UNIDAD 3: INSTALACIONES AISLADAS

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1 UNIDAD 3: INSTALACIONES AISLADAS Como se ha comentado en las unidades anteriores la aplicación de la energía solar más prometedora es sin lugar a dudas la fotovoltaica, ya que es la que ha experimentado un mayor incremento. Haciendo que a medida que crece su implantación, desciende su coste. Este hecho ha constituido un gran avance en las instalaciones fotovoltaicas aisladas, proyectándose como una alternativa prioritaria con respecto a la conexión a la red eléctrica. La energía generada durante las horas de sol será almacenada en baterías o acumuladores, desde donde será tomada para su consumo. Sus aplicaciones son muy variadas: Alumbrado público. Electrificación de zonas rurales. Alimentación eléctrica en viviendas situadas en lugares de difícil acceso. Embarcaciones. Autocaravanas. Etc. 1 CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE UNA RED AISLADA. Las instalaciones fotovoltaicas autónomas o aisladas son instalaciones no conectadas a la red general de distribución eléctrica. Su tamaño, por lo general, es menor que el de las instalaciones conectadas a red, y la potencia instalada no suele superar unos pocos kilovatios. Existen aplicaciones muy diversas para esta clase de sistemas: El consumo eléctrico de viviendas o edificios, especialmente en zonas rurales. El alumbrado público. El consumo de instalaciones agropecuarias alejadas de la red de distribución eléctrica. La electrificación en zonas del Tercer Mundo en las que la red eléctrica se halla aún poco desarrollada. El bombeo y tratamiento de aguas. La señalización en calles y carreteras, o las aplicaciones de medición, cámaras, o las aplicaciones de medición, cámaras de vídeo, etcétera. 1.1 Costes y beneficios de una instalación aislada. Esta clase de instalaciones suele desarrollarse en lugares en los que es difícil o costoso llevar la red de distribución al emplazamiento. Existen muchas aplicaciones en las que la

2 instalación de un sistema aislado tiene un coste inferior (en ocasiones muy inferior) a la conexión a la red general. Si además tenemos en cuenta el ahorro de la factura eléctrica durante toda la vida útil de la instalación fotovoltaica, esta resulta ser la opción más racional económicamente para muchos lugares y aplicaciones. Es sistema suele dimensionar con una potencia instalada y una capacidad de acumulación suficientes para garantizar un suministro fiable como mínimo durante tres días sin sol. En todo caso, para garantizar el suministro, a veces se instala un grupo electrógeno de gasolina o diésel para los momentos puntuales en los que los acumuladores se queden sin energía. En ocasiones, también se complementan con un pequeño aerogenerador para aprovechar la energía del viento y producir electricidad conjuntamente con los paneles fotovoltaicos (más adelante trataremos este tema en profundidad). 1.2 El futuro de las instalaciones aisladas. En el mundo existen unos tres mil millones de personas que no tienen acceso a la red de distribución eléctrica. Mientras que en Europa o en otras regiones desarrolladas esta situación se da especialmente en lugares isleños o de difícil acceso, en los países del Tercer Mundo existen grandes áreas rurales sin electrificar. En esos lugares sería posible crear instalaciones fotovoltaicas que, aun sin conexión con otras redes eléctricas, estuviesen conectadas entre sí formando pequeñas redes de distribución. 2 ELEMENTOS DE LA INSTALACIÓN. Las principales características de la instalación aislada vienen dadas por su pequeño tamaño y por la necesidad de acumular la energía producida, garantizando tanto como sea posible la disponibilidad de energía para su consumo. Los principales elementos de la instalación, tal como se observa en el diagrama, son los módulos fotovoltaicos, el cableado, el regulador y el acumulador. Las baterías acumuladoras proporcionan energía eléctrica en forma de corriente continua. En ocasiones, esta se inyecta a la red de consumo directamente bajo esta forma; cuando la red precisa corriente alterna es necesaria la instalación de un dispositivo inversor.

3 Figura 1. Esquema de una instalación aislada. En ella, un aerogenerador y varios módulos fotovoltaicos alimentan una doble red de consumo, en CC y en CA. 2.1 Módulos fotovoltaicos. La célula solar es la estructura elemental que permite aprovechar la radiación solar para producir electricidad. Las células se ensamblan y se conectan, como también hemos tratado, en paneles o módulos fotovoltaicos, que les proporcionan a aquellas rigidez y protección, proporcionando corriente eléctrica a valores de tensión e intensidad utilizables. La instalación fotovoltaica no se puede concebir sin los módulos; son elementos indispensables. A diferencia de los sistemas conectados a red, en los que se trata de optimizar la inclinación de los paneles 1 para que produzcan la mayor cantidad de energía posible durante el año, en los sistemas aislados se intenta optimizar la inclinación para garantizar la producción eléctrica en los meses del año de menor radiación solar. 2.2 Baterías. La producción de energía solar y su consumo, por lo general, no coinciden en el tiempo. 1 El Pliego de Condiciones Técnicas para Instalaciones Aisladas de Red del idea define tres posibles inclinaciones para los paneles, que dependen de la latitud del emplazamiento de la instalación. Cuando se emplea el criterio del peor mes (para maximizar la producción en diciembre) se suman 10º a la latitud. Si se emplea el del mejor mes (para maximizar la producción en junio) se le restan 20º. Para maximizar la producción media anual, se le restan 10º. Así, en el criterio del peor mes, que es el más habitual en las instalaciones aisladas, los paneles suelen tener una inclinación de unos 50º en España y zonas de latitud similar. En ocasiones, los soportes de los módulos de las instalaciones aisladas tienen dos posiciones de diferente inclinación, una de invierno y otra de verano, que se fijan manualmente.

4 Se precisa, por tanto, alguna forma de almacenamiento de la energía para que pueda consumirse en momentos en los que el Sol no luce. También es preciso prever que haya horas o días enteros en los que no brille un solo rayo de sol y la producción eléctrica, en consecuencia, se reduzca drásticamente. Además, el acumulador de la instalación fija la tensión de trabajo de la instalación; así, existirán sistemas a 12, 24 o 48 voltios, entre otros posibles valores. Los tipos de baterías más comunes en los sistemas aislados son las de plomo y ácido (similares a las baterías de automóvil), relativamente baratas y capaces de cargarse con corrientes eléctricas de muy diversa intensidad. Sus capacidades pueden ser muy variables, dependiendo de la magnitud de la instalación y las necesidades de consumo; existen baterías capaces de almacenar entre 0.1 y 100kWh. Suele elegirse la capacidad nominal de la batería entre tres y ocho veces la energía consumida por la carga durante un día o ciclo de utilización. Las baterías consisten en unas celdas, cada una de las con una tensión nominal de 2V. Las celdas se conectan en serie y se agrupan en un armazón común para ofrecer la salida correspondiente. Por ejemplo, seis celdas conectadas en serie proporcionan una tensión nominal de 12 voltios. En sistemas grandes se conectan celdas individuales o baterías enteras en serie o paralelo, según las necesidades del sistema, tal como veremos más adelante. La capacidad de la batería se reduce ligeramente debido a los ciclos de carga y descarga. Cuanto más profunda es la descarga de la batería, mayor es su pérdida de capacidad, porque mayor es el grado de sulfatación que sufren los electrodos. Los fabricantes suelen proporcionar una gráfica en la que se representa la relación entre la profundidad de descarga y el número de ciclos que se pueden alcanzar para dicha profundidad, referida a la capacidad nominal de la batería. En el ejemplo se muestra la gráfica de las baterías solares de la empresa Deka Solar. La gráfica muestra el comportamiento de la batería según el porcentaje de descarga a que se somete. Según ese porcentaje la batería mantiene su capacidad de recarga se deteriora paulatinamente. Así, por ejemplo, si la batería se somete a descargas del 10%, a partir de los 3300 ciclo, solo ser recargará hasta el 90% de su capacidad nominal. A partir de un determinado número de ciclos, la batería ya no puede recargarse por encima de un determinado umbral y se dice que el ciclo de vida del acumulador está agotado.

5 Las baterías muestran diversos comportamientos según la profundidad de la descarga a la que se sometan. El eje vertical de la gráfica muestra la capacidad remanente y el horizontal el número de ciclos, todo ello para una temperatura de 20ºC. La capacidad de la batería depende de la temperatura: cuando esta desciende, la capacidad de la batería depende de la temperatura: cuando esta desciende, la capacidad también lo hace; cuando se incrementa, la capacidad se eleva. Relación entre la temperatura de trabajo y la capacidad de la batería para diversas intensidades suministradas. Caso práctico 1. Fíjate en la gráfica siguiente para determinar en cuántos ciclos la capacidad de la batería quedará reducida al 80% de su capacidad nominal, si la batería se emplea con una profundidad de descarga del 50%. Solución. Empleamos la curva correspondiente a una profundidad de descarga del 50% y vemos que, cuando la batería ha completado aproximadamente 610 ciclos de carga y descarga, su capacidad se verá reducida al 80% de la capacidad nominal de la batería.

6 2.2.1 Tipos de baterías. El tipo de batería más común es la que se emplea en los automóviles, que consiste en una batería de plomo y ácido con electrodos en forma de rejilla. Por su uso en los automóviles para alimentar el sistema de arranque, a estas baterías se las conoce a veces como baterías de arranque (starter). La ventaja de esta clase de baterías es que su fabricación tiene un coste relativamente bajo. Estas baterías, con un número elevado de placas estrechas, están adaptadas para proporcionar una corriente elevada durante un breve espacio de tiempo, pero no se deben utilizar en instalaciones fotovoltaicas porque, ante descargas profundas continuadas, pronto quedan inservibles. Por el contrario, las denominadas baterías solares son baterías estacionarias y de ciclo profundo, que tienen placas más anchas, con objeto de incrementar la resistencia a los ciclos de carga y descarga. Esta clase de baterías deben poder permanecer durante períodos prolongados en estado parcial de carga, y soportar ciclos diarios de carga y descarga. A las rejillas de plomo de sus electrodos se les añade antimonio para endurecerlos, y la concentración de ácido en el electrolito es inferior, para reducir la corrosión e incrementar el ciclo de vida.

7 Existen diversos tipos de baterías solares: Las baterías de ácido abiertas se rellenan periódicamente con agua destilada. Las baterías de ácido cerradas, estancas o sin mantenimiento no necesitan rellenarse, pero tienen un ciclo de vida algo más corto que las anteriores, puesto que la carga y la descarga electrolizan una pequeña cantidad de agua y la batería, pasado un tiempo, se seca y queda inservible. Un tipo de baterías de plomo-ácido más desarrollo son las baterías de gel. En este tipo de baterías, se añaden aditivos al electrolito, lo que reduce la tendencia a la corrosión y evita la formación de gases. Son baterías sin mantenimiento, se pueden instalar en cualquier lugar y están selladas para evitar la salida de ácido Características de la batería. La capacidad de un acumulador es la cantidad de electricidad que se puede descargar hasta que la batería quede completamente descargada. La capacidad es el producto de dicha corriente eléctrica por el tiempo de descarga: C n = I n t n en esta expresión el subíndice n indica las horas de descarga de la batería. De este modo, la capacidad de la batería se mide habitualmente en amperios-hora (Ah). Una batería tiene una capacidad de un amperio-hora cuando se puede extrae de ella una corriente de un amperio durante una hora, hasta quedar completamente descargada. Caso práctico 2. La capacidad de una batería en amperios-hora multiplicada por la tensión en sus electrodos, nos proporciona una medida de la energía almacenada en ella. Cuál sería la energía que podemos extraer de una batería de 74 Ah a 12V si efectuamos una descarga del 30%? Solución: Calculamos en primer lugar la energía almacenada por la batería: 74Ah 12V=888Wh La multiplicación de los Ah por los V nos proporciona Wh en el resultado. Si solo descargamos el 30% de dicha energía, el resultado serían =266.4Wh=0.2664kWh. La capacidad de una batería no es una magnitud constante, sino que depende de la temperatura y, sobre todo, de la corriente de descarga. Con corrientes de descarga pequeñas se puede extraer más potencia de una batería que con corrientes elevadas.

8 En el proceso de la carga de una batería, si la tensión sube por encima de un determinado límite, puede ocurrir que el agua se electrolice separándose en hidrógeno y oxígeno gaseosos. Esta mezcla es sumamente explosiva, por lo que el fabricante define una tensión de corte (cut-out) que no debería sobrepasarse. El regulador, dispositivo que estudiaremos a continuación, será el encargado de garantizarlo. Generalmente, para las celdas de 2V se define una tensión máxima de carga de 2.4V. Actividad. En una instalación fotovoltaica aislada precisamos un acumulador que proporcione, al menos, 140Ah de capacidad para un tiempo de descaga completa de 20 horas. Busca en la hoja de características de las baterías de la empresa Ultracell qué posibles modelos podríamos utilizar. Qué ventajas crees que ofrecería cada una de ellos? La tensión que proporcionan las baterías de plomo varía en función del nivel de carga. Por ejemplo, una batería de 12V nominales proporciona unos 11V cuando está descargada y unos 13 V cuando está totalmente cargada. Medir la tensión que existe entre los bornes de la batería es, por tanto, la forma más sencilla de conocer el nivel de carga de una batería Cálculo de la batería. En la configuración de una instalación aislada, se plantea qué características deberá tener el acumulador que empleemos. Para efectuar el cálculo deberemos conocer el consumo medio diario (L D ) [Wh] y deberemos establecer qué autonomía (F SB ) [días] deberá tener razonablemente la instalación, es decir, cuántos días podrá funcionar en ausencia total de generación eléctrica. También deberemos tener en cuenta la profundidad máxima de descarga (PD máx ) [en tanto por uno] a la que se someterá la batería. A partir de todos estos datos emplearemos la fórmula: C B = L D F SB PD máx Caso práctico 3. Cuál será la capacidad que deberán tener los acumuladores de una instalación solar aislada si el consumo diario previsto es de 1520Wh y se desea tener una autonomía de 4 días, con una profundidad máxima de descarga del 65%? Solución: Empleamos la fórmula antes mencionada para calcular la capacidad de los

9 acumuladores: C B = L D f SB PD máx = =9353.8Wh Para calcular la capacidad de la batería en amperios-hora dividimos la capacidad expresada en vatios-hora entre la tensión nominal de la batería: C B = Wh 12V =779.5Ah CARGA COMPLETA INICIAL DE LOS ACUMULADORES!! 2.3 Regulador de carga. Dispositivo electrónico los procesos de carga y descarga de la batería. - Controla el proceso de carga, evitando que, con la batería a plena capacidad, los módulos fotovoltaicos sigan inyectando corriente en la misma. Se lleva a cabo anulando o reduciendo el paso de corriente del campo fotovoltaico. - Controla el proceso de descarga, evitando que el estado de carga de la batería alcance un valor demasiado bajo cuando se está consumiendo la energía almacenada. Esto se lleva a cabo desconectando la batería de los circuitos de consumo. El regulador también es una fuente de información de los parámetros eléctricos de la instalación fotovoltaica. Puede proporcionar datos de la tensión, intensidad, estado de carga de las baterías, etc. La variación de los parámetros de este aparato son los que optimizan la instalación adaptamos entrada/salida. FORMA PARTE DE LA BUENA PRAXIS EL CONECTAR VARISTORES ADICIONALES PARA CONTROLAR Y ANULAR PICOS DE TENSIÓN, A LA ENTRADA Y SALIDA DEL REGULADOR. (Características de reguladores en la información facilitada a mayores, en internet mucho más). 2.4 Inversor. El inversor, convertidor o rectificador es el sistema que adapta la corriente generada en los módulos a las condiciones de consumo de las diferentes cargas eléctricas. La denominación de cada uno de ellos depende del tipo de corriente que transforme. Así, se

10 denomina inversor al elemento que transforma la corriente continua en alterna, convertidor al que transforma la alterna en continua y rectificador al que transforma la continua en continua. Generalmente, el inversor se conecta a la salida del regulador, si bien puede conectarse directamente en los bornes de la batería cuando posee control de descarga de la batería. Los módulos fotovoltaicos y las baterías trabajan en corriente continua, por eso cuando los elementos de consumo trabajan en continua es necesario un convertidor continuacontinua para adecuar la tensión proporcionada por el acumulador a la solicitada por las cargas de consumo. En cambio, cuando los elementos de consumo trabajan en alterna, es necesario un inversor continua-alterna. 2.5 Elementos eléctricos auxiliares. Además de los elementos característicos de la mayoría de las instalaciones fotovoltaicas, existen varios accesorios que son necesarios para la seguridad y control de la instalación. En una instalación solar fotovoltaica se hace uso de equipos y elementos utilizados en instalaciones eléctricas comunes, sin embargo, hay que prestar especial atención a la parte de corriente continua, ya que en instalaciones eléctricas convencionales los sistemas están habitualmente alimentados por corriente alterna, y esto conduce a errores comunes en fotovoltaica. A continuación se citan los elementos más característicos: Cableado. En instalaciones fotovoltaicas se utilizan secciones de cableado superiores a las utilizadas en instalaciones convencionales debido a la utilización de bajas tensiones continuas (12, 24 y 48V) y requerimientos de potencia de cierta consideración. Los conductores necesarios tendrán la sección adecuada para reducir las caídas de tensión y los calentamientos. Concretamente, para cualquier condición de trabajo, los conductores deberán tener la sección suficiente para que la caída de tensión sea inferior, al 1.5% a la tensión nominal continua del sistema. Aunque el cableado se pueda considerar un elemento auxiliar, su correcto

11 dimensionamiento es una cuestión importante en el diseño de la instalación. Debe tratarse de situar el generador tan próximo al regulador de carga y al acumulador como sea posible. En resumidas cuentas, debe intentarse que los conductores tengan la menor longitud posible puesto que, como veremos, ello permitirá secciones más reducidas. Para el cálculo de las caídas de tensión y el calentamiento de los conductores se suele considerar la intensidad que proporcionan los módulos en el punto de máxima potencia. Referencias fundamentales son: - Guía Técnica de Aplicación del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. - Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Aisladas de Red del IDAE. Caso práctico 4. Supongamos una instalación solar fotovoltaica con ocho módulos de 220Wpy V MPP de 28V cada uno, conectados en dos strings de cuatro módulos de corriente en el punto de máxima potencia es 7.6A. La distancia entre los módulos y el regulador es de 3m. S empleamos conductores de cobre =0.018 mm 2 /m a20ºc, cuál deberá ser la sección de los cables en el recorrido entre los módulos y el regulador? Supón que se emplean tres cables unipolares (positivo, negativo y tierra) bajo conducto. Solución: Empleamos el criterio de la caída de tensión y el del calentamiento de los cables conductores y consideraremos el más restrictivo de los dos, es decir, el que nos obligue a emplear un sección mayor. Si los módulos se encuentran formando dos strings de cuatro módulos cada uno, la intensidad ue circula por cada uno de ellos hasta el regulador es la intensidad en el punto de máxima potencia de cada módulo (I MPP =7.56A). 1. Criterio del calentamiento. Considerando las tablas del REBT para cables bajo tubo, deberá tomarse la sección que permita el valor de intensidad inmediatamente por encima del necesario. En este caso, con este criterio se precisaría una sección de, como mínimo, 1mm Criterio de la caída de tensión. La caída de tensión en el conductor no puede superar el 1.5% de la tensión del sistema, es decir, la suma de los V MPP de los cuatro módulos (112V).

12 =1.68V Conociendo la intensidad que circula por el cable, podemos calcular la resistencia máxima admisible aplicando la Ley de Ohm: R= V I = = A partir de la ecuación de la resistencia del cable, podremos calcular la sección mínima que debería tener el conductor. En la longitud del cable debe tenerse en cuenta el doble de la distancia entre los módulos y el regulador, pues las pérdidas deben computar el cable positivo y el negativo. S= L R = =0.486mm2 Como podemos observar, en este caso el criterio más restrictivo es el del calentamiento, con lo que la sección de los cables deberá ser como mínimo de 1mm 2. (Nos fijamos en las tablas y tomamos la sección inmediatamente superior a la calculada). En la práctica, no obstante, se suelen usar cables de sección superior. Actividad propuesta. Cuál debería ser la sección de los conductores entre los paneles solares y el regulador si la potencia instalada fuese igual a 3540Wp? Y si en lugar de cables de cobre empleásemos conductores de aluminio =0.029 mm 2 /m?

13 3 Documentación de la instalación. La empresa encargada de la instalación fotovoltaica suele proporcinar con la instalación una documentación en la que se especifiquen los cálculos efectuados, se detallen los componentes que se han empleado y sirva de guía para el manejo de la instalación. La documentación que debe incluirse junto con la instalación fotovoltaica viene especificada en el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Aisladas de Red, del IDAE, establece que la documentación de la instalación debería incluir. Una memoria en la que se incluya la tabla de estimación de los consumos diarios: el dimensionamiento del generador (junto con los datos de irradiancia, localización, factor de seguridad y criterio de dimensionamiento del mismo) y la tabla de dimensionado del sistema. Planos y esquemas eléctricos de la instalación: la instalación puede representarse mediante un diagrama unifilar (los trataremos con más detalle en el capítulo siguiente) o un esquema eléctrico detallado que muestre los diferentes elementos y sus conexiones. Una buena documentación gráfica facilitará el mantenimiento, revisión y reparación de averías de la instalación. Presupuesto de la instalación: en el que debe constar el coste unitario de todos los elementos de empleados(módulos, regulador, inversor, acumuladores, cableado, soportes, material fungible como tornillería, sujeciones, elementos de seguridad como interruptores, diferenciales, etcétera), el coste de la documentación y realización de la memoria técnica de la instalación, y el Impuesto de Valor Añadido. En la documentación de la instalación debería incluirse también cierta información sobre las tareas básicas de supervisión y vigilancia que debe efectuar el usuario, junto con algunas normas básicas de protección frente al riesgo eléctrico. Volveremos a tratar algunas de estas cuestiones cuando abordemos el mantenimiento y la seguridad en el trabajo.