión: 100 kVA o la mitad de la capacidad de la línea.

Alta tensión: 5000 kVA o la mitad de la capacidad de la línea.

4. ESTRUCTURA.

Es el elemento encargado de soportar los paneles, para su diseño normalmente no se tendrán que realizar grandes cálculos, ya que las empresas fabricantes dan todo listo, incluso algunas tiene programas para el dimensionando de la instalación dando incluso el número de tornillos necesarios y solo se tendrá que montarlo, por lo que como mucho se tendrá que calcular la cimentación en caso de realizarlo sobre terreno. Las estructuras pueden ser de los siguientes tipos.

4.1 Estructuras fijas sobre terreno.

Las estructuras fijas sobre terreno suelen ser estructuras de celosía para ser lo más ligeras posibles y para ahorrar en materiales, sus sistemas de anclaje pueden ser cimentación a través de cemento la más común o ancladas por bloques de hormigón, esto dependerá de la zona donde se halle la instalación, ya que los paneles hacen efecto vela y con las  grandes superficies que abarcan se corre el peligro de que se vuelque la instalación. Su precio suele ser barato.

Figura 4: Esquema estructura fija sobre terreno.

4.2 Sobre seguidores.

Existen múltiples modelos de muy diferentes tamaños que van desde unos pocos kilowatios hasta 100 kilowatios. Con los seguidores lo que se consigue es un aumento del rendimiento de la instalación ya que los paneles siempre están orientados  perfectamente hacia el Sol, su principal problema radica en su mayor coste inicial, ya que son más caras que las estructuras fijas, pero debido al aumento de rendimiento se compensa con las ganancias obtenidas.

Figura 5: Pequeños seguidores de un huerto solar.

4.3 Sobre tejado.

En algunos sitios es posible colocar las instalaciones fotovoltaicas sobre tejados, estos lugares son grandes naves industriales, centros comerciales o cualquier sitio que tenga una amplia cubierta disponible y que reúna los requisitos de ser capaz de soportar el peso de la instalación. Para la colocación de los paneles sobre las cubiertas existen diferentes sistemas según el tipo de cubierta, a continuación se mencionan algunos.

1. Estructuras integradas sobre tejados de chapa. Este sistema sirve para aprovechar tejados de chapa plana, con buena inclinación y orientación. Con este método solo se deben instalar unos carriles donde irán enganchados los paneles, es un sistema barato y sencillo.

2. Estructuras sobre tejados planos de hormigón. Este sistema se usa en naves o edificios con tejados planos de hormigón, el equipo esta compuesto por un elemento metálico que es donde ira agarrado el panel con la inclinación adecuada, ya que el tejado es plano, y un bloque de hormigón que servirá de anclaje. Su principal problema es el peso de los bloque de hormigón sobre el tejado por lo que habrá que tener cuidado y saber cuando peso puede soportar dicho tejado.

3. Estructuras de anclaje sobre tejados de teja mediante grapas. Es un sistema barato y sencillo, consiste en unas agarraderas metálicas que van atornilladas al tejado, debajo de las tejas, que a su vez van atornilladas al panel. Se emplea en tejados con una buena orientación e inclinación.

4. Estructuras sobre tejados planos de hormigón 2 paneles. Este sistema consiste en una estructura metálica capaz de soportar dos paneles en el ángulo óptimo de inclinación, va atornillada al suelo, sus principales defectos son la sombra que produce reduciendo el espacio útil y su efecto vela, lo que desaconseja su instalación.

5. Estructuras sobre tejados planos de hormigón 1 panel. Este sistema como el anterior consiste en una estructura metálica que da la inclinación óptima a los paneles en tejados planos, su principal diferencia es que solo puede albergar un panel inclinado, pero su ventaja es menor sombra y menor efecto vela.

6. Estructuras sobre tejados de chapa plana. Este sistema es casi igual al anterior pero para repartir el peso de la estructura sobre el tejado se utilizan unos carriles donde irá enganchada la estructura.

7. Estructuras sobre tejados inclinados de chapa. Para el anclaje en tejados de chapa ondulada, con la adecuada inclinación y orientación se utilizan unas grapas parecidas al sistema para anclarlos a tejados de teja.

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