Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica. Ingeniería del sistema

Transcripción

1 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica Ingeniería del sistema 1

2 Ingeniería del Sistema Se hace un desglose de la ingeniería del sistema necesaria para la implementación del sistema de generación FV. Se presenta la información básica para la selección de los principales componentes del sistema FV, así como para su instalación eléctrica y mecánica (montaje en las estructuras soporte). Integración arquitectónica Mantenimiento del sistema FV: módulos FV e Inversor. Sobre el aspecto económico en la aplicación de los sistemas FV: se incluye un análisis técnico económico conciso a través del cual se puede tener un panorama general de rentabilidad, en el contexto actual y bajo distintos escenarios. 2

3 Contenido Componentes del sistema Instalación Mantenimiento Análisis económico 3

4 Componentes del sistema Módulos FV Inversores 4

5 Componentes del sistema Módulos FV Selección de equipo Precauciones de seguridad para la instalación de módulos Identificación del producto Desembalaje y manejo del módulo Inversores Selección del inversor Datos técnicos comunes Consideraciones para la puesta en operación Criterios para el montaje del inversor Condiciones para la conexión a la red Puesta en operación 5

6 Módulos FV Seleccionar e instalar los módulos FV una vez obtenido el diseño del sistema FV. La instalación de este tipo de sistemas puede resultar sencilla, sin embargo, se debe evitar pasar por alto las advertencias y prohibiciones que los fabricantes indican, dado que la tecnología tiene aspectos considerablemente distintos a los habituales de la tecnología convencional. No debe olvidarse que se trabaja con voltajes de CD y con valores superiores a 120 V. 6

7 Selección de equipo (1) En el mercado FV se tienen prácticamente hasta el momento cinco tecnologías de módulos FV. La selección de cualquiera de ellas dependerá de los alcances y características del proyecto: Espacio Economía Investigación, etc. Y por supuesto de los resultados obtenidos en la etapa de dimensionamiento. Otro aspecto a considerar es que las marcas y modelos de los módulos FV deben elegirse en función de sus características eléctricas, vida útil y costo. 7

8 Selección de equipo (2) Otra consideración es la temperatura de operación del generador FV que impacta directamente en su eficiencia reduciendo la potencia nominal (medida en condiciones STC). Considerar que la temperatura en los módulos FV suele estar alrededor de 15 % arriba de la ambiente; esto si están bien ventilados y la estructura que los sujeta es metálica. Por ello, dependiendo de las exigencias del proyecto, este efecto debe compensarse sobredimensionando el generador FV. 8

9 Estructuras metálicas para soportar los módulos FV Proyecto: Green Corner, México, D. F. 9

10 Precauciones de seguridad para instalar módulos Además de las precauciones sobreentendidas para la seguridad personal en una instalación eléctrica, las relacionadas con este tipo de tecnología son: Cubrir completamente el módulo con material opaco durante la instalación mecánica y eléctrica para evitar que se genere electricidad. No tocar las terminales eléctricas o extremos de cables mientras el módulo se expone a la luz o mientras se instala. Utilizar siempre el mismo tipo de módulos dentro de un sistema en particular. Precaución. Los módulos solares producen energía eléctrica cuando se exponen frontalmente a la luz, independientemente de si están conectadas o no. Un sistema con varios módulos puede generar voltajes y corrientes potencialmente mortales. El contacto con un voltaje de corriente directa (CD) de 30 V o más es potencialmente peligroso. 10

11 Identificación del producto (1) Cada módulo cuenta con una etiqueta posterior con la siguiente información: La identificación del tipo de módulo. Puede estar compuesta de letras que indican su fabricante, el tipo de tecnología de fabricación, y comúnmente la potencia FV que entrega. El número de serie. Identificación del producto específico como único. La potencia nominal, corriente nominal y voltaje nominal. Valores característicos importantes para el diseño de un sistema FV, como se presentó en la sección

12 Identificación del producto (2) Voltaje de circuito abierto (Voc). Voltaje que entrega el módulo sin carga. Cuando se conecten varios módulos en serie se debe evitar superar el voltaje máximo del módulo (indicado en la misma etiqueta). Corriente de corto circuito (Isc). Corriente máxima que puede entregar un módulo. Recuérdese que los módulos pueden soportar esta condición ya que su comportamiento es similar a una fuente de corriente. Voltaje máximo del sistema. Voltaje máximo que soporta el módulo y está formalmente reglamentado; al exceder este voltaje se tiene un alto riesgo de cortocircuitos y formaciones de arco eléctrico. Notas de atención. Información relacionada con las precauciones a considerar. Se recomienda estudiarlas antes de iniciar su instalación. 12

13 Desembalaje y manejo del módulo (1) Conservar el módulo en su paquete hasta que esté preparado para instalarlo. Durante la instalación o trabajos realizados con el módulo o el cableado, cubrir la superficie del módulo totalmente con material opaco (como envoltorio de cartón) para evitar que se genere electricidad. Esta medida de precaución no es necesaria si el módulo está equipado con cable de conexión y con una unión por conector a prueba de contactos. No utilizar la caja de conexión adjunta para sostener o transportar el módulo. No apoyarse ni pisar encima del módulo. 13

14 Desembalaje y manejo del módulo (2) No dejar caer el módulo ni que caigan objetos sobre él. Para evitar que se rompan los cristales o se dañe el módulo, no colocar objetos pesados sobre él o sobre la superficie posterior. Si se rompe el cristal del módulo, no se puede utilizar. No realizar trabajos de instalación de módulos en tejados o edificios en presencia de vientos fuertes. El viento puede ocasionar daños y lesiones cuando se levantan o mueven marcos de soporte con varios módulos juntos. 14

15 Inversores Selección e instalación de un inversor FV. Durante su instalación considerar que se manejan voltajes potencialmente peligrosos, tanto de CD a la entrada, como de CA a la salida; por lo tanto se deben seguir cuidadosamente las recomendaciones del fabricante. 15

16 Selección del inversor (1) Como producto de la experiencia se ha encontrado que la capacidad nominal de cada inversor puede estar entre 75 y 80% de la capacidad nominal del arreglo FV que lo alimentará, en virtud de las pérdidas por temperatura, cableado, sombreado y mismatch del sistema. En México, una instalación de 2 kwp para sistemas FV residenciales es una solución técnicamente adecuada, y bastaría con utilizar dos inversores modulares de poco menos de 1 kw cada uno. La superficie total del generador FV puede cubrir cualquier cochera. Sin embargo, si la economía lo permite es posible instalar sistemas mayores a 2 kwp, puesto que existe una suficiente variedad de inversores en el mercado FV. 16

17 Selección del inversor (2) El voltaje de entrada en inversores de sistemas FV interconectados a la red eléctrica es superior a 100 VCD; a diferencia de los sistemas FV autónomos. En forma adicional se recomienda cerciorarse del voltaje máximo de interconexión (en VCA) del inversor, el cual debe estar alrededor de un 13 % arriba del voltaje nominal de la red. Finalmente, la elección se hará con base en la disponibilidad comercial, prestaciones y costo de las opciones que existan. En la actualidad existen modelos de inversores que ofrecen opciones en cuanto a costo y prestaciones. Entre sus funciones cuentan con instrumentación básica de parámetros eléctricos de entrada y salida, además de permitir el monitoreo, desde un sólo punto a través de una computadora, de todo un grupo de inversores que conforman un vecindario FV. 17

18 Selección del inversor (3) Finalmente, la elección se hará con base en: La disponibilidad comercial Prestaciones y Costo de las opciones que existan. En la actualidad existen modelos de inversores que ofrecen opciones en cuanto a costo y prestaciones: Cuentan con instrumentación básica de parámetros eléctricos de entrada y salida, Monitoreo remoto de todo un grupo de inversores por una PC, desde un sólo punto. 18

19 Datos técnicos comunes (1) Rango del voltaje de entrada. Comprende los voltajes de CD que el inversor admite y que debe ser considerado con respecto al voltaje en circuito abierto del generador FV. Se manejan en promedio tres diferentes valores, dando con ello flexibilidad a los diseños. Corriente máxima de entrada. Corriente máxima que el equipo soporta para operar. Potencia nominal de salida. Capacidad de potencia de salida que el inversor puede manejar. Su valor no debe ser excedido. Para aplicaciones residenciales este valor no excede los 25 kw y sus valores mínimos oscilan alrededor de los 700 Watts. 19

20 Datos técnicos comunes (2) Voltaje de operación a la salida. Voltaje que tendrá la línea eléctrica a la cual se va interconectar el sistema FV. Se debe cuidar que el voltaje eficaz de la línea esté dentro de los rangos del inversor y bajo ninguna circunstancia deberá excederlo, puesto que ello dañaría al inversor. Rango de frecuencias de trabajo. Rango de operación de la línea eléctrica, este punto debe ser cuidadosamente revisado porque muchos de los equipos comercialmente disponibles están diseñados para las redes eléctricas europeas (50 Hz). Esto debe ser claramente especificado al hacer una requisición. Peso aproximado. Peso del inversor, el cual debe ser considerado al seleccionar el lugar de su instalación. Su valor suele oscilar alrededor de los 16 kg/kw; sin embargo, existen inversores que puede ser más pesados (inversores conmutados por línea). 20

21 Consideraciones para la puesta en operación del inversor Debe ser puesto en operación exclusivamente por un técnico calificado. Debe seguir estrictamente el orden mencionado en el apartado al momento de conectar el inversor. Controlar el VOC de la instalación FV. Voltajes arriba del máximo especificado pueden producir daños irreparables en el inversor. Asegurarse que el inversor no presente daños ocasionados en el transporte. No abrir el inversor cuando está conectado a la red. Jamás desconectar el inversor de la instalación FV antes de aislarlo de la tensión alterna (interruptor en el centro de carga de la vivienda, abierto). 21

22 Criterios para el montaje del inversor (1) Seguir cuidadosamente las indicaciones del fabricante ya que este equipo es pesado y se debe garantizar un montaje firme. La superficie de montaje debe ser firme. El montaje del inversor sobre paneles de cartón-yeso o similares puede resultar en la producción de ruido debido a la pequeña vibración del inversor. La temperatura ambiente debe estar entre los rangos de operación del inversor. 22

23 Criterios para el montaje del inversor (2) Se recomienda dejar libre una distancia mínima (i.e. 20 cm.) por encima del inversor para asegurar una disipación de calor suficiente. No exponer el inversor a la luz solar directa. Temperaturas muy altas podrían reducir su eficiencia. Si se monta el inversor en un área cerrada se debe asegurar que existe la ventilación suficiente para la disipación de calor. Montar el inversor vertical o inclinado hacia atrás. Nunca montarlo inclinado hacia delante. La instalación a una altura determinada no es imprescindible, pero hace posible leer fácilmente los diodos LED o algún display que indica el estado de operación del inversor. 23

24 Condiciones para la conexión a la red El tipo de cable que se puede utilizar es el de tipo comercial con sección transversal de 1.5 a 2.5 mm². Se recomienda utilizar interruptores termomagnéticos (o en su defecto fusibles) entre la toma de tensión alterna y el inversor. Es importante aclarar que entre tales interruptores y el inversor no se permiten consumidores. 24

25 Puesta en operación 1. Desconectar el circuito al que se va a conectar el inversor (interruptor en el centro de carga de la vivienda, abierto). 2. Comprobar el voltaje en vacío del sistema FV y conectar los módulos FV al inversor garantizando un contacto eléctrico franco en las terminales de entrada del inversor. 3. Montar los enchufes de CA y conectarlos al inversor garantizando un contacto eléctrico franco en las terminales de salida del inversor. 4. Conectar el circuito al voltaje de CA cerrando el interruptor en el centro de carga de la vivienda. 25

26 Instalación 26

27 Instalación Instalación eléctrica Condiciones de puesta a tierra Cableado Capacidad de conductores Voltaje de salida del generador FV Aspectos de instalación Otros aspectos relacionados Integración arquitectónica Estructuras y soportes Detalles de cimentación Detalles del armado de estructuras Montaje y cableado de módulos Ubicación de equipos Detalles de estructuras móviles 27

28 Instalación eléctrica Los aspectos de seguridad y protección son de vital importancia en la planeación, diseño, instalación, operación y mantenimiento de un sistema FV (autónomo o conectado a red). Los generadores dispersos, interconectados con otras fuentes de energía como la red eléctrica, requieren de medidas de seguridad adicionales a las de los sistemas autónomos. La interfaz con la red representa algunos riesgos potenciales para los equipos de la red, para los del sistema FV, y para las personas involucradas en la operación y mantenimiento de ambos. Se deben eliminar condiciones inseguras que pueden originar accidentes u operaciones incorrectas, y que a su vez pueden causar lesiones a las personas o daños a los equipos de la red o del sistema FV. 28

29 Condiciones de puesta a tierra Requerimientos generales Puesta a tierra de equipos Puesta a tierra del sistema de CD 29

30 Requerimientos generales (1) En la instalación de un sistema de tierras para un sistema FV es conveniente proveer una barra de tierras que sirva como referencia a tierra tanto al sistema de CD como a todos los equipos que se conectan a tierra (ver figura 7.1). La localización más conveniente para esta barra de tierra en sistemas aterrizados es la caja de conexión principal del generador FV. Para sistemas flotantes, la barra de tierra deberá colocarse lo más cerca posible de los equipos que van a ser aterrizados, particularmente de los descargadores de sobretensión. El (los) electrodo(s) de tierra deberán conectarse sólidamente a esta barra con un conductor cuyo calibre sea por lo menos el calibre del conductor de tierra del sistema FV. 30

31 Requerimientos generales (2) Adicionalmente a la medida anterior, se recomienda proveer barras de tierra auxiliares para los equipos que se encuentren a una distancia considerable de la barra principal de tierra. Esto permite establecer una referencia a tierra auxiliar para equipos que se encuentren agrupados en una misma área física. Para interconectar la(s) barra(s) de tierra auxiliar(es) con la barra de tierra principal se deberá utilizar un conductor con las mismas características que el utilizado para conectar la barra principal de tierra con el(los) electrodo(s) de tierra. Cuando existan otros sistemas de tierra dentro del inmueble, el sistema de tierras del sistema FV deberá ser interconectado con ellos. Esto limita las posibles diferencias de potencial e incrementa la seguridad a personas y equipos. 31

32 Requerimientos generales (3) Es de particular importancia considerar la interconexión del sistema de tierras con el conductor de tierra del pararrayos, si el inmueble cuenta con él. La correcta interconexión entre ambos sistemas reducirá la magnitud de los posibles voltajes inducidos en el sistema FV por causa de descargas atmosféricas. Al respecto se deben tomar en consideración las siguientes recomendaciones: Los conduit y estructuras metálicas del sistema FV deben estar a una distancia 1.8 m del conductor de tierras del sistema interceptor de rayos, de lo contrario deben ser sólidamente conectados a este conductor en la zona en la que la separación es < 1.8 m. Si un conductor de pararrayos está presente, el generador FV debe ser integrado con éste, es decir, las estructuras metálicas y marcos de módulos deben estar sólidamente conectados a este conductor. En la medida de lo posible, los módulos FV deben instalarse lo más lejos posible del conductor del sistema interceptor de rayos. Los conductores para interconectar los sistemas de tierra, electrodos y barras de tierra deben ser al menos del mismo calibre que el conductor de puesta a tierra del sistema FV. 32

33 Puesta a tierra de equipos (1) Se deben conectar a tierra todas las partes metálicas que no están designadas para conducir corriente eléctrica; como son marcos de módulos, gabinetes metálicos y estructuras metálicas en general. La puesta a tierra de los equipos es una medida de protección a las personas; mantiene todas las partes metálicas que normalmente no están energizadas al potencial de tierra; aún en caso de que entren accidentalmente en contacto con algún circuito vivo. Con ello se evitan descargas eléctricas a las personas que puedan tener contacto con dichas partes. Para clarificar la conexión a tierra de equipos y sistema de CD ver figura

34 Puesta a tierra de equipos (2) Los siguientes puntos deben observarse en la conexión a tierra de los equipos: 1. El conductor de tierra de los equipos es el que conecta las partes metálicas con la barra de tierras o con el electrodo de tierras. 2. La conexión a tierra de los equipos no deberá interrumpirse al remover cualquier módulo del arreglo FV. 3. El calibre del conductor de tierra de los equipos deberá ser por lo menos igual al del conductor de mayor calibre del equipo en cuestión. figura

35 Puesta a tierra de equipos (3) Los siguientes puntos deben observarse en la conexión a tierra de equipos ( continuación): 4. Si el sistema de CD está aterrizado, se debe utilizar el mismo electrodo de tierra para equipos y sistema de CD del generador FV. Dos o más electrodos unidos de manera efectiva se consideran como un solo electrodo para este propósito. 5. Si la tierra de la red está presente, se debe conectar el sistema de tierras del generador FV a ésta. Es decir, la tierra del sistema de CA y de los equipos debe ser común. 6. Para detalles sobre el electrodo de tierra ver artículo 250 de NOM-001-SEDE-1999 [54]. figura

36 Figura 7.1. Puesta a tierra de un sistema FV residencial interconectado con la red (sistema y equipos). Electrodo de Tierra Auxiliar = ~ L N RED Barra de Tierra Auxiliar Barra de Tierra Principal Electrodo de tierra sencillo, múltiple ó tipo anillo Conductor de Tierra del Sistema de CD (opcional) 36

37 Cableado La selección e instalación apropiadas de los conductores en un sistema eléctrico evitan riesgos de cortocircuito y fallas a tierra; con ello se reduce la probabilidad de formación de arcos eléctricos y en consecuencia de incendios. Los métodos de cableado y la selección apropiada de los conductores son importantes para la seguridad de una instalación FV, la durabilidad y la facilidad del mantenimiento. Métodos de cableado Selección del tipo de conductores Código de colores Cajas de conexión Terminales Conectores 37

38 Métodos de cableado Las siguientes recomendaciones deberán aplicarse para la instalación de conductores eléctricos: a. El uso de cable unifilar reduce la probabilidad de corto circuito b. Separar los conductores positivo y negativo en las cajas de conexión minimiza la posibilidad de cortocircuito en ellas. c. Considerar los esfuerzos mecánicos a que puedan estar sujetos los conductores incluyendo ciclos térmicos, cargas de viento, hielo, etc. La instalación de soportes apropiados, conduit y sistemas de alivio de tensión reducen significativamente los efectos de estos factores. d. Si es posible, instalar los cables de diferente polaridad en ductos independientes o en ductos con barrera divisoria. 38

39 conduit para acometida conduits para arreglos FV 39

40 Selección del tipo de conductores a. Seleccionar el cable de acuerdo a las condiciones a las que va a ser sometido; considerando particularmente la estabilidad mecánica, la estabilidad térmica y la degradación por radiación UV, la exposición a ambientes húmedos, etc. Usar en todos los casos cable para intemperie en el arreglo FV. b. El voltaje del aislamiento no debe ser menor que 125% del voltaje de circuito abierto del generador FV en condiciones STC. c. Para seleccionar la temperatura nominal del aislamiento es importante considerar que en climas moderados la temperatura del arreglo FV puede llegar hasta unos 60 ºC. En climas extremosos como los de las zonas desérticas y tropicales de nuestro país esta temperatura puede alcanzar unos 75 ºC al medio día. d. Cuando haya paneles con seguimiento en el arreglo, se deben seguir las siguientes recomendaciones, adicionalmente a las expuestas arriba: utilizar conductores flexibles, elegir cables para uso extra rudo e intemperie (marcados como "WA"), no instalarlos en conduit y utilizar factores de corrección por temperatura conservadores. 40

41 Código de colores La mayoría de las instalaciones eléctricas en nuestro país utilizan el código de colores de la norma [54]. Este código establece que para sistemas aterrizados, el color del aislamiento de todos los conductores con potencial de tierra debe ser blanco o gris; si el calibre es mayor que 6 AWG, se puede usar cualquier color excepto verde si se coloca pintura o cinta blanca en ambos extremos del conductor. Los conductores para aterrizar equipos deben ser desnudos, o con aislamiento color verde, o verde con franjas amarillas. No hay ningún requerimiento de color para el conductor no aterrizado; la convención en sistemas de potencia es usar negro y rojo para los primeros dos conductores. [54]. Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, Instalaciones Eléctricas (utilización), Artículo Sistemas Fotovoltaicos. 41

42 Cajas de conexión (1) Las cajas de conexión deberán cumplir con los siguientes requisitos: a. Estar aprobadas por organismos como NEMA para el tipo de uso que se requieren. b. Los conductores de otros sistemas eléctricos no deben colocarse en la misma caja a menos que ésta esté dividida, o que en esa caja se lleve a cabo la interconexión de los sistemas. c. Deben ser instaladas de tal forma que el acceso a las conexiones sea fácil. d. Cerrar todas las aberturas no utilizadas con el mismo material de la caja o similar. 42

43 Cajas de conexión (2) Las cajas de conexión deberán cumplir con los siguientes requisitos ( continuación): e. Conectar las cajas de metal al sistema de tierras. f. Evitar el uso de materiales flamables. g. Proveer un medio de sujeción adicional a los tornillos de sujeción de las terminales para evitar cortocircuito. El uso de aliviadores de tensión en los orificios para entrada de cables es una alternativa si no están cableados en conduit (Foto). h. Utilizar cajas de conexión con barreras de aislamiento entre polos para evitar cortocircuitos. 43

44 Terminales Se deben observar los siguientes puntos: a. Usar terminales para uso eléctrico, preferentemente sin aislamiento. Evitar el uso de terminales para uso electrónico o automotriz. b. Usar terminales troqueladas tipo anillo. Si se usan tornillos estriados se pueden utilizar terminales tipo tenedor, pero solamente una en cada tornillo. c. Usar pinzas para engarzar para uso pesado. En ambientes húmedos, se recomienda engarzar y soldar las terminales. 44

45 Conectores Los conectores en un sistema FV se pueden utilizar como medios de desconexión o deshabilitamiento del arreglo. Deben ser seleccionados con los mismos criterios de temperatura y capacidad de corriente que los conductores del sistema, y cumplir con las siguientes condiciones: a. Ser polarizados y no intercambiables con receptáculos de otros sistemas eléctricos en el inmueble. b. Proveer protección contra contacto accidental con partes vivas. c. Contar con mecanismo de seguro para evitar alguna desconexión accidental. d. En sistemas aterrizados, el elemento de tierra debe ser el primero en hacer contacto y el último en romperlo. e. Ser capaces de interrumpir la corriente del circuito sin riesgos para el operador. 45

46 Cajas de Conexión Terminales 46

47 Capacidad de conductores El correcto dimensionamiento de los conductores en un sistema eléctrico de potencia evita calentamiento excesivo, daños al cableado, riesgos de arcos y cortocircuitos, y consecuentemente incendios. Así mismo, prolonga la vida útil de las instalaciones. Corriente nominal de cada circuito Calibre de conductores 47

48 Corriente nominal de cada circuito A continuación se exponen los criterios para determinar la corriente nominal de cada circuito del arreglo: a. Circuito fuente ó rama (ver figura 6.4). La corriente máxima que puede presentarse en un circuito fuente es la corriente máxima de cortocircuito del arreglo*. b. Circuito principal de CD. Corriente máxima de cortocircuito del arreglo. c. Circuito de salida de la unidad de acondicionamiento de potencia. Corriente nominal de la unidad de acondicionamiento de potencia. * La corriente máxima de cortocircuito que puede presentarse en un arreglo es aproximadamente el 130% de la corriente de cortocircuito en condiciones STC [56]. 48

49 Calibre de conductores (1) Conociendo la corriente máxima de cada circuito del sistema FV, para determinar el calibre de los conductores en cada circuito del arreglo considerar: a. Estimar la temperatura máxima de operación del arreglo de acuerdo con las condiciones climatológicas, y elegir los calibres de conductor considerando los factores de corrección por temperatura. b. En generadores con muchas ramas en paralelo, el cálculo de la corriente nominal de cada rama (de acuerdo con el apartado anterior) puede implicar secciones de conductor excesivas. Una alternativa es usar el calibre necesario para soportar la corriente de una sola rama e instalar 2 fusibles para protección de cables en cada rama si el generador es flotante; o Un sólo fusible de protección en cada rama si el generador es aterrizado (protección contra sobrecorriente). 49

50 Calibre de conductores (2) c. Asegurar que la suma de las caídas de voltaje en el cableado no supere el 1% de la tensión nominal del generador (la eficiencia energética es muy importante). d. Si el aislamiento del conductor es para 90 ºC, pero la temperatura máxima de las terminales de los módulos es 75 ºC, entonces se deben usar los valores de capacidad para conductor con aislamiento para 75 ºC. e. Si se incrementa el calibre de los conductores del sistema de CD, el calibre del conductor de tierra del sistema se debe incrementar proporcionalmente. 50

51 Voltaje de salida del generador FV (1) Es recomendable que el voltaje del arreglo sea lo más alto posible para una potencia dada, de manera que las pérdidas por conducción se minimicen (por eficiencia energética). Sin embargo, esta práctica tiene limitaciones por varias razones, tales como: La seguridad de las personas La capacidad dieléctrica de los módulos La disponibilidad comercial Costo de equipos para CD en los voltajes requeridos 51

52 Voltaje de salida del generador FV (2) Seleccionar el aislamiento de los componentes considerando el máximo VOC posible en el generador FV. En localidades donde la temperatura ambiente durante el día puede oscilar alrededor de 0 ºC, este puede llegar a ser 110% de VOC, puesto que aumenta en relación inversa con la temperatura. En sistemas de tipo residencial se recomienda que el voltaje nominal de operación del arreglo oscile entre 100 y 120 VCD con respecto a tierra. Este rango de voltaje no representa grandes riesgos de ocasionar un accidente grave en caso de shock eléctrico. Por otro lado, ofrece ciertas ventajas en cuanto a la eficiencia energética de la instalación y la facilidad de cableado. 52

53 Aspectos de instalación (1) La correcta instalación es también un factor muy importante para evitar posibles fallas y/o accidentes ocasionados por prácticas inapropiadas de instalación o daños a los componentes. a. Los conductores de un sistema FV no deben instalarse en los mismos ductos, charolas, ni cajas de conexión de otros sistemas eléctricos. Dos excepciones permisibles son: 1. Cuando los conductores de los diferentes sistemas están interconectados y 2. Si existe una partición para separarlos. b. Evitar formar espiras de gran área de conductor, particularmente con los conductores que interconectan los módulos FV y los del circuito de salida del arreglo FV. 53

54 Aspectos de instalación (2) c. Utilizar cajas de conexión y gabinetes aprobados por algún organismo competente (NEMA, NOM, etc.). d. En la instalación del cableado tomar en cuenta los esfuerzos mecánicos a los que pudieran estar sometidos. Utilizar aliviadores de tensión, soportes, conduit y guardas, según sea necesario para garantizar la seguridad de la instalación. e. Si el generador FV está en una parte de libre acceso, o dentro de un área que tenga otros usos, colocar una malla metálica y letreros de advertencia visibles que prevengan el contacto de personas no calificadas con los equipos del sistema. Se debe tener cuidado de que la malla metálica no obstruya la radiación solar (durante el día o estación del año). Además, se debe aterrizar la malla e integrarla al sistema de intercepción de rayos si el inmueble cuenta con él. 54

55 Otros aspectos relacionados Es importante considerar el uso de componentes aprobados para uso en sistemas FV. En cuanto a los módulos, como se presentó en la sección 7.1.1, éstos deben estar certificados por algún laboratorio reconocido. Con respecto a equipo de CD, se debe asegurar que los interruptores, fusibles, etc. están especificados para este uso. Señalización Datos del arreglo Identificación de todas las fuentes de energía Letreros para interruptores y dispositivos de sobrecorriente 55

56 Señalización Requerida para evitar accidentes mediante la advertencia de un riesgo potencial. Como en todo sistema eléctrico, es importante su uso. Datos del arreglo Se deberá proveer una placa que especifique los parámetros nominales del arreglo FV: 1. Corriente de operación 2. Voltaje de operación 3. Voltaje de circuito abierto 4. Corriente de corto circuito. Su localización debe de ser visible en el interruptor principal de desconexión del arreglo. 56

57 Identificación de todas las fuentes de energía En cada uno de los puntos de servicio como interruptores principales y centros de carga de todas las fuentes de energía capaces de ser conectadas a la fuente primaria (la red), se debe colocar un letrero permanente con el directorio de todas las fuentes de energía en el inmueble. Letreros para interruptores y dispositivos de sobrecorriente Todos los interruptores y dispositivos de sobrecorriente deberán estar marcados de acuerdo con la nomenclatura utilizada para designarlos en los diagramas eléctricos. Adicionalmente, los interruptores y dispositivos de sobrecorriente que estén energizados por ambos lados deberán contar con una placa que advierta esta condición. 57

58 Integración arquitectónica Una solución armoniosa a la integración arquitectónica del sistema FV con la vivienda en la que se instala el sistema, es fundamental para el éxito del proyecto porque influye para la aceptación del sistema. Un sistema FV integrado en un inmueble habitacional o comercial representa en cierta medida la personalidad de la familia o empresa que lo utiliza. Tal es el caso de un número creciente de empresas en Europa, las cuales han instalado sistemas FV integrados en sus edificios corporativos, como un medio de expresar su preocupación por el medio ambiente. 58

59 Integración arquitectónica Estaciones Edificios Viviendas 59

60 Instalación Estructuras y soportes Detalles de cimentación Detalles del armado de estructuras Montaje y cableado de módulos Ubicación de equipos Detalles de estructuras móviles 60

61 Detalles de cimentación Cimentación de las estructuras ahogando placas niveladas con anclas de varilla de acero, en lugar de ahogar las columnas en concreto. Reducción del tiempo de instalación. Se tiene la ventaja de que las estructuras se nivelan con el corte de las columnas, por lo que resulta fácil compensar la pendiente e irregularidades del terreno. 61

62 Detalles del armado de estructuras Las estructuras se suelen armar con uniones soldadas, como se dijo previamente en la sección 6.6. Una vez soldadas las columnas y niveladas a la altura requerida, se procede a soldar los largueros frontal y posterior, y después los largueros de montaje de los módulos. 62

63 Montaje y cableado de módulos Los módulos se pueden sujetar perfectamente a los largueros de montaje con tornillos galvanizados de 3/16. Las estructuras se deben diseñar para permitir un claro entre módulos de 5mm. Los arreglos de módulos FV se pueden interconectar con cable tipo uso rudo y conectores tipo glándula para relevar a las tablillas de conexión de esfuerzos mecánicos y evitar la entrada de humedad (o polvo fino en zonas desérticas) a las cajas de conexión. Otra manera de interconectarlos es con cable THHW de un hilo, siempre y cuando las cajas de conexión de los módulos FV cuenten con sello de humedad y dispositivo para evitar esfuerzos mecánicos integrados. Un aspecto importante a cuidar en el cableado de arreglos FV, es que los conductores positivo y negativo de cada subarreglo discurran juntos en todo su trayecto, unidos con cinchos plásticos. La razón de esto es reducir al mínimo posible el área de espiras conductoras, con lo que se reducen substancialmente voltajes inducidos por causa de rayos. Esta medida hace innecesaria la utilización de varistores, particularmente en regiones donde la incidencia de descargas atmosféricas es baja (Foto). 63

64 Montaje y cableado de módulos 64

65 Ubicación de equipos Las cajas de conexiones, inversores y en su caso equipos SCADA, se recomienda instalarse en los pasillos laterales de las casas. La finalidad es que los equipos estén resguardados de la lluvia y se encuentran sombreados la mayor parte del día. Se sugiere instalarse a una altura de 1.9 m del nivel del piso, para no disminuir espacio útil de la vivienda. 65

66 Detalles de estructuras móviles Utilizar estructuras móviles permite desplazar la generación FV hacia horas de demanda pico, mediante su giro en el eje n-s. Para ello se recomienda que los marcos de soporte de los arreglos FV sean montados sobre chumaceras, de manera que se permitan únicamente 2 posiciones: 1. Sin giro (ángulo horario 0º) y 2. otra con un el ángulo deseado hacia el poniente (ángulo horario - θ). Para fijar las estructuras móviles en cada posición se recomienda utilizar placas roscadas y tornillos de acero. 66

67 Detalles de estructuras móviles Arreglo FV con ángulo horario 0º Arreglo FV con ángulo horario - 15º 67

68 Mantenimiento 68

69 Mantenimiento (1) El mantenimiento preventivo que demanda un sistema FV es relativamente reducido. Sin embargo, es conveniente dedicar tiempo para conservar el sistema en óptimas condiciones y garantizar con esto además de su correcta operación, un rendimiento energético óptimo durante toda la vida útil. El alcance y periodicidad del mantenimiento preventivo necesario depende de las condiciones ambientales específicas en la zona (para el caso de cables y gabinetes no metálicos). A largo plazo el tiempo invertido en las labores de mantenimiento preventivo es compensado con una operación del sistema más prolongada y sin contratiempos, evita reparaciones y/o daños mayores al equipo al detectar y corregir potenciales causas de falla desde su origen, y alarga la vida útil del sistema. 69

70 Mantenimiento (2) El mantenimiento correctivo del sistema FV cuando se presenta una falla es labor de personal técnico especializado (i.e. el inversor). Recurrir al personal técnico especializado para la reparación requerida ante la presencia de una falla que deshabilite la operación normal del sistema FV. A continuación se listan las principales labores (periódicas) de mantenimiento preventivo y verificación operacional. 70

71 Mantenimiento Módulos FV Inversor Instalación eléctrica en general Estructuras soporte 71

72 Módulos FV [63] Pese a la relativa sencillez del mantenimiento preventivo requerido en el arreglo FV (limpieza), ésta es quizá la labor que demanda el mayor tiempo. Sin embargo, para el óptimo desempeño del sistema FV es necesario conservar siempre libre de polvo y/o suciedad la superficie de los módulos FV. Por lo tanto, se recomienda: Limpiar la superficie de vidrio según sea necesario. Siempre utilice agua y una esponja o paño suave para la limpieza. Puede emplearse un agente de limpieza suave y no abrasivo para quitar suciedad resistente. Verificar conexiones eléctricas y mecánicas cada 6 meses para asegurar que se encuentren limpias, seguras y libres de daño. La periodicidad es función de la cantidad de polvo acumulada. Sin embargo, se recomienda realizar esta limpieza al menos 4 veces al año. 72

73 Prueba y reemplazo de los diodos de derivación Esta prueba es necesaria cuando se pone en operación por primera vez el arreglo FV ó su voltaje ha caído muy debajo de su valor especificado. Generalmente estos diodos se encuentran dentro de la caja de conexión de los módulos. Para extraerlos y probar su estado operativo es necesario: 1. Destapar adecuadamente la caja de conexión. 2. Extraer el diodo, prestando atención a la orientación de las marcas de su polaridad. 73

74 3. Verificar la conductividad del diodo. Si conduce en ambas direcciones, está defectuoso. 4. Reemplazar por otro de características similares en caso de estar defectuoso; cuidar la polaridad al instalarlo. Si es posible, soldar el diodo a los contactos. 5. Verificar el voltaje de circuito abierto del módulo y cerrar la cubierta. Prueba y reemplazo de los diodos de derivación 74

75 Inversor Procedimiento para la desenergización del inversor Procedimiento para la reenergización del inversor 75

76 Inversor Mensualmente Disipador de calor Operación del ventilador (en su caso) Semestralmente Empaquetaduras del gabinete Conexiones eléctricas Gabinete 76

77 Mensualmente (1) Se recomienda que al menos cada mes (o según se requiera) se dé mantenimiento preventivo a lo siguiente: Disipador de calor. La acumulación de polvo y suciedad en el disipador de calor, y en el cuerpo y las rejillas de protección del ventilador (en su caso) decrece la capacidad de transferencia de calor y puede sacar de operación al inversor por sobretemperatura. Inspeccione la acumulación de suciedad en las aletas del disipador de calor y en la rejilla de protección del ventilador. 77

78 Mensualmente (2) Se recomienda que al menos cada mes (o según se requiera) dar mantenimiento preventivo a : Operación del ventilador (en su caso). Verifique la adecuada operación del ventilador del disipador de calor. Normalmente el ventilador opera a través del cierre de contactos de un relevador. Retire el polvo y/o suciedad acumulada en el ventilador y en la guarda de protección. 78

79 Semestralmente. Empaquetaduras del gabinete. Inspeccione el sello de la puerta del gabinete. Si está dañado, remplace la empaquetadura. Conexiones eléctricas. Inspección de las condiciones de todos los cables de entrada y de salida del inversor. Inspeccione todas las terminales de los cables y las conexiones de daños causados por alta temperatura. Revise corrosión. Remplace cualquier conductor dañado. Verifique que todas las conexiones se mantienen firmes y apretadas. 79

80 Gabinete del inversor Abra el gabinete y remueva el polvo o suciedad acumulada en el interior. El gabinete debe quedar perfectamente hermético para evitar la entrada de agua, polvo y/o tierra al interior. Mantenimiento Hermosillo, Son. 80

81 Procedimiento para la desenergización del inversor 1. Mueva el interruptor on/off a la posición off (si el inversor cuenta con un interruptor integrado). 2. Abra el interruptor del arreglo FV. 3. Abra el interruptor de salida CA para desconexión de la red. 4. Abra el interruptor del transformador de aislamiento (en el caso de no estar integrado en el inversor). 5. Bloquee el interruptor del transformador de aislamiento, y los interruptores de entrada y salida del inversor contra operación por terceros. Nota: Las terminales de entrada FV están energizadas si el arreglo está energizado. Adicionalmente, se requiere de alrededor de 5 minutos para que todos los capacitores en el gabinete se descarguen después de desenergizar el inversor. 81

82 Procedimiento para la reenergización del inversor (1) 1. Retire los dispositivos de bloqueo del interruptor del transformador de aislamiento y de los interruptores de entrada y salida del inversor. 2. Cierre el interruptor del transformador de aislamiento (en el caso de no estar integrado éste en el inversor). 3. Cierre el interruptor de salida CA para conexión de la red. 4. Cierre el interruptor del arreglo FV. 5. Mueva el interruptor on/off a la posición on (si el inversor cuenta con un interruptor integrado). 6. Verificar que el indicador de operación normal (comúnmente un led verde) se encuentra encendido. 82

83 Procedimiento para la reenergización del inversor (2) Esperar aproximadamente 15 seg. para que el inversor se reinicialice y En algunos casos, alrededor de 5 min. para llevar el sistema a condiciones de operación normal, el inversor automáticamente operará el arreglo FV en el PMP, luego de alcanzar el umbral. Esta verificación se debe realizar durante el día (sistema generando). El encendido de cualquier otro led indica seguramente la detección de una falla en el sistema y deberá consultarse el manual del fabricante para ejecutar la acción correspondiente para volver a la operación normal. 83

84 Instalación eléctrica en general Verificar anualmente el estado que guarda el aislamiento de los conductores expuestos a la intemperie (no canalizados), buscando básicamente evidencia de resquebrajamiento del aislamiento o de daño físico. Verificar que todas las canalizaciones se mantienen en buen estado y se encuentran debidamente soportadas. En relación a las conexiones eléctricas en el circuito, la inspección cuidadosa de que éstas se conservan firmemente sujetas en los puntos de conexión solamente se requiere cuando hay evidencia de que el conductor, la tubería conduit o el gabinete presenta un daño físico visible. La causa más común es la tensión de los cables originada por soportes sueltos o por su ausencia. Verificar que la conexión a tierra del sistema, y la de cada uno de los equipos, se mantiene firme y sin corrosión. 84

85 Estructuras soporte Para proteger adecuadamente contra corrosión la estructura metálica del arreglo FV se recomienda retocar la pintura de ésta al menos una vez cada 2 años. Preferentemente en zonas donde la oxidación es visible. Verificar que los elementos de anclaje y la rigidez de la estructura en su conjunto conservan sus características originales. 85

86 Análisis económico 86

87 Análisis económico Costo nivelado de producción Producción de energía Costos de inversión Costos de operación y mantenimiento Costos sociales Costo de mantenimiento mayor Tasa de descuento Valor de rescate Vida útil del sistema 87

88 Costo nivelado de producción Es el método más utilizado para evaluar y comparar económicamente proyectos de generación eléctrica. Su valor expresa el costo promedio de una unidad de producción (kwh) durante la vida útil esperada del sistema. La energía de salida y los costos totales se afectan con la tasa de descuento aplicada al análisis, lo que significa que en los dos rubros se considera el valor del dinero a través del tiempo. Para su cálculo la energía total entregada y los costos totales durante la vida útil, se reducen a valor presente al inicio de operación. 88

89 El CNP se obtiene por: CNP n t I OM CS RC r VR r t t t t ( )( 1 ) ( 1 ) 1 n t EAU ( 1 r) t 1 t n Ec (7.1) donde: I = costo de inversión OMt = costos de operación y mantenimiento en año t CSt = costos sociales en año t RCt = costo de mantenimiento mayor en año t r = tasa de descuento VR = valor de rescate luego de n años n = vida útil del sistema EAUt = producción de energía en año t (dada por Ec. 7.2) Costo nivelado de producción 89

90 EAU t E ( k k k k P, t r s d p ) Ec (7.2) donde: Ep,t Kx = energía anual estimada a partir de la potencia nominal del sistema FV = factores que afectan el desempeño estimado para el sistema Costo nivelado de producción 90

91 Producción de energía eléctrica En un sistema FV interconectado depende básicamente de la potencia FV instalada y los niveles de insolación. Sin embargo, está sujeta a una serie de factores que pueden afectar considerablemente la eficiencia global del sistema: Factor de rendimiento Factor de sitio Factor de disponibilidad técnica Factor de pérdidas por transmisión eléctrica 91

92 Factor de rendimiento: el rendimiento de un módulo puede reducirse drásticamente por contener en la superficie fotosensitiva polvo, lluvia o hielo. Este factor puede cambiar a través del tiempo. Factor de sitio: la distribución de radiación que se asume para calcular el potencial de energía de salida está relacionada con la distribución de radiación en la superficie del generador FV. Sin embargo, en algunos casos los alrededores del sitio pueden cambiar con el tiempo debido a la plantación de árboles o construcciones nuevas, lo cual puede impactar en la producción. Factor de disponibilidad técnica: La disponibilidad técnica de un sistema FV se define como la fracción del año que está en condiciones para operar Factor de pérdidas por transmisión eléctrica: las pérdidas por transmisión eléctrica anuales es el cociente entre la energía de salida neta y la energía neta transmitida, alimentada en el punto de uso común (PCC). 92

93 Costos de inversión (1) Los componentes que comprenden la inversión incluyen: Módulos FV Inversor Estructuras de apoyo Certificación especial u otros costos por pruebas externas Transporte Preparación del sitio Cimientos Instalación Refuerzo y conexiones a red Monitoreo externo y sistemas de control Servicios de consultoría y Costos del terreno o renta, entre otros. 93

94 Costos de inversión (2) La distribución típica del costo de inversión en sistemas FV, estimada a partir de varias fuentes es la siguiente: Módulos 70 % Inversor 8 % Cimientos y estructuras de apoyo 8 % Instalación 6 % Sistema eléctrico, cables, dispositivos 5 % Infraestructura 3 % 94

95 Costos de inversión (3) En la tabla 7.1 se muestran los índices del costo de inversión (USD/W) de sistemas FV conectados a la red; instalados en países miembros de la IEA (2003). Dada la tendencia del precio de los módulos FV, se prevé que el costo de inversión de los sistemas FV se abatirá de manera favorable, colocando la tecnología a niveles de competencia económica con las tecnologías convencionales, con las ventajas ecológicas que representan. 95

96 Tabla 7.1. Índices del costo de inversión (USD/W) de sistemas FV conectados a la red Sistemas FV conectados a red 2 (USD/W) País 3 <10 kw >10 kw AUS 4,5 7,8 3,9 6,5 AUT 5,6 7,9 4,5 6,8 CHE 6,6 6,9 5,8 DNK 5,0 10,6 6,1 15,2 DEU 5,7 ESP FIN FRA GBR ISR ITA 7-9 6,8 7,9 8,2 9,7 7,0 19,7 7,9 8,6 5,6 8,2 6,8 7,9 5,6 8,2 21,5 7,5 7,9 Notas: 1. Información adicional sobre el costo de los sistemas puede ser consultada en el sitio Web de la IEA-PVPS. JPN KOR MEX NLD NOR 5,9 12,6 5,1 6, ,9 11,5 5,1 5,6 2. Los costos más altos de los sistemas conectados a red están asociados con la integración de éstos en los techos o con la arquitectura del edificio. PRT USA 7, , Código ISO. 96

97 Costos de operación y mantenimiento Su valor depende del número de módulos del generador FV, el tipo, las condiciones del sitio y las características del sistema al cual se realiza la conexión. Los conceptos que intervienen en este rubro incluyen: Seguros para cubrir daños al sistema y por pérdidas operacionales debido a tales cambios Seguros especiales para garantizar la producción de energía anual Servicios Mano de obra Consumibles Costos de reparaciones menores, y los relacionados a la administración y Operación del sistema FV 97

98 Costos sociales Están asociados con daños ambientales que repercuten directamente en la salud humana, incluyen el daño que se causa sobre bienes nacionales. Estos costos no se reflejan en el mercado del precio de la energía, aunque sea un hecho que éstos son aceptados en todos los ámbitos sociales y que deberían ser incluidos cuando se calcula el costo de producción de la energía. Tales costos son pequeños, especialmente cuando se comparan con otras tecnologías de generación que utilizan combustibles fósiles. La mayoría de los contaminantes tienen algún efecto altamente nocivo para la salud y entre estos no se excluyen los que se generan en las centrales termoeléctricas. 98

99 Costo de mantenimiento mayor Incluye los costos por reemplazo de equipo o reparaciones mayores requeridas durante la vida útil del sistema FV. En este caso el inversor es el equipo más sensible a dañarse. Para fines de cálculo se estima un valor de 10% de la inversión total para este concepto. Este rubro se debe considerar a la mitad de la vida útil del sistema. 99

100 Tasa de descuento En términos reales, se define como la tasa a la cual la tasa nominal excede la tasa de inflación. Su valor debe reflejar el costo del financiamiento del proyecto o cualquier otra política de objetivos y contratiempos. Estudios internacionales del costo de generación eléctrica generalmente adoptan una tasa de 5%, y 7% como la tasa de descuento en términos reales Sin embargo, para proyectos comerciales que se cubren con inversión privada el valor de la tasa de descuento puede adoptar valores más altos. Para el caso de México se toman como referencia los datos que utiliza CFE, cuyo valor de la tasa de descuento es 10% [64]. 100

101 Valor de rescate Se refiere al valor comercial del equipo o dispositivos al término de la vida útil del sistema, puede tener un valor económico por la recuperación del terreno o algún otro dispositivo en buenas condiciones, Tales como cables, cajas de conexión, etc. Posiblemente el inversor (dependiendo del mantenimiento que haya recibido). Sin embargo, para fines de cálculo el valor de rescate para un sistema FV interconectado a la red se considera de cero. 101

102 Vida útil del sistema El período de vida útil (n) para un sistema FV depende de numerosos factores y puede en efecto ser muy difícil de predecir. Sin embargo los módulos FV (de mayor impacto económico dentro del sistema FV), son comúnmente diseñados para tener una vida útil de 20 años. 102