Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica. Diseño y dimensionamiento

Transcripción

1 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica Diseño y dimensionamiento 1

2 Diseño y Dimensionamiento Sistema FV de tipo residencial (P0 25 kw p ) Recuento de consideraciones preliminares para la interconexión de uno o más sistemas FV Características favorables del potencial sitio (constructivas y consumo eléctrico Aspectos del dimensionamiento del sistema para cubrir los objetivos del proyecto específico Diseño eléctrico y estructural del sistema FV 2

3 Diseño y Dimensionamiento Información basada en la Especificación Técnica del IIE: Especificaciones Técnicas para Pequeños Sistemas Fotovoltaicos Conectados en Paralelo con la Red Eléctrica. La cual considera la normatividad que rige al Sistema Eléctrico Mexicano: 54. Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, Instalaciones Eléctricas (utilización), Artículo Sistemas Fotovoltaicos (1999). 55. Especificación CFE L Tensiones de Sistemas de Distribución, Subtransmisión y Transmisión (1985). 56. Especificación Provisional CFE L Perturbaciones Permisibles en las Formas de Onda de Tensión y Corriente del Suministro de Energía Eléctrica, (1995). 3

4 Consideraciones preliminares para el diseño del sistema Otros aspectos relacionados a la instalación Ubicación y selección del sitio para la implementación de un vecindario FV Dimensionamiento Diseño eléctrico Contenido Diseño de estructuras 4

5 Consideraciones preliminares para el diseño del sistema 5

6 Consideraciones preliminares para el diseño del sistema Metas que el sistema debe cumplir en cuanto a la cantidad y distribución de la electricidad generada Características particulares del sistema de distribución al que se va a interconectar él o los sistemas FV La reglamentación que la empresa eléctrica (CFE o CLyFC) tiene con respecto a generadores dispersos. La interconexión segura para los equipos y personas en ambos lados de la interconexión No se debe causar perturbaciones significativas en la red de T y D de la compañía eléctrica 6

7 Características técnicas de la interconexión a considerar: Capacidad de generación Punto de interconexión Voltaje de interconexión Número de fases Medición de la energía Transformador de interconexión 7

8 Identificar la potencia máxima admisible para un sistema FV (tipo disperso) Identificar la potencia total máxima admisible por todos los sistemas interconectados en un alimentador Evitar disturbios en la red ó sobrecargas en los equipos del sistema de distribución. Se recomienda: Capacidad de generación Limitar la capacidad de generación FV de un consumidor a la capacidad de servicio contratada. La capacidad total de generación dispersa en un alimentador se debe limitar a la capacidad de transporte del alimentador 8

9 Punto de interconexión Un sistema FV residencial (o en un edificio) preferentemente debe conectarse del lado de la carga, en el interruptor general del centro de carga. Si la compañía eléctrica requiere de un interruptor manual accesible a su personal, el interruptor de servicio puede substituirlo. Es posible conectar la salida en otro punto del circuito residencial si el FV se encuentra lejos del interruptor principal, siempre y cuando: La suma de las capacidades de los dispositivos de sobrecorriente, de los circuitos que alimentan a un bus no supere la capacidad de transporte de corriente de dicho bus. Todos los interruptores que van a ser alimentados con corriente en ambos sentidos dentro del circuito deben estar especificados para operación bidireccional. Las condiciones de mantenimiento y supervisión deberán ser garantizadas para que solamente personal calificado opere y proporcione mantenimiento a las instalaciones. Todas las medidas de seguridad y protección que se especifican en este apartado deben ser implementadas y mantenidas (verificadas periódicamente). Estas recomendaciones están basadas en lo estipulado en la NOM-001-SEDE-1999 con respecto al punto de conexión de sistemas de potencia interconectados. 9

10 Voltaje de interconexión Para sistemas FV tipo residencial y en edificios (P 25 kw): La interconexión debe realizarse con la red de baja tensión, dependiendo del voltaje de servicio. Las tensiones de distribución para servicio doméstico de CFE son 120 ó 127 V para sistema monofásicos y 220 ó 240 V para sistemas trifásicos [55] 10

11 Número de fases El número de fases en la salida del subsistema de acondicionamiento de potencia está relacionado directamente con las condiciones de servicio que determina la empresa eléctrica. CFE y CLyFC normalmente proporcionan: Servicio monofásico a consumidores no mayores de 5 kw Servicio bifásico a consumidores entre 5 y 10 kw Servicio trifásico a consumidores mayores de 10 kw Se recomienda el uso de un inversor : Monofásico si Po < 5 kw Trifásico si Po > 5 kw 11

12 Medición de la energía La medición de energía es responsabilidad de CFE o CLyFC, según sea el caso. Transformador de interconexión (monofásico) Instalar un transformador de interconexión si el sistema de CD está aterrizado. En sistemas flotantes, el aislamiento eléctrico es indispensable solamente cuando el sistema no cuenta con un monitor de aislamiento (5.2.2). En cualquier caso, la separación galvánica puede ser requerida por CFE o CLyFC. Si el inversor lo incluye, no es necesario un externo. 12

13 Transformador de interconexión (trifásico) En sistemas trifásicos, el uso de transformadores de aislamiento Δ/Y ó Δ/Δ previene el flujo de corrientes de falla a tierra a través del transformador. Esto implica que una falla a tierra en un lado del transformador no producirá corrientes de falla en el otro lado del mismo. Este aislamiento permite eliminar fallas a tierra más rápido, además de que permite diseñar las protecciones contra fallas a tierra del generador disperso sin restricciones de coordinación con las protecciones de la red [58]. 13

14 Otros aspectos relacionados a la instalación Calidad de la energía Límites de operación de la red en México Límites para los disturbios en la red causados por sistemas FV interconectados 14

15 Calidad de la energía Parámetros relacionados: Voltaje. Frecuencia. Variación de Voltaje Distorsión Armónica Factor de Potencia 15

16 Calidad de la energía Aceptable cuando los parámetros están dentro de los límites de operación dados. Se determinan con base en el comportamiento de los sistemas de potencia y los requerimientos de los usuarios, así como en la experiencia operativa de la compañía. Se considera no satisfactoria si alguno de los parámetros sale de los límites especificados por alguna causa, lo cual puede ocasionar que otros salgan de especificación. Los parámetros de la red están influenciados en gran medida por las cargas conectadas. Por esto la empresa eléctrica establece límites en algunos de los parámetros eléctricos de las cargas de sus usuarios. Continúa.. 16

17 Calidad de la energía Continuación. Los aparatos electrónicos, entre ellos los inversores, son sensibles a la calidad de la energía pero son también fuentes potenciales de perturbaciones que la afectan. Para establecer límites en la calidad de la energía de pequeños generadores FV interconectados, se emplean normas que limitan las perturbaciones producidas por cargas residenciales (sección C.2, Anexo C). La razón es que la mayoría de los procesos de generación de perturbaciones en la red son independientes del sentido del flujo de potencia. 17

18 Límites de operación de la red en México (1) Rangos de operación en los parámetros de la red de D de CFE: Nivel de voltaje. Para sistemas de T y D de CFE se indican en la especificación CFE L Se establece una tolerancia de ±10% del voltaje eficaz nominal en la regulación de voltaje de sistemas de D de baja tensión (Vnom = 1 kv) y de media tensión (1 kv < Vnom 35 kv). Regulación de frecuencia. La frecuencia nominal de la tensión en la red eléctrica es de 60 Hz ±1 Hz. Límites de distorsión armónica. CFE establece los límites de distorsión armónica de voltaje en el PCC en la especificación CFE L La tabla 6.1 muestra los límites aplicables a sistemas FV residenciales. 18

19 Tabla 6.1. Límites de THDV en el PCC establecidos para el servicio de CFE. Tensión en kv Clasificación de Tensión Distorsión Armónica Total en % (THDv) Límite para Armónicos Individuales en % V < 1 kv Baja Tensión V 69 Distribución V 138 Subtransmisión V > 138 Transmisión

20 Límites de operación de la red en México (2) Límites de variación de voltaje (flicker). La energía eléctrica utilizada por un equipo para proporcionar el servicio deseado está en función del valor eficaz (rms) de la tensión, su estabilidad es un atributo de la calidad del suministro. La estabilidad de la tensión se puede evaluar por la magnitud y frecuencia de sus variaciones dentro del rango de tensión admisible. Los límites de variación de voltaje se encuentran especificados también en la norma CFE L La tabla 6.2 muestra estos límites (se indica la aplicación para sistemas FV residenciales conectados a baja tensión). 20

21 Tabla 6.2. Limites de variación de voltaje para el servicio de CFE. Variación (ΔV/V) Máxima de Tensión en Porcentaje (%) Variaciones / minuto Baja tensión (V 1 kv) Media tensión (1 kv < V 35 kv) Alta tensión (V > 35 kv)

22 Límites para los disturbios en la red causados por sistemas FV interconectados (1) Regulación de voltaje. Las fluctuaciones en la potencia entregada por generadores FV conectados a la red, no deben producir variaciones de voltaje fuera de los límites especificados en la tabla 6.2. Frecuencia de operación. Se debe operar en sincronía con la red y no causar desviaciones de frecuencia que sobrepasen los límites expuestos en la sección anterior. Distorsión armónica (THDI). Los sistemas FV interconectados, deben cumplir con los límites de THDI para equipos que se conectan a ella, y que se estipulan en la especificación CFE L Estos límites de THDI para consumidores permiten a la compañía cumplir con los límites de THDV (tabla 6.1) establecidos en la misma especificación. Considérese la tabla 6.3, cuyo rango de tensión abarca los posibles voltajes de interconexión de sistemas FV. 22

23 Tabla 6.3. THDI máxima permitida para tensiones hasta 69 kv. Impedancia relativa (ISC / IL) h < 11 Para Armónicas Impares ( % ) 11 h < h < h < 35 h 35 Distorsión Total (%) (ISC / IL) < (ISC / IL) < (ISC / IL) < (ISC / IL) < (ISC / IL) Notas: 1. Para armónicas pares los límites se reducen al 25% de los correspondientes a armónicas impares. 2. Los límites mostrados deben ser usados como el caso más desfavorable de operación normal. Para arranque de hornos eléctricos de arco, que toman un tiempo máximo de un minuto, se permite exceder los límites de la tabla en el 50%. 3. En ningún caso se permiten corrientes de carga con componentes de corriente directa. 23

24 Límites para los disturbios en la red causados por sistemas FV interconectados (2) Variaciones de voltaje (Flicker). La interconexión de generadores FV con la red de D de la compañía, no debe causar variaciones de voltaje que se encuentren fuera de los límites establecidos en CFE L (tabla 6.2). Factor de potencia. El inversor de corriente debe operar con un FP > 0.85 inductivo o capacitivo para potencias de salida superiores al 10% de la nominal. Para efecto de análisis, se considera el sistema FV como una carga; es decir, si la potencia reactiva fluye de la red al sistema FV entonces el FP es inductivo. 24

25 Ubicación y selección del sitio para la implementación de un vecindario FV 25

26 Lineamientos para la selección del transformador de distribución (TD) y las viviendas Características del TD Características de las viviendas Consideraciones adicionales en la selección del sitio Consideraciones de tipo técnico Consideraciones sociales Selección final del sitio Selección del circuito de distribución y/o fraccionamiento Selección del transformador Selección de las viviendas 26

27 Lineamientos para la selección del TD y las viviendas (1) Es función de las metas que se persiguen con la instalación de los sistemas FV en la red eléctrica de distribución de la CFE, así como de la región del país que se trate. Ambos factores están estrechamente relacionados. Se debe establecer hacia donde se planea canalizar la generación FV para maximizar su beneficio. La generación FV tiene diversas aplicaciones aún en el esquema de generación distribuida, sin embargo, se debe considerar cual de ellas resaltará: Reducción de demanda pico Sustitución de demanda base con energía convencional por limpia Soporte de redes débiles Reducción de pérdidas por T y D Efectos demostrativos de la tecnología 27

28 Lineamientos para la selección del TD y las viviendas (2) Se describen de manera general las características que se deben considerar para seleccionar el sitio apropiado para la instalación de uno o más sistemas y obtener así los mayores beneficios; independientemente de la aplicación. Prácticamente, tales características están enfocadas al TD en el cual se interconectarán los sistemas residenciales, y a las viviendas en las que potencialmente se pueden instalar. 28

29 Características del TD Una vez definida la aplicación en un proyecto, se parte de seleccionar el sitio más apropiado para la instalación de los sistemas FV para conectarse a la red. A fin de maximizar los beneficios potenciales de la tecnología para la compañía y/o sus usuarios se deben identificar los TD que reúnan las características más apropiadas para la aplicación. Características de la demanda en el TD Condiciones de carga del TD Crecimiento de la demanda Número de Acometidas Factibilidad de la instalación Características eléctricas 29

30 Características de la demanda en el TD (1) Punto muy importante puesto que de la demanda que tenga el TD dependerá el impacto final que tendrá la generación FV. Demanda baja Energía FV vertida a la red Percepción del usuario Monto de la energía (sin medición neta) consumida sin cambio Percepción de la compañía Alivio en su equipo eléctrico 30

31 Características de la demanda en el TD (2) Demanda alta Energía FV vertida al conjunto red-usuario Percepción del usuario No compra watts Percepción de la compañía Recibe soporte local de energía Se deben considerar los patrones de consumo horario típicos de la región y cerciorarse que el patrón local en el TD bajo consideración, sea el requerido por el proyecto. 31

32 Características de la demanda en el TD (3) Una forma de cerciorarse es midiendo la demanda en el periodo donde se llevará a cabo la generación FV; o Estimar el perfil de carga del TD a través de encuestas a los potenciales usuarios de los sistemas FV contemplados, donde se indague sobre sus hábitos. Ejemplo: En el caso del valle de Mexicali, B.C. donde se sabe que el pico máximo de demanda ocurre durante las tardes de verano; algunos TD en zonas residenciales no tienen ese patrón de consumo, debido a que algunas ó todas las viviendas alimentadas por éste no tienen ocupación por la tarde. 32

33 Condiciones de carga del transformador Relevante si la aplicación está orientada a reducir picos de demanda máxima. En tal caso, otra condición deseable es que el TD esté lo más cerca posible al límite de su capacidad en los periodos de demanda pico, así su vida útil se prolongará con la reducción de su demanda pico por la generación FV, y su reemplazo se prolongará algunos años. El incremento de la vida útil de los equipos de distribución y el diferimiento de inversiones, representa importantes beneficios económicos a la CFE. Las condiciones de carga del TD se pueden determinar por medición de la demanda o estimando éstas condiciones por el historial de servicio y la información sobre el monitoreo de TD que realiza el personal de CFE. 33

34 Ejemplo del impacto de la generación FV en la demanda Patrón de demanda eléctrica Sin generación FV :15 01:00 01:45 02:30 03:15 04:00 04:45 05:30 06:15 07:00 07:45 08:30 09:15 10:00 10:45 11:30 12:15 13:00 13:45 14:30 15:15 16:00 16:45 17:30 18:15 19:00 19:45 20:30 21:15 22:00 22:45 23:30 Demanda (kw) Con generación FV Hora del día Actual Aportación del SFVI Con un SFVI de 60 kwp 34

35 Crecimiento de la demanda Una vez identificadas las condiciones de operación, es deseable que el crecimiento esperado de la demanda en las viviendas que alimenta el TD sea moderado. Un crecimiento acelerado de la demanda implicaría que los beneficios derivados del alivio térmico, en poco tiempo podrían ser rebasados por la demanda eléctrica; haciendo necesario el reemplazo del TD y reduciendo por ende los beneficios económicos de aplazar estas inversiones. 35

36 Número de Acometidas La experiencia propone instalar alrededor de 12 sistemas FV de 2 kw cada uno (o bien una instalación de potencia equivalente e incluso menor), con el propósito de que se incrementen los beneficios a cada usuario involucrado en un proyecto de este tipo. Por consiguiente, es deseable que el TD en cuestión alimente al menos 12 acometidas. Alternativamente se podrían utilizar TD con menor número de acometidas, pero esto dependerá de los alcances del proyecto en particular. 36

37 SCADA Instrumentación Factibilidad de la instalación Otro aspecto en cuanto al TD es la factibilidad de instalación de los sistemas FV en los inmuebles, en cuanto a la magnitud de la demanda y características constructivas; y en caso de requerirse, la factibilidad de instalar un SCADA para el monitoreo de las condiciones operativas. 37

38 Características eléctricas La mayoría de los equipos que conforman un sistema FV es de procedencia extranjera y están adaptados para operar en sistemas eléctricos distintos al que fueron diseñados originalmente (i.e. frecuencia nominal, voltaje, etc.); tal es el caso del inversor. Por lo tanto, para esta tecnología (de reciente aparición) no existe asistencia técnica fuera del país de procedencia. Para ello se recomienda cerciorarse de los niveles de voltaje que presenta el TD, así como de procurar seleccionar un TD que cuente con taps. Con ello se evita que los inversores utilizados, ante cualquier variación transitoria de voltaje en la red, no disparen continuamente sus protecciones internas al determinar un ambiente eléctrico riesgoso. 38

39 Características de las viviendas Una vez identificados los circuitos de interés dentro de la red, habilitados con TD que pudieran cumplir con las condiciones requeridas, se deben identificar las viviendas cuyas características constructivas, de orientación y de uso de energía eléctrica sean, por una parte, compatibles con los requerimientos del proyecto, y por otra infieran que las condiciones de operación del TD son las deseadas: Disponibilidad de los dueños para participar en el proyecto Historial de consumo Equipos de aire acondicionado Aislamiento térmico Espacio disponible Orientación del arreglo Sistema eléctrico 39

40 Disponibilidad de los dueños para participar en el proyecto. Esta es una condición fundamental para la implementación de un proyecto de este tipo, aunque no es de carácter técnico. Los propietarios de las viviendas deberán estar de acuerdo en participar en el proyecto por el lapso planeado. Es recomendable especificar detalladamente la participación que tendrán en el proyecto FV, tanto los ocupantes como los propietarios, y la compañía; esencialmente en los beneficios que deben esperar cada uno y los compromisos que no variarán, independientemente de su valiosa participación. 40

41 Historial de consumo Es necesario considerarlo debido a que dependiendo de la etapa del año donde se requiere acentuar la generación FV, se deberá procurar tener un alto consumo de energía para que el resultado del proyecto pueda ser percibido de manera significativa. Equipos de aire acondicionado Cuando un proyecto FV está orientado a mitigar consumos de energía eléctrica por equipo de aire acondicionado (o enfriadores evaporativos), se recomienda que las viviendas seleccionadas utilicen equipos con capacidades entre 1 y 5 ton. en buen estado. Procurar aparatos de alta eficiencia. Estas mismas consideraciones pueden ser tomadas para equipos de calefacción en invierno. 41

42 Aislamiento térmico Enfocado principalmente a aplicaciones donde el ahorro energético es prioritario; como es el caso de regiones calurosas extremas donde el uso de equipo de aire acondicionado es una necesidad. Por lo tanto, las viviendas en cuestión deberán ser inmuebles con buena eficiencia energética. Para lograrlo es deseable que las casas cuenten con aislamiento térmico en el techo. El aislamiento térmico en muros y ventanas es también una condición recomendable. Esto permitirá principalmente que el usuario pueda apreciar en su demanda eléctrica (y maximizar) el beneficio de sistemas FV, y que en alguna forma se involucre mayormente. 42

43 Espacio disponible (1) La superficie a ocupar depende de la potencia instalada y del tipo de módulos que se utilicen. Se considera que cada kw p de módulos ocupa unos 10 m². Es fácil encontrar superficie disponible en la mayoría de los inmuebles, pero se recomienda considerar los techos o estructuras sobre las cocheras. Los arreglos FV pueden sustituir material de construcción con lo que el costo marginal del sistema se reduce. Es deseable que el inmueble cuente con una pared sombreada y resguardada en la que se puedan instalar los inversores, y si fuera el caso, equipos SCADA (de 2 a 3 m²). 43

44 Espacio disponible (2) El peso puede variar en función del tipo de módulo que se utilice, pero en general se pueden considerar unos 15 kg/m². En su caso, la estructura de soporte de los módulos podría pesar otros 10 kg/m². Los efectos del viento podrían suponer en algunos casos una carga adicional. En caso de instalarse en tejados y terrazas, el peso de los módulos no suele representar ningún problema, pero siempre es recomendable consultar la normativa vigente de construcción. Raramente habría que reforzar las estructuras. 44

45 Ejemplo 1: Espacio disponible, Mexicali B. C

46 Ejemplo 2: Espacio disponible, Hermosillo, Son. Aspecto de la vivienda antes de la instalación del sistema Aspecto y características de la azotea de la vivienda 46

47 Ejemplo 3: Espacio disponible, México D.F. (3) En el caso de edificios nuevos o de reformas importantes, el generador FV se puede integrar en el edificio, facilitando su instalación, optimizando su rendimiento y abaratando su costo. Proyecto: Green Corner 47

48 Orientación del arreglo (1) Esta es una de las características más importantes para el mejor aprovechamiento del recurso solar, por lo que la selección del sitio debe ser estratégica. Para fines prácticos se recomienda orientar el arreglo FV hacia el S con una inclinación similar a la latitud geográfica del sitio, con ello se maximiza la captación del recurso solar a lo largo del año. Sin embargo, dependiendo de la estación del año de interés, puede modificarse la inclinación propuesta. Si es el invierno entonces el ángulo de inclinación aumentará, pero si es en el verano éste debe disminuir. Independientemente de la inclinación que se le dé al arreglo para maximizar la captación de energía en alguna estación del año, se ha demostrado que la captación total anual en cada caso no guarda una diferencia significativa y lo único que se logra es incrementar la generación FV en la estación de interés. 48

49 Orientación del arreglo (2) Los arreglos FV se pueden instalar en terrazas, tejados y patios; pero también en las fachadas, ventanas, balcones, paredes y cornisas. Se debe considerar que en ningún momento del día los módulos deberán estar a la sombra, aunque sea sólo parcialmente; al menos durante las horas centrales del día. Para ello, es conveniente observar cuidadosamente durante el invierno, dónde se tienen sombras. Si se ubican los módulos en el techo, considérese el valor del ángulo medido con respecto al horizonte. Si se ubican en el suelo (no recomendable), evite que sean dañados proveyendo de protección. Una vez establecida la orientación del arreglo FV se debe estudiar la posibilidad de cambiar el ángulo de azimut (eje n-s) hacia la dirección solar durante las horas de demanda pico en los meses de verano; sobretodo cuando ésta no coincide con el pico de irradiancia solar diaria, y determinar si tal inclinación impactará de manera importante sobre la demanda del inmueble o bien del TD. Con base en ello, la disposición de las viviendas, particularmente de los techos, deberá facilitar esta orientación en caso de requerirse. 49

50 Ejemplo 1: Orientación del arreglo - Sur Mexicali, B. C. Hermosillo, Son. 50

51 Ejemplo 2: Orientación del arreglo - Sur Proyecto: Green Corner Vista Suroeste México, D. F. Mexicali, B. C. 51

52 Sistema eléctrico El sistema eléctrico de la vivienda deberá estar en buen estado y contar con un centro de carga a 127 ó 220 V; de proceder, se recomienda hacerla en la alimentación del equipo de aire acondicionado o similar. Debe tenerse presente que el voltaje de salida de la mayoría de los inversores FV europeos para interconexión a la red es de 220 V. Sin embargo, en caso de acometidas a 127 V es posible utilizar estos inversores en conjunción con un transformador reductor de alta eficiencia considerando las pérdidas intrínsecas. Es importante que cada circuito derivado del centro de carga tenga protección contra sobrecorriente. 52

53 Consideraciones adicionales en la selección del sitio En la selección del TD y las viviendas es necesario realizar visitas de prospección; siendo indispensable la colaboración del personal de la compañía suministradora, el cual puede aportar información técnica y social valiosa para el establecimiento de las opciones potenciales. Para la adecuada selección de las viviendas y el TD para la implementación de un proyecto FV exitoso se requiere realizar: Consideraciones de tipo técnico Consideraciones sociales 53

54 Consideraciones de tipo técnico El sistema eléctrico de D puede tener características muy particulares debido a su ubicación (región fronteriza, centro, sur, etc.), o bien por el tiempo de instalación. Los patrones de demanda característicos y la demanda pico se puede presentar en diferentes épocas del año. Por lo tanto, las consideraciones del tipo técnico son: Capacidad del sistema de D Conexión de los TD 54

55 Capacidad del sistema de distribución Identificar la capacidad del sistema en el que se pretenden instalar los sistemas FV; de ello depende en gran parte el éxito del proyecto. Considerar las características del equipo eléctrico y el pico de generación FV en días con alta irradiancia. Es común esperar un flujo de potencia real hacia la red; cuya magnitud depende de la capacidad FV total instalada. Considerar el comportamiento estocástico del recurso solar. Sobre el equipo eléctrico del sistema de D, considerar la capacidad nominal, configuración eléctrica y antigüedad. La importancia dependerá de la aplicación perseguida. Lo anterior abarca a los sistemas de protecciones, la configuración y capacidad de los transformadores, así como la capacidad de los conductores. 55

56 Ejemplo: Capacidad del sistema de D Como ejemplo se pueden citar las instalaciones del sistema eléctrico en Mexicali, B.C., donde parte del mismo está constituido por equipo cuya capacidad es de alrededor del doble del utilizado en el centro y sur del país; en promedio, las acometidas residenciales tienen una demanda contratada entre 8 y 12 kw, mientras que en el centro del país la demanda contratada promedio es la mitad. Lo anterior implica el doble de capacidad en TD por usuario. Evidentemente, buena parte de esta capacidad instalada permanece ociosa durante los meses de otoño a primavera, puesto que en ellos la demanda eléctrica es sensiblemente menor que la de verano. 56

57 Conexión de los TD (1) En el NO la gran mayoría de las acometidas residenciales se hacen en 2 fases, 3 hilos, de manera que todas las viviendas puedan tener servicio en 240 V (si es el caso) y 120 V para uso típico. En los nuevos desarrollos habitacionales (10 a 12 años a la fecha) se utilizan exclusivamente TD monofásicos con tap central en el secundario. Esto se debe a que en la actualidad los equipos de hasta 5 ton. de refrigeración (suficiente para una vivienda de tamaño medio en zonas calurosas) se fabrican para conexión bifásica a 240 V. Esto como resultado del incremento de la eficiencia en aires acondicionados y refrigeración; por las intensas campañas de ahorro de energía implementadas últimamente. 57

58 Conexión de los TD (2) Se recomienda optar por TD monofásicos, aunque cabe aclarar que existen pocas instalaciones antiguas (i.e. NO del país) que utilizan bancos trifásicos de transformadores, normalmente conectados en Δ abierta o en Δ completa. Esto debido a que todavía hace algunos años, todos los equipos de aire acondicionado requerían conexión 3 φ por su baja eficiencia. Finalmente, para la realización de proyectos FV de este tipo, se recomienda seleccionar TD de tipo 1φ con capacidad <= a 75 kva. Lo anterior debido a dos razones fundamentales: 1. Es actualmente un estándar en la mayoría de las instalaciones de D, y en caso de ser necesario, 2. Resulta más simple, y económica su instrumentación y monitoreo en comparación con la de un banco trifásico de transformadores (TD Mexicali). 58

59 Consideraciones sociales (1) Tan importantes como las técnicas para lograr la sustentabilidad de un proyecto FV. Una de las estratégicas es la del consumo y facturación eléctrica en el sector doméstico de la región donde se pretende desarrollar el proyecto. Por ejemplo, los consumos eléctricos residenciales en localidades con climas extremosos son de 5 a 6 veces mayores que los del centro y sur del país (verano), por lo que estas aplicaciones pueden ser atractivas para la compañía eléctrica y los usuarios. En razón de que a pesar de que las tarifas eléctricas están subsidiadas en verano, los altos consumos de energía representan una carga económica significativa para la economía familiar; aún en los casos del norte donde el nivel socioeconómico promedio es un poco mejor que en el resto del país. Existen esquemas para la reducción del consumo tanto en el sector doméstico (FIPATERM), como en el industrial (PAESE). 59

60 Consideraciones sociales (2) Una mayor reducción de tarifas eléctricas de verano es uno de los clamores sociales más importantes desde hace algún tiempo. Tener presente que uno de los objetivos específicos de este tipo de proyectos es que la generación FV contribuya a reducir la demanda pico que enfrentan las compañías eléctricas y por ende la facturación en los diferentes sectores; tomando como punto de partida la sustitución de energía pico, que tiene un alto costo de producción, T y D. Como se puede percibir, en este contexto, los sistemas FV pueden contribuir a elevar la eficiencia energética significativamente, resaltando además su componente ecológica. 60

61 Selección final del sitio Se debe realizar tomando en consideración los lineamientos generales, y las consideraciones adicionales de tipo técnico y social comentadas anteriormente. Sin embargo, es posible encontrar varios sitios que cubran los requerimientos y entonces se deba realizar un análisis más selectivo. Para ello, se propone una serie de puntos a ponderar para la adecuada selección: Selección del fraccionamiento Selección del transformador Selección de las viviendas 61

62 Selección del fraccionamiento Como se comentó, es imprescindible apoyarse en el personal de CFE del área para llevar a cabo una preselección de colonias factibles antes de la selección final. Un número suficiente de sitios preseleccionados puede ser alrededor de 10, entre los cuales se ponderan sus ventajas y desventajas estratégicas al proyecto FV. Los criterios pueden ser: Antigüedad del fraccionamiento, Nivel socio-económico, Factibilidad de instalación y Algunas observaciones relacionadas con el tipo de familias; es decir si son jóvenes o adultas, ya que de ello dependerán sus hábitos de consumo de energía eléctrica 62

63 Selección del transformador Una vez seleccionado el fraccionamiento, es conveniente indagar sobre el tipo de TD existentes, ya que se pueden encontrar algunos de ellos en condiciones que evidencian la posibilidad de estar en el límite de su capacidad térmica. La selección dependerá del enfoque que tenga el proyecto correspondiente. Una vez corroborado el número de acometidas del TD es necesario cerciorarse del interés de los propietarios de las viviendas, ya que su disposición para participar en el proyecto es importante. 63

64 Mexicali, B. C. Mexicali, B. C. Mexicali, B. C. México, D. F. 64

65 Selección de las viviendas (1) Para la selección final, se deben realizar encuestas relacionadas con sus hábitos de consumo de energía eléctrica a varios usuarios en bloques de casas adyacentes, con fachada principal orientada al sur y cuyas acometidas deben provenir preferentemente del mismo TD. Tal información se debe correlacionar con estadísticas de consumo de CFE, de manera que se corroboren los hábitos de consumo eléctrico en función del consumo de energía en las viviendas. 65

66 Selección de las viviendas (2) A partir de la misma información realizar la selección del grupo de viviendas que cumple con los requisitos deseados. A la medida de lo posible, seleccionar viviendas contiguas, de una sola planta y que tengan de preferencia el mismo tipo constructivo, distribución y dimensiones. En la cochera de una casa típica de 6.7 m de ancho x 5.5 m de fondo se puede instalar un generador FV de 2 kwp. Finalmente se aclara que los criterios aquí propuestos en forma general sugieren las condiciones deseables que contribuyen a maximizar el beneficio de los sistemas, sin embargo, pueden ser balanceados de acuerdo con los objetivos perseguidos en el proyecto. 66

67 Dimensionamiento 67

68 Dimensionamiento Para un sistema FV residencial éste está basado en el esquema modular, lo que permite en cualquier momento ampliar la capacidad instalada en forma práctica y sencilla. Para el dimensionamiento de un sistema FV se debe considerar el enfoque que tendrá el proyecto. Es decir, la cantidad de energía FV a generar depende de los objetivos específicos del proyecto. Método 1: A partir del factor de planta Método 2: A partir de la irradiación diaria promedio 68

69 Método 1: A partir del factor de planta Para su aplicación se requiere que se cuente con información previa de una instalación piloto interconectada a red - para conocer el valor promedio del factor de planta (definición en anexo A) en el sitio. Contar con este valor refleja el desempeño operacional de un sistema FV de este tipo con el recurso solar en el sitio. Este refleja de manera global el desempeño energético del sistema conversor. Obtener este valor puede ser complicado, sobretodo en nuestro país donde no es común este tipo de sistemas y mucho menos su monitoreo. 69

70 Método 2: A partir de la irradiación diaria promedio Su aplicación es más factible, dado que el valor de la irradiación promedio diaria (definición en anexo A) en determinado sitio, se puede obtener de bases de datos anuales de estaciones hidroclimatológicas automáticas (EHCA s) del SMN o de mapas de irradiación global anual generados por diversas instituciones (UNAM, IIE, etc.). Es necesario comentar que aunque el valor obtenido a través de un mapa de irradiación es útil para el dimensionamiento, no se debe olvidar que éste proviene de una modelación, lo que reduce la precisión de los cálculos obtenidos; dependiendo de la región. 70

71 Método 1: A partir del factor de planta Este es directamente proporcional a la energía total de salida del sistema FV durante un año, e inversamente proporcional a la energía que debería entregar el sistema FV durante el mismo periodo considerando la capacidad nominal del sistema. Fp P O ETOT *100 *8760 donde: Fp = Factor de planta (%). ETOT = Energía anual entregada por el sistema (kwh). PO = Potencia nominal (kwp) = Número de horas al año. Desarrollo del Método 1 71

72 Conociendo el factor de planta de un sistema FV conectado a red en la región, y la cantidad de energía que deseamos aporte el sistema FV por año, podemos conocer la potencia pico que necesita tener el generador FV del sistema: P O E TOT Fp *8760 *100 Una vez determinado el valor de la potencia pico del sistema FV se debe considerar el tipo de módulos FV a utilizar (área a ocupar) y corroborar si existe tal espacio. Desarrollo del Método 1 72

73 Ejemplo del Método 1 De acuerdo con resultados obtenidos en sistemas FV piloto operando en regiones con alta irradiancia y temperatura ambiente (> 32ºC en verano), con un mínimo de mantenimiento, se sabe que es posible generar electricidad FV con un factor de planta anual de 17%. Esto implica que un sistema con una capacidad nominal de 1 kwp en su generador FV, produciría alrededor de 1500 kwh por año. Si el consumo eléctrico promedio de una vivienda oscila alrededor de 250 kwh/mes, el citado sistema suministraría el 50 % de sus requerimientos energéticos en el año. Considerando que toda la energía FV se consume en la vivienda. 73

74 Método 2: A partir de la irradiación diaria promedio Mediante la siguiente ecuación se puede conocer la energía eléctrica anual que puede entregar un sistema FV en su salida. donde: E Irr * A * * * TOT DIARIA O INV GFV N d ETOT = Energía total de salida del sistema FV (kwh). = Irradiación diaria promedio (kwh/m²-día). A O = Área efectiva del generador FV (m²). η INV = Eficiencia del inversor o inversores (%). η GFV = Eficiencia del generador FV (%). Nd = Número de días al año. IrrDIARIA Conociendo cada valor en el sitio, y una vez preseleccionado el tipo de módulos que se pretende instalar, se puede conocer el área (A O ) de captación requerida para el generador FV (ecuación 6.4). El valor de eficiencia del inversor puede ser estimado en 92%, no hay variación significativa. Desarrollo del Método 2 74

75 A O Irr DIARIA E TOT * * INV GFV * N d Ec (6.4) A partir del área efectiva que debe tener el generador FV se puede conocer su potencia nominal. Utilizando la hoja de especificación de los módulos se obtiene el área por módulo. El número de módulos necesarios se determina por: donde: N A A O MFV Ec. (6.5) N = Número de módulos del generador FV AO = Área efectiva del generador FV (m²). AMFV = Área efectiva por módulo FV (m²). Finalmente, con la ecuación 6.6 se obtiene la potencia nominal requerida para el sistema en diseño. Con esta misma información se puede hacer la estimación del factor de planta, utilizando la ecuación 6.1. Desarrollo del Método 2 75

76 donde: P N * O P MFV Ec. (6.6) PO = Potencia nominal del generador FV (kwp). N = Número de módulos del generador FV del sistema. PMFV = Potencia nominal del módulo FV (kwp). En ambos métodos se debe considerar que la eficiencia de los módulos FV está relacionada directamente con el área que ocupan, así mismo, entre menor sea ésta mayor será el costo del módulo, lo cual deberá ser ponderado. Desarrollo del Método 2 76

77 Diseño eléctrico 77

78 Configuración eléctrica Generador FV conectado a tierra Generador FV flotante Protecciones para la sección de CA Protecciones contra operación en modo isla (islanding) Implicaciones para la compañía eléctrica en la operación en modo isla Reconexión con la red Desviación del voltaje de la red Desviación de la frecuencia de la red Protección contra inyección de CD en la red Medios de desconexión de la red Protección contra cortocircuito Protección contra sobrecorriente Protecciones a los equipos del sistema FV Medios para deshabilitar el arreglo FV Detección de fallas a tierra Protecciones contra sobrecorriente Protección contra sobrevoltajes Medios de desconexión Otras protecciones al generador 78

79 Diseño eléctrico (1) Es relativamente simple, por lo tanto es susceptible de estandarización con base en lineamientos y normas dados. Una restricción para este proceso es la capacidad de los inversores disponibles comercialmente y su costo. Es recomendable que el voltaje de operación del generador FV (aplicaciones residenciales) 250 VCD, con el objeto de reducir los riesgos derivados de un contacto accidental. Esto no releva al diseñador de considerar y aplicar las medidas necesarias para que la probabilidad de contacto accidental sea mínima. Lo anterior se puede lograr mediante el uso de módulos FV y dispositivos con doble aislamiento. 79

80 Diseño eléctrico (2) Sobre las características eléctricas del generador FV, se requiere de un análisis detallado para proponer los arreglos serieparalelo que optimicen el diseño. Girarán en torno al voltaje de entrada del inversor seleccionado, sin embargo, se recuerda que es conveniente buscar un voltaje de operación lo más alto posible. Es importante tener siempre presente los lineamientos establecidos por la normatividad correspondiente para la instalación de sistemas FV. Por último, cabe mencionar que los interruptores y fusibles para uso en corriente directa son costosos y difíciles de encontrar cuando el voltaje de operación supera los 125 VCD; por lo tanto, un voltaje de circuito abierto de 125 VCD es un buen compromiso entre seguridad, eficiencia y costo de los dispositivos. 80

81 Configuración eléctrica Existen 2 posibles configuraciones para el diseño de sistemas de hasta 25 kw. Generador FV conectado a tierra Generador FV flotante Ambos modos de operación involucran ventajas y desventajas en su aplicación. Sin embargo, cuando los sistemas están bien diseñados pueden operar de manera segura y eficiente en cualquiera de ellas. En los diagramas de las figuras 6.1 y 6.2 se muestra el diagrama de 2 sistemas FV en los que la salida CD del generador es de dos hilos; sin embargo, en ambos casos es posible una configuración con tap central, es decir, con salida de CD a tres hilos (positivo, negativo y neutro). 81

82 Generador FV conectado a tierra Diagrama eléctrico en la figura 6.1. El circuito de salida del arreglo FV se encuentra conectado a tierra. Un número de variantes a este circuito es posible, particularmente la protección contra fallas a tierra no es indispensable en todos los casos; por otra parte, es posible el uso de fusibles. La configuración provee buena protección a los equipos contra posibles sobrevoltajes. En lo que a seguridad de las personas se refiere, algunos códigos consideran más seguro contar con una referencia a tierra en los voltajes del sistema porque de esa manera el personal de mantenimiento tendrá que ser cauteloso al realizar inspecciones y mantenimiento con el sistema energizado. Una posible desventaja es que las fallas de aislamiento pueden provocar arcos eléctricos con facilidad y por lo tanto el riesgo de incendios aumenta. 82

83 Figura 6.1. Configuración eléctrica con generador FV aterrizado. 83

84 Generador FV flotante También es posible un número de variantes. Particularmente el uso de un monitor de aislamiento no es indispensable, en cuyo caso, tampoco lo es el transformador de aislamiento. Es posible el uso de fusibles como dispositivos de sobrecorriente. Diagrama eléctrico en la figura

85 Figura 6.2. Configuración eléctrica con generador FV flotante. 85

86 Protecciones para la sección de CA (1) Las protecciones en la salida del inversor y la interfaz con la red son muy importantes, puesto que de ellas depende en gran medida la confiabilidad del sistema para operar en paralelo con la red eléctrica. El esquema de protecciones requerido para generadores FV distribuidos de pequeña capacidad (hasta 25 kw) e interconectados, tiene características particulares relacionadas principalmente con la condición de generadores dispersos, el uso de convertidores estáticos CD/CA y su capacidad. 86

87 Protecciones para la sección de CA (2) A continuación se citan las protecciones para lograr una interconexión segura para las personas que interactúan con el sistema FV y la red a la cual se encuentra conectado, así como para los equipos que conforman ambos sistemas. Algunas de estas protecciones están comúnmente incorporadas en el diseño del inversor, por lo tanto, es imprescindible constatarlo al seleccionar y adquirir tal equipo. Es permitido instalar protecciones adicionales al inversor, es decir protecciones redundantes. 87

88 Protecciones contra operación en modo isla (islanding) Para evitarla, el sistema FV debe contar con protecciones que manden la desconexión de la red en caso de voltaje o frecuencia fuera de los límites especificados por CFE o CLyFC. Esta medida reduce considerablemente las probabilidades de que ocurra la condición de operación en modo isla, sin embargo es recomendable el empleo de un método de detección adicional como respaldo. Existen varios métodos para detectar la operación en modo isla cuando ésta no es detectable por las protecciones contra desviación de voltaje y frecuencia. El método elegido deberá ser probado para certificar su efectividad en la detección de operación en modo isla cuando la potencia real y reactiva hacia la red tiende a cero, en cuyo caso el tiempo de respuesta deberá ser 60 seg. 88

89 Implicaciones para la compañía eléctrica en la operación en modo isla Una cuestión importante de considerar con respecto al trabajo en líneas de distribución con generadores dispersos, es verificar que no exista tensión alterna ni continua en la línea antes de iniciar el trabajo en ella. Adicionalmente, se deben seguir todos los lineamientos de seguridad establecidos. Reconexión con la red Si el sistema FV ha sido desconectado de la red a causa de algún disturbio o interrupción en ella, el sistema de protecciones debe mandar la reconexión hasta que el voltaje y la frecuencia se hayan restablecido a sus valores normales por un lapso > 1 min. 89

90 Desviación del voltaje de la red Si el voltaje de la red sale de los límites por más de 2 segundos, las protecciones deben desconectar al sistema FV. Entre otras cosas esta protección reduce la probabilidad de operación de los sistemas FV dispersos en modo isla. El tiempo de retraso es indispensable para eliminar desconexiones innecesarias a causa de caídas de tensión y sobrevoltajes de naturaleza transitoria. Desviación de la frecuencia de la red Si la frecuencia de la red está fuera del intervalo [59 Hz < f < 61 Hz] las protecciones deben desconectar al sistema FV de la red. Esta protección, al igual que la de desviación de voltaje, reduce la probabilidad de operación en modo isla, y evita daños a los equipos de la red y sus usuarios. 90

91 Protección contra inyección de CD en la red Los inversores pueden inyectar CD a la red por causa de alguna falla en el sistema de control o de potencia. Inyectar CD a la red puede causar saturación en los TD y daños a los equipos conectados a ella. Por lo tanto se debe proveer de algún medio de protección para evitarla. Se recomienda usar un transformador de aislamiento para proveer protección al respecto. El empleo de un circuito detector de CD y un interruptor de capacidad adecuada también es una solución satisfactoria [61]. 91

92 Medios de desconexión de la red (1) Todo sistema eléctrico interconectado con la red debe contar con algún medio de desconexión que permita la separación de la red en caso de falla o para realizar labores de mantenimiento. La necesidad de contar con ello, es aún más imperiosa porque se presenta la posibilidad de operación en modo isla que implica riesgos al personal de la compañía. Por cuestiones de seguridad y flexibilidad en la operación del sistema se recomienda el empleo de 2 interruptores de separación en la interfaz con la red; INT1 e INT2 en la figura 6.3. La configuración permite alimentar las cargas del inmueble cuando se tiene el sistema FV fuera de servicio y permite también la separación completa de la red. 92

93 Subsistema de Control y Monitoreo Subsistema ~ Gen. Acond. de FV Potencia INT1 INT2 RED Cargas Locales Figura 6.3. Localización de los interruptores de desconexión con la red. 93

94 Medios de desconexión de la red (2) Interruptor de separación a la salida del inversor (INT1). Interruptor termomagnético que permite la desconexión del sistema de la red y las cargas. La calibración del dispositivo de sobrecorriente se determina en función de la potencia máxima de salida del inversor. Interruptor general de servicio del inmueble (INT2). Adicional a INT1, la compañía establece el uso de un interruptor de servicio para la acometida eléctrica en el inmueble (figura 6.3). Este interruptor normalmente debe ser accesible al personal de la compañía. 94

95 Protección contra cortocircuito Como regla general, todos los aparatos que se conectan a la red eléctrica deben contar con protección en caso de cortocircuito. Para tal propósito, el interruptor de separación de la red (INT1) puede contar con un elemento magnético figura 6.3. La protección contra cortocircuito no tiene la finalidad de proteger al sistema de sobrecorrientes provenientes del generador FV, sino de corrientes de cortocircuito provenientes de la red, a causa de alguna falla en el sistema de acondicionamiento de potencia o en el generador FV. Protección contra sobrecorriente A la salida del sistema de acondicionamiento de potencia debe de proveerse algún tipo de protección térmica contra sobrecorriente. El valor de calibración del dispositivo de sobrecorriente debe ser igual al valor de corriente de plena carga del inversor. El interruptor de separación con la red puede incluir un elemento térmico para este propósito. Los dispositivos de sobrecorriente que estén energizados por ambos lados, deben contar con una placa que indique esta circunstancia para reducir riesgos de contacto con partes vivas a los usuarios y personal de servicio. 95

96 Protecciones a los equipos del sistema FV En esta sección se agrupan las protecciones recomendadas para los equipos del sistema FV. En general los sistemas FV son sistemas confiables por no tener partes en movimiento. Por ello, la probabilidad de fallas es pequeña; Sin embargo, es conveniente proveer a los equipos de algunas protecciones para garantizar la seguridad de personas e instalaciones. 96

97 Medios para deshabilitar el arreglo FV (1) Todo sistema de generación debe contar con medios para sacar de operación al generador; sea por mantenimiento o como protección contra fallas en algún componente. Los generadores FV no son la excepción al respecto. Sin embargo, en principio, la única forma de apagar un generador FV es cubriéndolo de la luz. Ya que esta medida es poco práctica y económica en algunas situaciones, es mejor recurrir a otro método. Deshabilitar un arreglo FV puede significar alguna de tres condiciones diferentes: 1. Evitar que el arreglo produzca salida alguna. 2. Reducir el voltaje de salida a cero. 3. Reducir la corriente de salida a cero. 97

98 Medios para deshabilitar el arreglo FV (2) La primera es la más segura pero requiere cubrir el arreglo. De las otras dos opciones se debe definir que resulta menos riesgoso y más fácil de manejar. En arreglos de pequeña capacidad ( 2 kw), y cuyo voltaje de circuito abierto no exceda 200 V, resulta suficiente abrir las terminales del circuito de salida de CD para deshabilitar el arreglo. Para este propósito se debe utilizar un interruptor para CD que cumpla con las especificaciones para operar al voltaje y corriente de dicho circuito. En arreglos FV con potencias superiores a 2 kw, es recomendable contar con medios de desconexión para seccionar el arreglo en segmentos cuyo voltaje de circuito abierto sea < 200 VCD y su corriente de cortocircuito 20 A. Esto permitirá llevar a cabo labores de mantenimiento de manera segura. Además, resulta conveniente que el subsistema de control mande la apertura de los interruptores de seccionamiento en caso de falla en el arreglo FV. 98

99 Ejemplos: Medios para deshabilitar el arreglo FV 99

100 Detección de fallas a tierra (1) Son potencialmente peligrosas debido a que pueden producir arcos eléctricos y en consecuencia incendios. Los generadores FV son esencialmente fuentes de corriente, por lo tanto son capaces de producir arcos eléctricos por tiempo prolongado, con corrientes de falla que no fundirían un fusible. Se recomienda proveer de un sistema de detección en instalaciones donde existan riesgos de incendios por localizarse cerca de materiales flamables. En estos casos, se puede omitir su uso cuando todos los componentes que conforman el generador FV cuentan con doble aislamiento (clase II) y las instalaciones se han hecho de manera que se minimicen las posibles fallas en el cableado. 100

101 Detección de fallas a tierra (2) También es conveniente contar con medios de detección en instalaciones con Po pico > 1 kw, ya que a medida que se incrementa el tamaño del generador FV resulta más difícil su detección y localización. El tipo de sistema de detección depende de las condiciones de puesta a tierra del generador FV. En cualquier caso debe: Detectar la falla a tierra Interrumpir la corriente de falla Deshabilitar el arreglo Además, es recomendable que el detector cuente con un sistema de alarma o una indicación en el panel de control que indique claramente el tipo de falla ocurrida. 101

102 Protecciones contra sobrecorriente Las protecciones contra sobrecorrientes tienen un papel importante para garantizar la seguridad de los equipos que conforman un sistema FV. Las consideraciones a seguir para su instalación son: Protección a las ramas del arreglo o subarreglo Protección al circuito de salida de los subarreglos del generador FV Protección al circuito de salida del arreglo FV Protecciones en el sistema de CA 102

103 Protección a las ramas del arreglo o subarreglo (1) Cada una de las ramas del arreglo o arreglos deben protegerse con dispositivos de sobrecorriente. En generadores FV aterrizados no deben instalarse dispositivos de sobrecorriente en conductores a tierra porque su apertura pondría al circuito en modo flotante; solamente se requiere un dispositivo en el polo positivo de cada rama (figura 6.4-a). 103

104 Generador aterrizado Generador flotante + + (a) - (b) - Figura 6.4. Dispositivos de sobrecorriente en ramas y subarreglos de un generador FV. 104

105 Protección a las ramas del arreglo o subarreglo (2) En generadores FV flotantes, instalar 2 dispositivos de sobrecorriente en cada rama, polos positivo y negativo respectivamente (figura 6.4- b). Excepción 1. Cuando el arreglo o subarreglo tiene menos de tres ramas en paralelo y se han seguido las prácticas de instalación recomendadas en las subsecciones , y Excepción 2. Cuando los equipos que conforman el generador FV cuentan con doble aislamiento (clase II) y se han seguido las prácticas de instalación recomendadas en y Excepción 3. Cuando el generador FV cuenta con un sistema de detección de fallas a tierra que opera de manera permanente y se han seguido las prácticas de instalación recomendadas en y

106 Protección al circuito de salida de los subarreglos del generador FV Se deben proteger los conductores del circuito de salida de cada subarreglo con dispositivos de sobrecorriente. En generadores aterrizados no deben instalarse dispositivos de sobrecorriente en conductores a tierra porque su apertura flotaría el circuito correspondiente; solamente se requiere un dispositivo de sobrecorriente en el polo positivo de cada subarreglo (figura 6.4-a). En generadores FV flotantes, es necesario instalar dispositivos de sobrecorriente en cada polo del circuito de salida del subarreglo correspondiente (figura 6.4-b). Excepciones. Cuando el arreglo tiene menos de 3 subarreglos conectados en paralelo, cada rama cuenta con protección contra sobrecorriente y se han seguido las prácticas de instalación recomendadas en y Además se tienen las excepciones 2 y 3 de la subsección anterior y las consideraciones para la selección de dispositivos de sobrecorriente. 106

107 Protección al circuito de salida del arreglo FV No es necesario proteger el circuito de salida del arreglo FV contra sobrecorrientes porque el arreglo no es capaz de producirlas en su circuito de salida. En cualquier caso el uso de un medio de desconexión en el circuito de salida del arreglo es indispensable (sección ). Protecciones en el sistema de CA Las protecciones contra sobrecorriente en el sistema de CA han sido expuestas en las secciones y Los interruptores de separación de la red no solo proveen protección a la interfaz, sino también a los equipos del sistema FV de posibles corrientes de falla provenientes de la red. 107

108 Protección contra sobrevoltajes En instalaciones FV ligadas a la red son causados por factores internos y externos. Entre los internos están las fallas en componentes, errores de operación y transitorios por conmutación. De los externos, sus causas principales son las descargas atmosféricas; otras causas externas al sistema son transitorios en la red y en la carga local. Es indispensable proveer medios de protección de este tipo en instalaciones FV, con la finalidad de proteger a los equipos de posibles daños, asegurar la continuidad del servicio que proporcionan, y principalmente reducir riesgos a las personas que interactúan con el sistema. Para lograr una protección adecuada se deben implementar las medidas de protección que se establecen en la norma IEC ( ); ver una de sus versiones en la sección C

109 Recomendaciones adicionales a. Se debe evitar la formación de espiras conductoras de gran área, particularmente es recomendable que los conductores positivo y negativo del circuito de salida del generador FV discurran juntos. Esto reduce los sobrevoltajes inducidos en el sistema eléctrico por descargas atmosféricas cercanas. b. Los conductores de tierra de equipos no deben correr paralelamente o cerca de conductores de corriente para minimizar el acoplamiento de sobrevoltajes al sistema. c. Los conductores de tierra de los equipos deben ser lo más cortos posible, y se deben conectar directamente al electrodo de tierra más cercano o al bus de tierra. d. El uso de estructuras de montaje de sección transversal grande ayuda a reducir los sobrevoltajes inducidos, porque la corriente inducida en ellas tiene el efecto de producir un campo magnético que se opone al campo que la produce. 109

110 Medios de desconexión (1) Su necesidad en un sistema eléctrico de potencia es evidente. Es indispensable contar con medios que permitan seccionar el sistema y desenergizar los equipos que lo conforman (sección ). En sistemas aterrizados, los medios de desconexión manuales o automáticos deben instalarse sólo en los conductores no aterrizados. Una excepción a esta regla ocurre en el circuito de salida del generador FV cuando el sistema de protección contra fallas a tierra prevé la desconexión del conductor aterrizado del sistema para interrumpir la corriente de falla (ver sistema CD aterrizado en sección ). Para el caso de sistemas flotantes se deben proveer éstos para ambos polos de los circuitos de CD que conforman al generador FV. 110

111 Medios de desconexión (2) Medios de desconexión para los equipos Medios de desconexión para seccionar un arreglo FV 111

112 Medios de desconexión para los equipos Cada equipo en un sistema FV debe tener medios de desconexión para aislarlo de los demás equipos y de todas las fuentes de energía. Estos pueden ser interruptores o conectores dependiendo de su función dentro del sistema. Interruptores localizados apropiadamente, con la calibración y capacidad de interrupción adecuadas, cumplen con las funciones de desconexión y protección contra sobrecorriente y cortocircuito. En algunos casos, el uso de un interruptor termomagnético puede ser menos costoso que un interruptor más un fusible en serie. En el diagrama siguiente se ilustra la localización de los medios de desconexión para los posibles equipos que conforman un sistema FV conectado a la red eléctrica. Un interruptor entre el inversor y el transformador no es necesario. 112

113 Gen FV Inversor TX Medidores Red = ~ kwh ~ Carga Local Figura 6.5. Medios de desconexión para los equipos de un sistema FV. 113

114 Medios de desconexión para seccionar un arreglo FV Es necesario contar con medios que permitan seccionar el arreglo en segmentos no peligrosos. Así mismo, los medios de seccionamiento son útiles para mantenimiento al arreglo FV. Para cumplir este requerimiento se deben instalar medios de desconexión para cada rama y para cada subarreglo del generador FV. Los medios de desconexión para seccionamiento del arreglo pueden ser interruptores o conectores que cumplan con las especificaciones establecidas en la sección El empleo de interruptores termomagnéticos es recomendable porque además de los medios de desconexión necesarios, provee las protecciones contra sobrecorriente que se especifican en la sección En arreglos de bajo voltaje ( 48 V nominales), y de pequeña capacidad ( 2 kw), el uso de fusibles en cada rama puede sustituir a los medios de desconexión, a la vez que proporciona protección contra sobrecorriente. 114

115 Otras protecciones al generador (1) Diodos de bloqueo Se pueden utilizar opcionalmente en cada rama del arreglo, adicionalmente a las protecciones por sobrecorriente (figura 6.4). Estos no son dispositivos de sobrecorriente, sin embargo ayudan a controlar algunas corrientes de falla en las ramas del generador FV. Para minimizar las pérdidas por conducción se recomienda usar diodos Schottky. Se recomienda sobredimensionar la corriente nominal en un 50% para reducir las caídas resistivas en estos diodos, ya que su resistencia en estado de conducción disminuye al aumentar su capacidad. En cuanto al voltaje de bloqueo, este debe ser al menos el doble del Voc del arreglo, esto con el propósito de compensar los sobrevoltajes que se pueden presentar por descargas atmosféricas y maniobras de conmutación (sección 5.1.1). 115

116 Otras protecciones al generador (2) Diodos de paso (bypass) Como se comentó en la sección 5.1.2, estos se utilizan para aliviar la disipación de energía en los módulos, causada por el sombreado parcial o total de uno o más módulos. Su uso es indispensable ya que evita daños mayores a los módulos y reduce considerablemente las pérdidas de potencia por sombreado. Se recomienda usar por lo menos uno en antiparalelo con cada módulo del arreglo. Normalmente los fabricantes incluyen 1 ó 2 en cada módulo, en cuyo caso no es necesario instalar adicionales. 116

117 Diseño de estructuras 117

118 Diseño de estructuras Se debe realizar a partir de las características físicas y dimensiones específicas de los módulos elegidos durante la etapa de diseño eléctrico, considerando el espacio disponible en cada vivienda, así como la orientación óptima requerida. Esta última se debe obtener durante un proceso previo de prospección del sitio para la instalación de los arreglos (sección ). Características generales de las estructuras 118

119 Ejemplo: Diseño de estructuras Proyecto: Green Corner 119

120 Características generales de las estructuras (1) La instalación de los arreglos FV debe procurase en la cochera de la vivienda debido a: 1. El techo puede estar térmicamente aislado o impermeabilizado (depende de la región), lo cual dificulta el anclaje de cualquier estructura e incrementa el riesgo de filtraciones por daños; 2. El techado de la cochera es una práctica común, dado que reduce su carga térmica y protege de la irradiación solar directa a los automóviles. En virtud de que los módulos FV son un excelente elemento de sombreado, se puede optar por aprovechar esta característica que puede resultar atractiva a los usuarios porque puede remplazar material de construcción destinado para el mismo fin. 120

121 Detalle de uniones de columnas y largueros de estructuras fijas Detalle de ménsula de sujeción posterior en arreglo móvil (0º) 121

122 Características generales de las estructuras (2) Deben diseñarse para que los arreglos FV queden orientados hacia el sur (azimut cero), con su elevación correspondiente. Pueden ser fabricadas en acero mon-ten de 4 x 2, lo cual proporciona una superficie de asiento suficiente para el montaje de los módulos FV y facilita la instalación de éstos. Este material, aparte de ser resistente para esta aplicación, es económico y se encuentra comercialmente en casi cualquier sitio. La disposición y características específicas del material seleccionado responde básicamente a: Las dimensiones, número y peso de los módulos, La magnitud de los claros entre apoyos y al tipo de apoyos, al propio peso del material, Al tipo y magnitud de las cargas a la que se somete A las características específicas de resistencia mecánica y módulo de sección del material utilizado. 122

123 Arreglo con Módulos FV, con ángulo horario 0º Arreglo con módulos FV, con ángulo horario -15º 123

124 Características generales de las estructuras (3) Dependiendo de las características del proyecto en cuanto a la instalación de los sistemas FV en las viviendas, las uniones entre elementos estructurales pueden ser uniones mediante pernos roscados o soldadas; Esta última reduce el tiempo de construcción y el costo de la pieza. 124

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