TEMA 4 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A RED

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1 TEMA 4 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A RED P.J.Pérez 2008

2 Índice Introducción Módulos o paneles fotovoltaicos CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL PANEL FOTOVOLTAICO COMPORTAMIENTO DEL PANEL FOTOVOLTAICO TIPOS DE CELULAS USADAS EN LOS MODULOS CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Inversores fotovoltaicos ELEMENTOS ESPECÍFICOS DE LOS INVERSORES PARA SFCR TIPOS DE INVERSORES EFICIENCIA DE LOS INVERSORES ESPECIFICACIONES DE LOS INVERSORES Tipos de SFCR Dimensionado básico de un SFCR Cálculo de energía generada por el sistema Universidad de Jaen 2 Curso 2007/2008

3 TEMA 4.- SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A RED Introducción. Un SFCR es aquél que dispone de módulos fotovoltaicos para la conversión directa de la radiación solar en energía eléctrica, sin ningún paso intermedio, y que normalmente trabaja en paralelo con la empresa distribuidora. A menudo estos sistemas se instalan en edificios, en cuyo caso se denominan Edificios fotovoltaicos conectados a la red. Antes de la aparición del Real Decreto 2818/1998, la legislación vigente permitía vender únicamente el excedente entre la producción del sistema fotovoltaico y el consumo de la vivienda. Sin embargo, esta situación ha cambiado radicalmente a causa de dicho decreto, por el cual es posible que toda la potencia eléctrica que el inversor entrega a su salida se inyecte (venda) en la red y que el consumo total de la vivienda se extraiga (compre) de la red. Un SFCR está formado básicamente por el generador fotovoltaico o conjunto de módulos interconectados y el inversor o equipo encargado de convertir la potencia continua disponible a la salida del generador en potencia alterna con las características de la red eléctrica convencional. Además, debe disponer de una estructura de soporte de los módulos y los elementos necesarios de protección y medida. Figura 9.- Esquema general de un SFA Universidad de Jaen 3 Curso 2007/2008

4 Ejemplo 1: Proyecto: UNIVER Ciudad: Jaén (ES) Características: Aparcamientos Monocristalino - Conectado a red 140 kwp Ejemplo 2: Características: Barrera de sonido Monocristalino - Conectado a red Universidad de Jaen 4 Curso 2007/2008

5 4.2- Módulos o paneles fotovoltaicos Un panel solar esta constituido por varias células iguales conectadas eléctricamente entre si, en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor parte de los paneles solares se construyen asociando primero células en serie hasta conseguir el nivel de tensión deseado, y luego asociando en paralelo varias asociaciones serie de células para alcanzar el nivel de corriente deseado. Además, el panel cuenta con otros elementos a parte de las células solares, que hacen posible la adecuada protección del conjunto frene a los agentes externos; asegurando una rigidez suficiente, posibilitando la sujeción a las estructuras que lo soportan y permitiendo la conexión eléctrica. Figura 15.- Estructura panel fotovoltaico Universidad de Jaen 5 Curso 2007/2008

6 Estos elementos son: - Cubierta exterior de cara al Sol. Es de vidrio que debe facilitar al máximo la transmisión de la radiación solar. Se caracteriza por su resistencia mecánica, alta transmisividad y bajo contenido en hierro. - Encapsulante. De silicona o más frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es especialmente importante que no quede afectado en su transparencia por la continua exposición al sol, buscándose además un índice de refracción similar al del vidrio protector para no alterar las condiciones de la radiación incidente. - Protección posterior. Igualmente debe dar rigidez y una gran protección frente a los agentes atmosféricos. Usualmente se emplean láminas formadas por distintas capas de materiales, de diferentes características. - Marco metálico. De Aluminio, que asegura una suficiente rigidez y estanqueidad al conjunto, incorporando los elementos de sujeción a la estructura exterior del panel. La unión entre el marco metálico y los elementos que forman el modulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo del panel. - Cableado y bornas de conexión. Habituales en las instalaciones eléctricas, protegidos de la intemperie por medio de cajas estancas. - Diodo de protección. Su misión es proteger contra sobre-cargas u otras alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel. Los Panel solares tienen entre 28 y 40 células, aunque lo más típico es que cuenten con 36. La superficie del panel o modulo puede variar entre 0.1 y 0.5m 2 y presenta dos bornas de salida, positiva y negativa, a veces tienen alguna intermedia para colocar los diodos de protección. Normalmente, los paneles utilizados, están diseñados para trabajar en combinación con baterías de tensiones múltiplo de 12V, como veremos en la sección dedicada al acumulador. Universidad de Jaen 6 Curso 2007/2008

7 Figura 16.- Estructura y tipos de módulos fotovoltaico CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL PANEL FOTOVOLTAICO El comportamiento eléctrico de un módulo fotovoltaico, esta representado por su curva característica V-I, obtenida habitualmente bajo unas condiciones estándares de medida 1 de ésta se pueden obtener una serie de parámetros que son necesarios para el diseño de generadores fotovoltaicos, y que a continuación pasamos a describir. Al igual que en la célula solar son importantes los siguientes parámetros: - Potencia máxima o potencia pico del módulo (P maxg ). Si se conecta una cierta carga al panel, el punto de trabajo vendrá determinado por la corriente I y la tensión V existentes en el circuito. Estos habrán de ser menores que los I scg y V ocg que definiremos más adelante. La potencia P que el panel entrega a la carga está determinada por la ecuación genérica: 1 Condiciones Estándar de Medida de Características de Módulos Fotovoltaicos: Irradiancia 1000 W/m 2 Distribución espectral AM 1,5; Incidencia Normal; Temperatura de la célula 25º Universidad de Jaen 7 Curso 2007/2008

8 A su valor más alto se le llama potencia máxima o potencia pico del módulo. Los valores de la corriente y de la tensión correspondiente a este punto se conocen respectivamente como: - I Pmax Intensidad cuando la potencia es máxima o corriente en el punto e máxima potencia. - V Pmax la tensión cuando la potencia también es máxima o tensión en el punto de máxima potencia. Otros parámetros son: - Corriente de cortocircuito (I scg ), que se obtiene al cortocircuitar los terminales del panel (V=0) que al recibir la radiación solar, la intensidad que circularía por el panel es de corriente máxima. - Tensión de circuito abierto (V ocg ), que se obtiene de dejar los terminales del panel en circuito abierto (I=0), entre ellos aparece al recibir la radiación una tensión que será máxima. Dichos parámetros se obtienen en unas condiciones estándar de medida de uso universal según la norma EN Establecidas como sigue y que el fabricante debe especificar: Irradiancia: 1000W/m 2. Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal. Temperatura de la célula: 25ºC Otro parámetro que debería ser suministrado es la TONC o Temperatura de Operación Nominal de la Célula. Dicho parámetro se define como la temperatura que alcanzan las células solares cuando se somete al módulo a las siguientes condiciones de operación: Irradiancia: 800W/m 2 Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal Temperatura ambiente: 20ºC Velocidad del viento: 1m/s Universidad de Jaen 8 Curso 2007/2008

9 COMPORTAMIENTO DEL PANEL FOTOVOLTAICO Una vez conocidos estos parámetros, podemos determinar como afectan diferentes factores a los paneles fotovoltaicos. - La intensidad aumenta con la radiación, permaneciendo más o menos constante el voltaje. Es importante conocer este efecto ya que los valores de la radiación cambian a lo largo de todo el día en función del ángulo del Sol con el horizonte, por lo que, es importante la adecuada colocación de los paneles existiendo la posibilidad de cambiar su posición a lo largo del tiempo, bien según la ora del día o la estación del año. - La exposición al Sol de las células provoca su calentamiento, lo que lleva aparejados cambios en la producción de electricidad. Una radiación de 1000 W/m 2 es capaz de calentar una célula unos 30ºC por encima de la temperatura del aire circundante. A medida que aumenta la temperatura, la tensión generada es menor, por lo que es recomendable montar los paneles de tal manera que estén bien aireados y, en el caso de que sea usual alcanzar altas temperaturas, plantearse la posibilidad de instalar paneles con un mayor número de células. - El número de células por modulo afecta principalmente al voltaje puesto que cada una de ellas produce 0.4V. La V oc del módulo aumenta en esa proporción. Un panel solar fotovoltaico se diseña para trabajar a una tensión nominal V pn, procurando que los valores de V Pmax en las condiciones de iluminación y temperatura más frecuentes coincidan con V pn. Los parámetros bajo los que operan los paneles fotovoltaicos, para una determinada localización, hacen que la característica de voltaje DC de salida varíe dentro de un margen considerable a lo largo de todo el año. La radiación y la temperatura ambiente experimentan además otro tipo de variación debidos a factores diurnos y estacionarios. Universidad de Jaen 9 Curso 2007/2008

10 Figura 18.- Efectos de la irradiancia y la temperatura sobre la característica V-I de un módulo fotovoltaico TIPOS DE CELULAS USADAS EN LOS MODULOS En cuanto a la eficiencia de las diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden indicar ciertos valores aproximados. Para el caso del Silicio monocristalino ésta se sitúa en, aproximadamente entre un 16 y un 25% mientras que en el policristalino actualmente es del 12-13% siendo posible que se eleve a corto plazo en un nivel similar al alcanzado ya para el monocristalino. Universidad de Jaen 10 Curso 2007/2008

11 Como resumen, en relación a la tecnología solar del silicio mono o policristalino, se puede indicar que su situación es madura, pero no obstante existe un amplio aspecto de posibles mejoras, muchas de ellas analizadas y verificadas en profundidad en laboratorios. Otros posibles materiales para la fabricación de células solares es el Silicio amorfo. Esta tecnología permite disponer de células de muy delgado espesor, lo cual presenta grandes ventajas. Adicionalmente su proceso de fabricación es, al menos teóricamente, más simple y sustancialmente más barato. La eficiencia es comparativamente algo menor que en los casos anteriores (6-8%) y todavía no se dispone de datos suficientes en cuanto a su estabilidad. Su principal campo de aplicación en la actualidad son los relojes, juguetes, calculadoras y otras aplicaciones de consumo. Dentro de las aplicaciones energéticas equivalentes a las de la tecnología del Silicio cristalino, su versatilidad es muy adecuada para la confección de módulos semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en edificios. Figura 19.- Tipos de células usadas en módulos comerciales Universidad de Jaen 11 Curso 2007/2008

12 CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS El sistema generador deberá cumplir los siguientes requisitos, si atendemos al pliego de condiciones técnicas del IDAE: 1. Todos los módulos deberán satisfacer las especificaciones UNE-EN para módulos de silicio cristalino, o UNE-EN para módulos fotovoltaicos capa delgada, así como estar cualificados por algún laboratorio reconocido (por ejemplo, Laboratorio de Energía Solar Fotovoltaica del Departamento de Energías Renovables del CIEMAT, Joint Research Centre Ispra, etc.), lo que se acreditará mediante la presentación del certificado oficial correspondiente. Este requisito no se aplica a los casos excepcionales del apartado El módulo fotovoltaico llevará de forma claramente visible e indeleble el modelo y nombre o logotipo del fabricante, así como una identificación individual o número de serie trazable a la fecha de fabricación. 3. Se utilizarán módulos que se ajusten a las características técnicas descritas a continuación. En caso de variaciones respecto de estas características, con carácter excepcional, deberá presentarse en la Memoria de Solicitud justificación de su utilización y deberá ser aprobada por el IDAE. 4. Los módulos deberán llevar los diodos de derivación para evitar las posibles averías de las células y sus circuitos por sombreados parciales y tendrán un grado de protección IP Los marcos laterales, si existen, serán de aluminio o acero inoxidable. 6. Para que un módulo resulte aceptable, su potencia máxima y corriente de cortocircuito reales referidas a condiciones estándar deberán estar comprendidas en el margen del ± 10 % de los correspondientes valores nominales de catálogo. 7. Será rechazado cualquier módulo que presente defectos de fabricación como roturas o manchas en cualquiera de sus elementos así como falta de alineación en las células o burbujas en el encapsulante. 8. Se valorará positivamente una alta eficiencia de las células. 9. La estructura del generador se conectará a tierra. 10. Por motivos de seguridad y para facilitar el mantenimiento y reparación del generador, se instalarán los elementos necesarios (fusibles, interruptores, etc.) para la desconexión, de forma independiente y en ambos terminales, de cada una de las ramas del resto del generador. Universidad de Jaen 12 Curso 2007/2008

13 4.3.- Inversores fotovoltaicos El inversor, para un sistema fotovoltaico conectado a red, es el elemento utilizado para convertir la potencia continua disponible en el generador fotovoltaico en una señal alterna en condiciones de ser inyectada a la red. En general, puesto que a la entrada del inversor se recibe una señal continua que ha de ser transformada en señal alterna, el inversor debe realizar dos funciones principales: en primer lugar, lo que se denomina conmutación y en segundo lugar, lo que se denomina filtrado. Por medio de la conmutación se transforma la señal continua en una señal cuadrada. Para ello se utilizan circuitos de potencia construidos por dispositivos semiconductores que han de funcionar en dos únicos modos: corte y saturación. A estos circuitos también se les denomina sintetizadores. La segunda etapa es el filtrado con el que se consigue una onda senoidal. Para el filtrado se utilizan filtros de potencia constituidos por bobinas y condensadores. Figura 20.- Diagrama de bloques de un inversor convencional Un inversor, en sentido estricto, es un equipo encargado de convertir la energía continua en energía alterna. Sin embargo, el equipo que en un SFCR se denomina inversor es el encargado de realizar las siguientes funciones: Convertir energía continua en energía alterna con una alta eficiencia Realizar el seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico. Protección de la parte de alterna (Anti-islanding) Protección de la parte de continua (Controlador de aislamiento) Monitorización Universidad de Jaen 13 Curso 2007/2008

14 Así, la electrónica de potencia de un SFCR se puede igualar al equipo denominado inversor. Figura 21.- Diagrama de bloques de un inversor para SFCR Para un buen funcionamiento del inversor, éste ha de tener una serie de características de operación: Baja distorsión armónica total Rendimiento elevado. Bajo consumo. Seguimiento del punto de máxima potencia. Protección contra sobretensiones. Aislamiento galvánico o dispositivo similar. No funcionamiento en isla. Conexión / Desconexión automática. Es importante remarcar que los inversores de SFA son diferentes a los inversores de SFCR, y por lo tanto, no se pueden usar en instalaciones distintas de aquellas para las cuales ha sido diseñado. En el caso de los módulos fotovoltaicos, no ocurre esto, ya que son los mismos para ambos tipos de sistemas. Universidad de Jaen 14 Curso 2007/2008

15 ELEMENTOS ESPECÍFICOS DE LOS INVERSORES PARA SFCR Seguidor del punto de máxima potencia Un generador fotovoltaico presenta una curva de Tensión-Corriente, como la mostrada en la figura 19, para una determina radiación y temperatura. En esta curva, solo existe un único punto, llamado punto de máxima potencia (PMP), para el cual el generador entrega la máxima potencia. Figura 22.- Curva típica de Tensión-Corriente de un generador FV El punto de máxima potencia es variable a lo largo del tiempo, ya que la curva de Tensión-Corriente y por lo tanto el PMP, cambia con la radiación y con la temperatura. Este hecho se representa en la figura 20. Figura 23.- Curvas típicas de Tensión-Corriente de un generador FV para diferentes niveles de radiación y temperatura Universidad de Jaen 15 Curso 2007/2008

16 El dispositivo encargado de mantener el generador trabajando en el punto de máxima potencia (PMP) es el seguidor o Maximum Power Point Tracker (MPPT). Este dispositivo se sitúa como un bloque electrónico a la entrada del inversor y esta formado por un convertidor cc/cc y un circuito de control. El sistema de control del MPPT se encarga de supervisar algunos parámetros, por ejemplo la tensión y corriente del generador, y de dar las consignas adecuadas al sistema cc/cc. Estos sistemas de control pueden ser analógicos o digitales y pueden monitorizar una o dos variables del generador para el proceso de búsqueda del PMP. Figura 24.- Diagrama de bloques del MPPT La eficiencia del seguidor del punto de máxima potencia se puede definir como la relación entre la energía real que aprovecha un seguidor del generador y la energía que aprovecharía un inversor con un seguidor del punto de máxima potencia ideal. η PMP t 0 = t P actual P 0 max ( t) dt ( t) dt Donde P actual (medida) es la potencia real obtenida del generador fotovoltaico por el inversor con un determinado seguidor del punto de máxima potencia y P max es la potencia máxima disponible a la salida del seguidor. Universidad de Jaen 16 Curso 2007/2008

17 Islanding El funcionamiento en isla o islanding es el fenómeno eléctrico que se produce cuando la red eléctrica se desconecta y los SFCR siguen funcionando. La ocurrencia de esta situación puede ser potencialmente peligrosa para la red o para los operarios de la misma en labores de mantenimiento. Por lo tanto, esta situación debe ser evitada, estando prohibida por la legislación actual. En la actualidad existen divergencias sobre el sistema encargado de evitar el funcionamiento en isla del inversor. Hay un amplio consenso en que se deben desconectar los inversores cuando la tensión o la frecuencia de la red está fuera de los límites establecidos tanto para proteger la red de baja tensión como el propio inversor. El desacuerdo se presenta en el método de monitorización aplicado para detectar que la red está fuera de los niveles normales. En Alemania y Austria es obligatorio aplicar la monitorización de las tres fases o la medida de la impedancia de la red mediante ENS (estándar VDE 0126), mientras que en países como Holanda y Suiza el método usado es libre y en países como EE.UU. y Reino Unido el método es libre, pero no se permite la medida de la impedancia por miedo a introducir perturbaciones en la red [2]. La controversia estriba en el uso de ENS, ya que es un sistema bastante caro para sistemas pequeños e incluso algunos investigadores consideran que produce perturbaciones en la red. Además, el hecho de que existan otras posibilidades más económicas para monitorizar la red, induce a pensar que la obligatoriedad del uso de ENS es una medida proteccionista impuesta por las compañías eléctricas. 2 Achim Woyte, Mains Monitoring and Protection in a European Context, 17 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Munich, Germany. Octubre, pp Universidad de Jaen 17 Curso 2007/2008

18 TIPOS DE INVERSORES Los inversores se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios, como el número de inversores por generador, dependiendo del uso del transformador, según su tamaño, según el número de fases, etc. Una clasificación típica de los inversores, atendiendo al número de inversores por generador fotovoltaico y a la conexión del inversor al generador, los divide en: Inversores centrales Inversores orientados a rama (string inverter) Inversores orientados a modulo (módulos ac) Inversores multi-string Inversores centrales Se considera inversores centrales a aquellos que conectan todo el generador fotovoltaico a un solo inversor. Normalmente son usados en grandes plantas con un rango de potencias entre kw, aunque incluso puede llegar a los MW de potencia. En este tipo de instalaciones se simplifica la parte a.c. a consta de una parte d.c. más compleja. Figura 25.- SFCR con inversor central Inversores orientados a rama Se considera inversores orientados a rama a aquellos que conectan solo una rama del generador fotovoltaico, así, cada generador dispondrá de varios inversores. Normalmente, tiene unos rango de potencias entre 1-5 kw. Universidad de Jaen 18 Curso 2007/2008

19 Figura 26.- Sistema con string inverters Inversores orientados a módulo Consiste en la utilización de un inversor acoplado a cada módulo, denominándose módulos a.c. La potencia de los inversores está entorno a 100 W, aunque dependerá del módulo al que se conecte. En este tipo de instalaciones se simplifica la parte d.c. a consta de una parte a.c. más compleja. Figura 27.- Sistema con módulos a.c. Inversores multi-string Son inversores que disponen de varios conversores dc-dc independientes, y todos ellos conectados a un inversor común. Además, cada conversor dc-dc lleva asociado un modulo MPP-tracking con el objetivo de optimizar individualmente el rendimiento de cada uno de los conversores y como consecuencia el rendimiento total de la instalación. Por último el conjunto de la instalación posee un único módulo de control de funcionamiento (OCU: operational control unit),. Universidad de Jaen 19 Curso 2007/2008

20 Figura 28.- Inversores Multi-string En la siguiente figura se muestra como con este tipo de inversores es posible conectar simultáneamente strings con diferentes valores nominales, tamaño o tipo de células solares, así como strings con diferentes orientaciones o diferentes grados de iluminación en un mismo sistema fotovoltaico. Figura 29.- Aplicaciones de los Inversores Multi-string Universidad de Jaen 20 Curso 2007/2008

21 Los inversores también se pueden clasificar atendiendo a otros criterios. Así tendremos los siguientes tipos: Tipos de inversores según el número de fases de salida: Monofásicos Trifásico Tipos de inversores según el dispositivo semiconductor usado: Tiristores (SCR,GTO,IGCT) Transistores de potencia (BJT,FET,IGBT) Tipos de inversores según como realicen la conmutación: Autoconmutados Conmutados por red Los inversores autoconmutados son aquellos en los que el propio circuito de potencia realiza la conmutación necesaria para producir la señal alterna, no necesitándose la presencia de la red eléctrica convencional. Los inversores conmutados por red necesitan la presencia de una señal de tensión procedente de la red eléctrica convencional EFICIENCIA DE LOS INVERSORES Los inversores de los SFCR no tienen una eficiencia (relación entre la potencia de entra y salida) constante e independiente de las condiciones de operación. La eficiencia de los inversores será función, principalmente, de la potencia a la que estén trabajando, aunque también dependerá del valor de la tensión de entrada y de la temperatura de trabajo. El comportamiento del inversor se puede describir por el modelo propuesto por Schmidt [3]. Según dicho modelo, la eficiencia instantánea de conversión η k viene dada por la siguiente ecuación: 3 M. Jantsch, H. Schmidt y J. Schmid. Results on the concerted action on power conditioning and control, 11 th European photovoltaic Solar Energy Conference, Montreux, 1992, pp Universidad de Jaen 21 Curso 2007/2008

22 η k = P P salida entrada = p out + k 0 p + k 1 out p out + k 2 p 2 out Donde: P entrada es la potencia instantánea disponible a la entrada del inversor (W) P salida es la potencia instantánea suministrada a la salida del inversor (W) P nominal es la potencia nominal de salida del inversor (W) p out = P salida / P nominal (adimensional) k 0 es el coeficiente que representa las pérdidas de autoconsumo (adimensional) k 1 representa las pérdidas proporcionales a la potencia (adimensional) k 2 representa las pérdidas proporcionales al cuadrado de la potencia (adimensional) En la siguiente figura, se muestran las curvas de eficiencia correspondientes a un inversor normal (Grafica B - Naranja), a un inversor de alta eficiencia (Grafica A - Verde) y a un inversor de baja eficiencia (Grafica C Azul). Figura 30.- Curvas de eficiencia de distintos inversores Universidad de Jaen 22 Curso 2007/2008

23 Como se ha comentado anteriormente, la eficiencia de los inversores además de ser función de la potencia a la que están trabajando, también es función del valor de la tensión de entrada y de la temperatura de trabajo. Normalmente, la eficiencia del inversor baja al aumentar la temperatura de trabajo, sin embargo, la dependencia de la eficiencia con la tensión es función del diseño realizado para ese inversor en particular. En la siguiente grafica se muestra la eficiencia de un inversor comercial para diferentes temperaturas y tensión de trabajo. Figura 31.- Curvas de eficiencia de un inversor comercial La eficiencia media de un inversor se puede definir con la relación entre la energía durante un periodo determinado (normalmente un año) y la energía a la salida del inversor durante ese periodo. Frente a la curva de eficiencia, el cual no es dependiente de la localidad, el valor de la eficiencia media es dependiente de las condiciones climatológicas a las que se encuentra sometido el generador y del la configuración del generador. Para obtener una eficiencia normalizada y que sea representativa del funcionamiento del inversor en unas determinadas situaciones reales de operación, se ha definido la eficiencia europea. η = 0,03η + η E 5% + 0,06η 10% + 0,13η 20% + 0,1η 30% + 0,48η 50% 0, 2 100% Universidad de Jaen 23 Curso 2007/2008

24 ESPECIFICACIONES DE LOS INVERSORES El inversor deberá cumplir los siguientes requisitos, si atendemos al pliego de condiciones técnicas del IDAE: 1. Serán del tipo adecuado para la conexión a la red eléctrica, con una potencia de entrada variable para que sean capaces de extraer en todo momento la máxima potencia que el generador fotovoltaico puede proporcionar a lo largo de cada día. 2. Las características básicas de los inversores serán las siguientes: Principio de funcionamiento: fuente de corriente. Autoconmutados. Seguimiento automático del punto de máxima potencia del generador. No funcionarán en isla o modo aislado. 3. Los inversores cumplirán con las directivas comunitarias de Seguridad Eléctrica y Compatibilidad Electromagnética (ambas serán certificadas por el fabricante), incorporando protecciones frente a: Cortocircuitos en alterna. Tensión de red fuera de rango. Frecuencia de red fuera de rango. Sobretensiones, mediante varistores o similares. Perturbaciones presentes en la red como microcortes, pulsos, defectos de ciclos, ausencia y retorno de la red, etc. 4. Cada inversor dispondrá de las señalizaciones necesarias para su correcta operación, e incorporará los controles automáticos imprescindibles que aseguren su adecuada supervisión y manejo. 5. Cada inversor incorporará, al menos, los controles manuales siguientes: Encendido y apagado general del inversor. Conexión y desconexión del inversor a la interfaz CA. Podrá ser externo al inversor. 6. Las características eléctricas de los inversores serán las siguientes: El inversor seguirá entregando potencia a la red de forma continuada en condiciones de irradiancia solar un 10% superiores a las CEM. Además Universidad de Jaen 24 Curso 2007/2008

25 soportará picos de magnitud un 30% superior a las CEM durante períodos de hasta 10 segundos. Los valores de eficiencia al 25% y 100% de la potencia de salida nominal deberán ser superiores al 85% y 88% respectivamente (valores medidos incluyendo el transformador de salida, si lo hubiere) para inversores de potencia inferior a 5 kw, y del 90% al 92% para inversores mayores de 5 kw. El autoconsumo del inversor en modo nocturno ha de ser inferior al 0,5 % de su potencia nominal. El factor de potencia de la potencia generada deberá ser superior a 0,95, entre el 25% y el 100% de la potencia nominal. A partir de potencias mayores del 10% de su potencia nominal, el inversor deberá inyectar en red. 7. Los inversores tendrán un grado de protección mínima IP 20 para inversores en el interior de edificios y lugares inaccesibles, IP 30 para inversores en el interior de edificios y lugares accesibles, y de IP 65 para inversores instalados a la intemperie. En cualquier caso, se cumplirá la legislación vigente. 8. Los inversores estarán garantizados para operación en las siguientes condiciones ambientales: entre 0 C y 40 C de temperatura y entre 0% y 85% de humedad relativa. Universidad de Jaen 25 Curso 2007/2008

26 EJEMPLO DE INVERSOR COMERCIAL Fabricante: INVERSOR PARA CONEXIÓN A RED INGETEAM Modelo: Ingecon Sun 5 Descripción: Inversor para conexión a red monofásico con transformador con una potencia nominal de entrada de 5320 W. Tiene la posibilidad de instalarse en el exterior ya que es resistente al agua. Cumple con todas las normativas de la Unión Europea. Características mecánicas: Dimensiones: Peso: 430 mm x 370 mm x 280 mm 27 Kg (inversor) + 54 Kg (transformador) Características eléctricas: ENTRADA (DC) Potencia nominal de entrada: 5320 W Rango de tensiones MPP: V Máxima corriente: 33 A Máxima tensión: 450 V SALIDA (AC) Potencia nominal de salida: 5000 W Potencia máxima: 5400 W Tensión de salida: 230 V Frecuencia: 50 Hz Distorsión armónica: < 3 % GENERAL Grado de protección: IP 54 Eficiencia máxima: > 94 % Consumo en operación: < 10 W Consumo nocturno: 0 W Universidad de Jaen 26 Curso 2007/2008

27 4.4.- Tipos de SFCR En un SFCR si la energía que produce es mayor que la que consume, la diferencia entre ambas se inyecta en la red. En caso contrario, si el sistema produce menos de lo que se consume, la diferencia se toma de la red. Figura.- Balance Energético de un SFCR Si embargo, dependiendo de donde se sitúen los contadores para medir la energía que se vende a la red y la energía que se consume de la misma se pueden presentar dos posibles tipos de instalaciones: Tipo A: Instalaciones donde se vende solo el exceso de producción que no es consumida por el usuario Tipo B: Instalaciones donde se vende toda la energía producida por el el sistema fotovoltaico Universidad de Jaen 27 Curso 2007/2008

28 Instalación Tipo A Instalación Tipo B Universidad de Jaen 28 Curso 2007/2008

29 4.5.- Dimensionado básico de un SFCR Paso 1) Cálculo de la potencia del generador fotovoltaico. a.- En función de la superficie disponible: (Se puede considerar que 1 kwp de generador ocupa 10 m 2 ) b.- En función del presupuesto disponible (Se puede considerar que 1 kwp tiene un coste de ) c.- En función de la energía que se desea generar (Se puede considerar que 1 kwp genera kwh/año o bien usar el siguiente procedimiento de cálculo: E = H da (α,β) P GFV PR 365 Donde: E: producción de electricidad solar anual (kwh/año) H da (α,β): valor medio anual de la irradiación diaria sobre superficie orientada con acimut a e inclinación B (kwh/m 2 día) P GFV : potencia del generador FV en condicoones estandar (kwp) PR: rendimiento del sistema o performance ratio (adimensional). (Se puede considerar un valor de PR de 0,75) d.- En función del Código Técnico de Edificación Paso 2) Cálculo de la potencia del inversor En general, la potencia del inversor (P INV ) depende de la potencia del generador (P GFV ). Una recomendación muy usada que proporciona valores de P INV, en función de la latitud, es la siguiente: * Sur de Europa: P INV = 0.8 P GFV * Centro de Europa: P INV = 0.75 P GFV * Norte de Europa: P INV = 0.7 P GFV (Nota. La recomendación anterior es válida para generadores FV orientados al Sur e inclinados un ángulo aproximadamente igual a la latitud del lugar) Universidad de Jaen 29 Curso 2007/2008

30 Paso 3) Cálculo del número total de módulos a emplear Una vez seleccionado el tipo de módulo que se desea usar, el cual estará caracterizado por los siguientes parámetros: P M : potencia del módulo (Wp) V OC : tensión de circuito abierto (V) I SC : corriente de cortocircuito (A) V M : tensión en el punto de máxima potencia (V) I M : corriente en el punto de máxima potencia (A) el número de módulos a instalar sería igual a: Nº de módulos = round [P GFV /P M ] Paso 4) Cálculo del número de módulos serie (N MS ) El N MS dependen del modelo de módulo fotovoltaico a utilizar y del margen de tensiones de entrada en las que el inversor busca el punto de máxima potencia del Generador FV. N MS = round [ V MAXINV / V M ] Donde V MAXINV es el límite superior del margen de tensiones de entrada del inversor y V M : tensión en el punto de máxima potencia. Paso 5) Cálculo del número de ramas de módulos en paralelo (N MS ) Se deben añadir tantas ramas en paralelo N MP como sean necesarias hasta completar, aproximadamente, la potencia del Generador FV que se desea instalar. N MP = round [ N MT / N MS ] NOTA: Es necesario efectuar la simulación por ordenador para comprobar que las tensiones de salida del generador está dentro del margen de tensiones de entrada del inversor y que la energía generada coincide con la esperada. Universidad de Jaen 30 Curso 2007/2008

31 4.6.- Cálculo de energía generada por el sistema La energía producida anualmente por un sistema fotovoltaico conectado a la red se obtiene mediante la siguiente expresión: E PV = Hda(α,β) P MG PR 365 Donde: E PV es la producción de electricidad solar anual (kwh año -1 ) Hda(α,β) es el valor medio anual de la irradiación diaria sobre una superficie orientada un ángulo α respecto del sur e inclinada un ángulo β sobre la horizontal (kwh m -2 día -1 ) P MG es la potencia del generador fotovoltaico en condiciones estándares de medida: 1 kwm -2 de iluminación y 25 o C de temperatura de las células solares (kwp) PR es el rendimiento del sistema o performance ratio (adimensional). P MG es conocido, pues se trata del tamaño del generador fotovoltaico. PR es un factor que se aproxima razonablemente bien con el valor 0,75. Hda(α,β), sin embargo depende del enclave y de la orientación e inclinación de la superficie receptora. Es obvio que la cantidad de radiación solar incidente sobre una superficie, en general, depende de su orientación. En el caso del centro de España, la máxima captación anual de radiación sobre una superficie estática, ocurre cuando está precisamente orientada al sur (0º) e inclinada un ángulo de 35º sobre la horizontal (la inclinación se toma entre 0º, superficies horizontales y 90º, superficies verticales). El valor medio anual característico sería en este caso de 5,55 kwh/m 2 y día. Para el cálculo de las pérdidas de radiación por orientación no óptima y por sombras se puede usar el procedimiento del código técnico de edificación (ver apartado anterior) y aplicarlo al valor de Hda(α,β), Para la estudio detallado de los diferentes parámetros eléctricos del SFCR y la estimación de la producción energética, se puede usar el procedimiento descrito en el anexo adjunto, en el cual, se calculan los valores de la energía producida, a intervalos de diez minutos, a partir de los valores diarios medios mensuales de irradiación y temperatura y de los parámetros de la célula en condiciones estándar. La metodología utilizada es la siguiente: Universidad de Jaen 31 Curso 2007/2008

32 1. Cálculo de la irradiación horizontal diaria media mensual directa y difusa usando las expresiones propuestas por Liu y Jordan y considerando el perfil del horizonte. 2. Cálculo de las irradiancias según el método propuesto por Whillier 3. Cálculo de las irradiancias en el generador usando el modelo propuesto por Pérez para la componente difusa y considerando las pérdidas por transmitancia debidas a las pérdidas de Fresnel, a la suciedad, a los bajos niveles de irradiancia y a las variaciones espectrales de la radiación solar. 4. Cálculo de la temperatura ambiente suponiendo que evoluciona de acuerdo con dos semiciclos de dos funciones coseno. 5. Cálculo del factor de forma, corriente, tensión y potencia en el punto de máxima potencia del generador fotovoltaico. 6. Cálculo de la potencia y energía a la salida del inversor siguiendo el modelo propuesto por Schmidt (NOTA: Para ampliar ver CurSolar r en Además de las pérdidas consideradas en el modelo (Transmitacia, Temperatura y el Inversor), hay otra serie de factores que producen pérdidas en la energía generada por el sistema. Entre estas pérdidas destacan las debidas a: la suciedad de los módulos, la dispersión de los parámetros eléctricos, las sombras en los seguidores provocadas por los seguidores circundantes, los cables, las tolerancias en potencia de los módulos, los transformadores y las provocadas por la indisponibilidad debido a situaciones de fallos, operaciones de mantenimiento, etc. A modo de ejemplo, se presentan, valores típicos de pérdidas, donde se escogen una situación de mayores pérdidas (escenario A), otra de menores pérdidas (escenario C) y un caso intermedio (escenario B) Escenario A B C Suciedad -2,0% -1,5% -1,0% Dispersión -3,0% -2,5% -2,0% Cables -2,0% -1,5% -1,0% Tolerancias -2,0% -1,0% 0,0% Indisponibilidad -2,0% -1,5% -1,0% Universidad de Jaen 32 Curso 2007/2008