Resumen del Proyecto Fin de Carrera de Instalación Solar
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Resumen del Proyecto Fin de Carrera de Instalación Solar Fotovoltaica de 20 kWp Patricia Sanz Martínez(1) , Jesús Ángel Pisano Alonso(2) (1) [email protected], Miriam Blasco 143, 2º A, 47014 Valladolid (2) [email protected], Tfno. 983 42 33 61, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Paseo del Cauce s/n Valladolid, Resumen En la actualidad, la fuerte demanda energética está provocando un alto grado de emisiones de contaminantes a la atmósfera, y el agotamiento de los recursos fósiles naturales. Las principales aportaciones de la realización de este proyecto son: Contribuir en la consecución del objetivo planteado en el Plan de Fomento de Energías Renovables, a través de la realización de una central solar fotovoltaica de 20 kWp para la conexión e inyección a red de la energía generada, y que estará situada sobre la estructura de la cubierta de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Valladolid. También se pretende vender la energía generada a la compañía eléctrica, reduciendo de esta forma el periodo de amortización de la instalación. 1. Introducción Encontrar recursos energéticos casi inagotables, baratos y no contaminantes ha sido un afán del hombre a lo largo de la historia. 1.1. Antecedentes históricos:El sol, fuente de energía El sol es estrella que, por el efecto gravitacional de su masa, domina el sistema planetario que incluye a la Tierra. Mediante la radiación de su energía electromagnética, aporta directa o indirectamente toda la energía que mantiene la vida en la Tierra, porque todo el alimento y el combustible procede en última instancia de las plantas que utilizan la energía de la luz del Sol. La energía radiante producida en el Sol, es el resultado de reacciones nucleares de fusión. Esta energía llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia 1 promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera. La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor. Figura 1.(Photo: NASA) Las primeras utilizaciones de la energía solar se pierden en la lejanía de los tiempos. No obstante, por algunas tablillas de arcilla halladas en Mesopotamia, se sabe que hacia el año 2000 antes de J.C. las sacerdotisas encendían el fuego sagrado de los altares mediante espejos curvados de oro pulido. En Egipto, hacia el año 1450 antes de J.C., existían unas estatuas sonoras del faraón Amenhotep III. El sonido producido por estas estatuas era consecuencia del aire calentado en sus enormes pedestales, que eran huecos, y que comunicaban con el exterior por un orificio muy pequeño. Arquímedes utilizó espejos cóncavos, con los cuales incendió las naves romanas durante el renacimiento. 2 Kicher (1601-1680) encendió una pila de leña a distancia utilizando espejos por un procedimiento similar al utilizado por Arquímedes. Ehrenfried von Tschirnhaus (1651-1700), que era miembro de la Academia Nacional Francesa de la Ciencia, logró fundir materiales cerámicos mediante la utilización de una lente de 76 cm. de diámetro. George Louis Leclerc (1707-1788) fabricó un horno solar compuesto por 360 espejos con un foco común e hizo una demostración en los jardines del Palacio de Versalles, encendiendo una pila de leña a 60 m. El primer colector solar plano fue fabricado por el suizo Nicholas de Saussure (17401799), y estaba compuesto por una cubierta de vidrio y una placa metálica negra encerrada en una caja con su correspondiente aislamiento térmico. Este colector solar se utilizó para cocinar alimentos que se introducían en su interior. Antoine Lavoisier (1743-1794), célebre químico francés descubridor del oxígeno, experimentó con lentes de 130 cm. de diámetro y fundió el platino, cuyo punto de fusión es de 1760 ºC. John Herschell, hijo del célebre astrónomo británico William Herschell, descubridor del planeta Urano, utilizó colectores solares de dos cubiertas también para cocinar alimentos, obteniendo en 1837 un prototipo que alcanzaba los 116 ºC. En 1874 se instaló en Las Salinas (Chile) un destilador solar pasivo, consistente en 4700 m2 de superficie acristalada que producían 23000 litros de agua dulce al día. Este destilador funcionó durante 40 años hasta que fue traída el agua mediante una tubería desde Antofagasta. En 1875, el francés Mouchont realizó un colector cónico de 18.6 m2 de área de abertura, destinado a la producción de vapor y que fue presentado en París. Este colector tuvo un accidente como consecuencia de haberse quedado sin agua. 3 Abel Pifre utilizó en la Exposición de París del año 1878 un colector doble parabólico para la producción de vapor, con el cual se accionaba una pequeña imprenta. El primer colector cilíndrico- parabólico fue ideado por el norteamericano John Ericsson en 1883. Hacia finales del siglo antepasado existía ya un cierto interés por la energía solar, puesto de manifiesto por las diversas revistas científicas de la época. A principios del siglo pasado la utilización de la energía solar tuvo especial Interés en Estados Unidos, principalmente en California, donde se hicieron algunos trabajos y estudios en colaboración con astrónomos, construyéndose algunos prototipos de grandes dimensiones. El abaratamiento de los combustibles, como consecuencia de la I Guerra Mundial, dio al traste con todos estos trabajos. Un ejemplo de los aludidos fue el colector del portugués Himilaya en San Louis (Missisipi) del año 1904, con un factor de concentración de 2000, destinado a fundir metales, así como un colector cónico realizado por el norteamericano Eneas, contemporáneo del anterior. En 1913, los también norteamericanos Shuman y Boys Instalaron, primero en Filadelfia (USA) y luego en Egipto, colectores cilíndrico, que producían vapor para el accionamiento mecánico de bombas hidráulicas destinadas a irrigación. El colector de Egipto proporcionaba una potencia de 37 a 45 Kw. durante un período de cinco horas. En la década de los años 30 de nuestro siglo se popularizaron en Japón equipos de circulación natural para obtener agua caliente sanitaria con una capacidad de almacenamiento de 100-200 litros. Después de la II Guerra Mundial este tipo de sistemas se extendió también en Israel, pero debido al bajo precio de los combustibles convencionales, el uso de la energía solar quedó relegado a un segundo plano. 4 El resurgimiento de la energía solar como una disciplina científica se produce en 1953, cuando Farrington Daniels organiza en la Universidad de Wisconsin un Simposio Internacional sobre la utilización de la Energía Solar, auspiciado por la National Science Foundation de Estados Unidos. Dos años más tarde, en Tucson (Arizona), se celebró otro simposio y se formó la Asociación para la Aplicación de la Energía Solar. Como consecuencia de estos simposios se creó la revista “Solar Energy”, de muy alto nivel científico, que edita la Sociedad internacional de la Energía Solar con sede en Australia, entidad que sucedió a la asociación para la aplicación de la energía solar. En esta misma época (1954) se descubrió la fotopila de silicio en los laboratorios de la bell Telephone, los cuales recibieron por ello un fuerte impulso debido a las inminentes necesidades de fotopilas para actividades espaciales. En la década de los años 60, el excesivo abaratamiento de los combustibles convencionales hizo que se dedicase poca atención al tema de la energía solar, si bien en esta época se construyó el horno solar de Font Romeu (Francia). Fue en 1973 cuando, como consecuencia de la cuarta guerra árabe-israelí, la OPEP decidió elevar enormemente los precios del petróleo y se produjo un fuerte resurgimiento mundial de la energía solar, al poder ser ya competitiva con los nuevos y altos precios del petróleo y de los productos energéticos en general. En este contexto se prevé, pasados ya más de 15 años desde aquella fecha crucial, un crecimiento moderado pero sostenido de las aplicaciones de la energía solar y de otras fuentes de energía renovables en todo el mundo. La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad. 5 Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica. Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa. Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor. La diferencia entre estas energías se manifiesta como energía mecánica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de conversión de energía térmica oceánica, requieren enormes intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para producir potencias del orden de megavatios. La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procesos térmicos, la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energía solar se convierte en energía eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración. En los procesos térmicos los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. Éste, en estado líquido 6 o gaseoso, se calienta al atravesar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción. La energía transferida por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector. Los colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar minimizar las pérdidas de calor de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia. Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el tejado. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que se usan durante todo el año, como los que producen agua caliente, los colectores se inclinan (respecto al plano horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se orientan unos 20° latitud S o 20° de latitud N. Además de los colectores de placa plana, los sistemas típicos de agua caliente y calefacción están constituidos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento. El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de energía. Para aplicaciones como el aire acondicionado y la generación central de energía y de calor para cubrir las grandes necesidades industriales, los colectores de placa plana no suministran, en términos generales, fluidos con temperaturas bastante elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una primera fase, y después el fluido se trata con medios convencionales de calentamiento. Como alternativa, se pueden utilizar colectores de concentración más complejos y costosos. Son dispositivos que reflejan y concentran la energía solar incidente sobre una zona receptora pequeña. Como resultado de esta concentración, la intensidad de la energía solar se incrementa y las temperaturas del receptor (llamado `blanco') pueden acercarse a varios cientos, o incluso miles, de grados 7 Celsius. Los concentradores deben moverse para seguir al Sol si se quiere que actúen con eficacia; los dispositivos utilizados para ello se llaman heliostatos. 1.2. Energía solar fotovoltaiva La energía solar fotovoltaica (producción directa de energía eléctrica a partir de la radiación solar, por medio de células solares) es una fuente de energía limpia que tiene, entre otras, las siguientes ventajas: • Es renovable y no agota los recursos naturales. • No existe combustión en el proceso de generación de energía. • No utiliza agua. • Es fiable con bajo mantenimiento. • No produce contaminación ambiental ni sonora. • Es de rápida instalación. Sus principales desventajas son que la generación es dependiente de la radiación solar disponible y por tanto es parcialmente aleatoria y actualmente la relación coste por kWh producido es alta, comparada con otras fuentes energéticas. Esta alta relación de coste por kWh está en continua disminución debido a dos factores: la incorporación de células solares de mayor rendimiento y la disminución de coste de producción debido a un constante aumento del mercado (efecto de producción en serie). Un sistema fotovoltaico de conexión a red, es aquel que aprovecha la energía del sol para transformarla en energía eléctrica que cede a la red convencional para que pueda ser consumida por cualquier usuario conectado a ella. Durante los últimos años, los sistemas de conexión a la red eléctrica constituyen la aplicación que mayor expansión ha experimentado en el campo de la actividad fotovoltaica. La extensión a gran escala de este tipo de aplicaciones ha requerido el desarrollo de una ingeniería específica que permite, por un lado, optimizar su diseño y funcionamiento y, por otro, evaluar su impacto en el conjunto del sistema eléctrico, siempre cuidando la integración de los sistemas y respetando el entorno arquitectónico y ambiental. 8 Hay que destacar la gran fiabilidad y larga duración de los sistemas fotovoltaicos. Por otra parte, no requieren apenas de mantenimiento y presentan una gran simplicidad y facilidad de instalación. Además, la gran modularidad de estas instalaciones permite abordar proyectos de forma escalonada y adaptarse a la conveniencia de cada usuario, en función de sus necesidades o recursos económicos. La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al fenómeno físico de la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico. El objeto físico en el que este fenómeno tiene lugar es la célula solar, que no es otra cosa que un diodo con la característica esencial de tener una superficie muy amplia (unas decenas de cm2). Para analizar de forma más minuciosa el efecto fotovoltaico es necesario, por tanto, describir, por lo menos conceptualmente, el funcionamiento del diodo (unión p-n). Además, ya que hasta hoy el material más utilizado para la realización de las células solares es el silicio cristalino, se tomará en consideración el diodo de silicio. El silicio tiene 14 electrones de los que 4 son de valencia, lo que quiere decir que están disponibles para unirse con electrones de valencia de otros átomos. En un cristal de silicio químicamente puro, cada átomo está unido de forma covalente con otros 4 átomos así que dentro del cristal no hay, como consecuencia del enlace químico, electrones libres. Algunos átomos de silicio en cristal se sustituyen con átomos de fósforo, elemento que tiene 5 electrones de valencia: 4 serán utilizados para enlaces químicos con átomos adyacentes de silicio, mientras que el quinto puede ser separado del átomo de fósforo mediante energía térmica y así tener libertad de movimiento en el retículo del cristal. De forma análoga, si la sustitución se realiza con átomos de boro, que sólo tiene 3 electrones de valencia, faltará un electrón para completar los enlaces químicos con los átomos adyacentes de silicio. Este electrón que falta actúa como si fuera un electrón ‘positivo’ y se llama hueco. 9 En el enlace con fósforo, por tanto, los portadores de carga libres son negativos y el material es llamado de tipo n, mientras en la sustitución de átomos de silicio con átomos de boro, los portadores de carga son positivos y el material es llamado de tipo p. La unión p-n (diodo) se realiza uniendo una barra de material de tipo n con una barra de material de tipo p. Los electrones libres en el material ‘n’ verán a la izquierda una región en la que no existen electrones libres y, por tanto, habrá un flujo de estos portadores hacia la izquierda en el intento de restablecer el equilibrio. De forma análoga, los huecos verán a su derecha una región en la que no hay huecos y habrá, por tanto, un flujo de cargas positivas hacia la derecha. Con el avance de este proceso de difusión, en el lado izquierdo se tendrá un exceso de cargas negativas mientras en el lado derecho habrá un exceso de cargas positivas. Por consiguiente, en la región de unión de los dos materiales se ha creado un campo eléctrico que se hace cada vez más grande a medida que los huecos y los electrones continúan difundiéndose hacia lados opuestos. El proceso continúa hasta que el potencial eléctrico alcanza un tamaño que impide la posterior difusión de electrones y huecos. Cuando se alcanza este equilibrio se habrá creado un campo eléctrico permanente en un material sin la ayuda de campos eléctricos externos. Con la información anterior, es posible explicar el efecto fotovoltaico. De hecho, hay que suponer que un fotón (partícula que constituye un rayo solar) entre en la región de tipo p del material. Si el fotón tiene una energía mayor que la ‘band gap’ -energía mínima necesaria para romper un enlace del retículo del silicio- será absorbido y creará una pareja electrón-hueco. El electrón liberado se moverá hacia la derecha a causa del potencial eléctrico. En cambio, si un fotón entra en la zona n, el hueco creado se moverá hacia la izquierda. 10 Este flujo producirá una acumulación de cargas positivas en la izquierda y de cargas negativas en la derecha, dando origen a un campo eléctrico opuesto al creado por el mecanismo de difusión. Cuantos más fotones llegan a la unión, tanto más los campos tienden a anularse el uno con el otro, hasta llegar al punto en el que ya no haya un campo interno que separe cada pareja electrón-hueco. Esta es la condición que determina la tensión a circuito abierto de la célula fotovoltaica. Finalmente, poniendo unos electrodos (contactos metálicos) sobre la superficie de la célula se puede utilizar el potencial creado. 1.3. Objetivo del Proyecto El objetivo del presente proyecto es realizar un estudio para instalar un sistema de producción de electricidad mediante energías renovables. Debido al emplazamiento y características del edificio en el cual se va a realizar la instalación se ha optado por utilizar un sistema de producción de energía mediante paneles solares fotovoltaicos. En la actualidad, la fuerte demanda energética está provocando un alto grado de emisiones de contaminantes a la atmósfera, y el agotamiento de los recursos fósiles naturales. La planificación energética requiere un conocimiento razonable del pasado y presente del consumo energético, para hacer estimaciones fiables de la demanda futura. Cualquier análisis o pronóstico de la demanda debe tener en cuenta un conjunto de parámetros, entre los que se incluyen: precio, disponibilidad, suministro, características técnicas y económicas, crecimiento de la población, ingreso, hábitos sociales, etc. Los objetivos principales de este proyecto son: 11 • Contribuir en la consecución del objetivo planteado en el Plan de Fomento de Energías Renovables, a través de la realización de una central solar fotovoltaica de 20 kWp para la conexión e inyección a red de la energía generada, y que estará situada sobre la estructura de la cubierta de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Valladolid. • Desarrollar y ampliar las instalaciones de los sistemas solares fotovoltaicos así como integrar este tipo de sistemas en estructuras urbanas, sirviendo de concienciación social en el uso de las energías renovables. Otros objetivos particulares a cubrir por la instalación son: • Vender la energía generada a la compañía eléctrica, reduciendo de esta forma el periodo de amortización de la instalación. • Servir como elemento de difusión de la energía fotovoltaica mediante la concertación de visitas de centros escolares. La venta a red consiste en vender a la compañía eléctrica la energía generada por paneles fotovoltaicos. Las instalaciones de venta a red funcionan automáticamente en paralelo con la red eléctrica convencional. La instalación fotovoltaica genera electricidad que se inyecta en la red (vendemos energía). Todo el proceso es totalmente automático y pasivo, carece de partes móviles con lo que el mantenimiento y desgaste son prácticamente nulos. Una vez realizada la instalación no hay que ocuparse de nada. Se instala un contador que en el que se registra la energía inyectada a la red y la compañía eléctrica se encarga de abonársela al usuario. Si además de producir energía se consume, este consumo se realizara de forma convencional de la red, con un contador normal. 12 La compañía eléctrica cobrará la energía consumida (si la hay) a la tarifa normal de consumo y, durante los 25 primeros años de vida de la instalación, pagará la energía generada con un incremento de un 575 % sobre la tarifa media de referencia fijada por el gobierno. A partir del año 25 esa tarifa será de un 460 % sobre dicha tarifa media de referencia. Para el año 2005 la tarifa media de referencia está fijada en 7,3304 céntimos de euro. Este tipo de instalaciones evita la emisión de partículas contaminantes a la atmósfera, como óxidos de azufre o de nitrógeno, CO2, CO, Plomo, etc., ya que introducen en la red nacional energía limpia generada con radiación solar y evitan la generación de electricidad mediante otras formas de energía como térmica, nuclear, etc., que son perjudiciales para el medio ambiente. Por cada kWh generado se puede llegar a emitir con algunas fuentes 1 kg de CO2. Por otro lado la vida media de los paneles solares fotovoltaicos es de 25 a 35 años, si bien después de este tiempo siguen siendo operativos pero con un rendimiento inferior. 2.- Características de la instalación A continuación se expone un resumen, donde se describe la instalación y los elementos empleados en ella. 2.1. Emplazamiento La instalación se va a realizar en la cubierta del edificio de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Valladolid, situada en la Paseo del Cauce s/n. La fachada principal del edificio está orientada 60º suroeste. Situación geográfica de Valladolid: Longitud: 4º44´ Oeste Latitud: 41º 39´ Norte Altitud: 700 metros. 13 La climatología de la ciudad ofrece en el ciclo de las dos últimas décadas, una temperaturas medias mensuales, máximas y mínimas absolutas de 11.7º, 38.6º y –16.1ºC respectivamente. La humedad relativa media es del 63%, con un número medio de días despejados de 77.4, nubosos de 189.9 y cubiertos de 100.9 al año. Los vientos predominantes son de dirección Norte, seguidos de los de dirección Sudoeste, aunque lo normal corresponde a una situación de calma (velocidad de viento ≤ 2 km/h). En cuanto al grado de insolación (horas de sol), Valladolid supera la 2.600 horas/año de insolación, con una radiación máxima en superficie inclinada superior a 700.000 kJ/m² . No hay edificios altos cercanos a la instalación, de tal forma que se puede considerar que no hay ningún obstáculo que arroje sombra sobre la superficie donde se van a situar los módulos fotovoltaicos. 2.2. Características de la instalación El proyecto consiste en el suministro de energía eléctrica a la red de Baja Tensión a 380 Vca trifásicos en un punto de conexión independiente del de suministro. La instalación fotovoltaica estará conectada a red, de tal forma que toda la energía producida durante las horas de insolación será canalizada a la red eléctrica; al contrario, durante las horas de insolación escasa o nula, la carga viene alimentada por la red. Un sistema de este tipo, desde el punto de vista de la continuidad de servicio, resulta más fiable que uno no conectado a la red que, en caso de avería, no tiene posibilidad de alimentación alternativa. 14 Figura 2. Esquema de instalación solar fotovoltaica conectada a red La potencia total instalada será de 20 Kw. La elección de instalar esta potencia y no otra se ha realizado en función de las características del edificio, estética y sobre todo del espacio disponible. 2.3. Descripción de la instalación Un sistema solar fotovoltaico conectado a red carece de un sistema de acumulación, formado por las baterías y el regulador de carga, necesario por otra parte en los sistemas solares aislados, ésta es una de las diferencias entre los dos sistemas de generación fotovoltaicos. Además, el inversor deberá seguir continuamente la frecuencia de la red a la tensión de ésta, constituyéndose el conjunto generador fotovoltaico-inversor como fuente de intensidad, al contrario que el conjunto batería-inversor de un sistema fotovoltaico autónomo que se comporta como fuente de tensión. Una central solar fotovoltaica conectada a red está formada por los siguientes elementos: módulos, estructura soporte, diodos de “by-pass”, diodos de bloqueo, fusibles, cables, terminales y otros dispositivos de protección contra sobretensiones (varistores, seccionadores, interruptores), cajas de conexión, así como la instalación de toma de tierra y protecciones contra contactos indirectos. 15 Los módulos pueden tener en principio cualquier tipo de asociación. En este proyecto se ha adoptado la combinación de conectar los paneles en grupos de 8 en serie y estos a su vez en paralelo en grupos de 3 ó de 4, dependiendo de la potencia de los inversores. De esta forma se consiguen la tensión e intensidad deseadas. Para los grupos de módulos conectados en serie con tensiones en circuito abierto superiores a 30 voltios, es necesario instalar en antiparalelo con ellos, diodos de “bypass” que permiten un camino alternativo a la corriente alrededor de una serie de células cuando alguna de las que conforman dicha hilera está parcialmente destruida o sombreada. Normalmente los fabricantes incorporan uno o dos de estos componentes. Los diodos de bloqueo se conectan en serie con cada grupo serie o conjunto de grupos, para prevenir las pérdidas debidas a la corriente de oscuridad cuando el generador fotovoltaico esta conectado a una fuente de tensión como por ejemplo una batería, en situación de no iluminación (de noche). No obstante para el caso de los módulos de silicio mono y multicristalino, suele ser mayor la energía perdida por caída de tensión en funcionamiento normal por lo que su uso en general está desaconsejado, aunque en el caso de grandes instalaciones, cuando existen muchas ramas en paralelo, es conveniente disponer en serie con cada rama de un diodo de bloqueo para impedir que las ramas menos iluminadas actúen como cargas de las más iluminadas, en situaciones de cielo parcialmente nublado. Los fusibles protegen a los conductores de sobreintensidades y se instalan cuando el generador fotovoltaico está compuesto de varias ramas en paralelo en los conductores que colectan la intensidad generada en dichas ramas, si no tiene la suficiente capacidad para soportar de modo permanente la intensidad de cortocircuito. Esta intensidad es máxima y proviene del conjunto de dichas ramas. En sistemas fotovoltaicos autónomos se colocan los fusibles cuando el generador fotovoltaico está conectado a una batería protegiendo al (los) conductor(es), de un cortocircuito eventual en ella. No obstante, en un diseño adecuado del cableado de un generador fotovoltaico en un sistema conectado a red, los cables o conductores que lo forman deberán tener la suficiente sección para permitir el paso de la máxima corriente generada (intensidad de la rama o suma de las intensidades de cortocircuito de las ramas en paralelo asociadas) sin sobrecalentarse y/o sin presentar 16 caídas de tensión según la normativa actual vigente (Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión e Instrucciones Complementarias del Ministerio de Industria y Energía). Por todo ello, la mayoría de las veces que se utilizan fusibles en serie con las ramas de un generador fotovoltaico, van asociados a seccionadores que permitirán aislar dicho generador fotovoltaico del equipo o equipos a él conectados (por ejemplo para mantenimiento). Las cajas de conexión son también muy importantes y numerosas en el generador fotovoltaico. Una mala conexión debida a un mal apriete del terminal o corrosión de éste por una inadecuada estanqueidad de la caja, puede inutilizar una o varias ramas. Otros componentes fundamentales de un generador fotovoltaico en cualquier caso, son los varistores o dispositivos de protección contra sobretensiones producidas por descargas atmosféricas. Estos actúan como verdaderos fusibles de tensión y se instalan en general entre los terminales positivo y negativo de una rama o asociación de ramas y entre cada uno de dichos terminales y la tierra de todas las masa metálicas del generador y/o sistema fotovoltaico: Estructura y marcos metálicos de módulos, carcasas de cuadros eléctricos, etc... . Van tarados a una determinada tensión y son aislantes hasta que se llega a dicha tensión momento en el que pasan a conducir, quedando inutilizados después de su actuación por lo que es necesaria su sustitución. Finalmente, la estructura soporte del generador fotovoltaico, la cual sirve para unir y hacer rígida la asociación serie/paralelo de los módulos que la componen. Deberá estar diseñada para soportar todas las cargas mecánicas que pudieran presentarse en cada caso: viento, nieve, contracciones y dilataciones por cambios de temperaturas, etc. La estructura soporte deberá garantizar la estanqueidad, permitiendo fácilmente, en todo caso la reposición o sustitución de cualquier módulo. La potencia del campo generador es de 20.160 Wp a 168 Vcc, en continua, siendo convertida posteriormente por 3 inversores con una potencia en paneles de 4.000 W y una potencia nominal de 3.200 W, y 3 inversores con una potencia en paneles de 3.000 W y una potencia nominal de 2.400 W. De esta forma tenemos una potencia total en paneles 17 de 21 kW y una potencia total nominal de 16,8 kW. Esta disminución en la potencia nominal de la instalación es debida a los rendimientos de los inversores. Se utilizan estos dos tipos de inversores para realizar 3 pares de inversores, cada uno de ellos formado por uno de 4.000 W y otro de 3.000 W. Con esto tenemos las tres fases equilibradas. La instalación solar fotovoltaica conectada a red estará compuesta básicamente de los siguientes elementos: • Módulos fotovoltaicos • Estructura soporte • Inversores • Protecciones 2.3.1. Estructura soporte El aprovechamiento óptimo de la energía solar requiere que los elementos captadores de la misma, en este caso los módulos fotovoltaicos, dispongan de la inclinación y la orientación adecuadas. Esto, unido a consideraciones como la superficie ocupada por el número de módulos necesarios en la aplicación, la dificultad de integración directa en edificaciones existentes (actuando los módulos como elementos estructurales y de cerramiento) y los efectos perjudiciales que el sombreado ( incluso parcial) de los módulos ejerce sobre la generación fotovoltaica, hace necesaria la inclusión en el sistema de una estructura soporte. Figura 3. Estructura soporte 18 2.3.2. Módulos fotovoltaicos Las células solares constituyen un producto intermedio de la industria fotovoltaica: proporcionan valores de tensión y corriente limitados, en comparación a los requeridos normalmente por los aparatos convencionales, son extremadamente frágiles, eléctricamente no aisladas y sin un soporte mecánico. Después, son ensambladas de la manera adecuada para constituir una única estructura: los módulos fotovoltaicos. El modelo de módulo fotovoltaico elegido para la instalación es el ATERSA A-120. Se colocarán un total de 168 módulos de 120 Wp cada uno para conseguir una potencia de 20.160 Wp. Características técnicas del módulo ATERSA A-120: Tabla 1. Características eléctricas ( Homologado según CEC-SPECIFICATION nº 503 JRC – ISPRA) Potencia (W en prueba -2/+5%) 120 W Número de células en serie 36 de 6'' Corriente en punto de máxima potencia 7,1 A Tensión en punto de máxima potencia 16,9 V Corriente de cortocircuito 7,7 A Tensión de circuito abierto 21 V 19 Tabla 2. Característica físicas Especificaciones en condiciones de prueba standard de: 1.000 W/m2, temperatura de la célula 25ºC y masa de aire de 1,5 Longitud 1476 mm Anchura 659 mm Espesor 35 mm Peso 11,9 kg Figura 4. Paneles Atersa modelo A-120 Cada panel se considerará como una pila, estas han sido agrupadas en 21 bloques en paralelo de 8 módulos serie cada uno. La superficie total ocupada por la instalación es de 163 m2. 2.3.3. Inversores La naturaleza continua de la tensión y la corriente de origen fotovoltaico, junto al uso en instalaciones autónomas de elementos de consumo específicos para alterna, hacen 20 necesaria la inclusión en el sistema de un elemento que se encargue de acondicionar las características eléctricas del generador a las del receptor. Dicho elemento es el denominado habitualmente inversor, convertidor o ondulador. El inversor debe seguir la frecuencia a la tensión correspondiente de la red a la que se encuentre conectado. La forma de onda de la corriente de salida del inversor deberá ser lo más senoidal posible para minimizar el contenido de armónicos inyectados a la red. A éste respecto, respecto a los armónicos inyectados en red por receptores o generadores, se recomiendan los valores incluidos en la norma CEI 555/1/2/3 (Comité Electrotécnico Internacional) equivalente a la norma CENELEC EN 60 555/1/2/3 (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) y equivalente a su vez a la norma AENOR UNE-80690/1/2/3 (Asociación Española de Normalización). El contenido de estas normas incluye la distorsión armónica máxima en corriente, en tanto por ciento sobre la fundamental, dependiendo del número de orden del armónico, producida por un receptor conectado a la red. Por supuesto, estos valores se consideran válidos cuando no existe distorsión armónica en la onda de tensión proveniente de la red. El inversor deberá extraer la máxima potencia posible del generador fotovoltaico, esto se consigue a través del “seguidor del punto de máxima potencia”, dispositivo electrónico incorporado en el inversor y que varía cada determinado tiempo (de uno a varios minutos) la tensión de entrada del inversor (o tensión de salida del generador fotovoltaico) hasta que el punto de V×I de salida (Potencia de salida) del generador se hace máximo. Alta eficiencia en condiciones nominales (>90%), así como en condiciones de baja insolación (>80% para valores de irradiancia ≥ 1,50 MW/C m²); bajo contenido de armónicos de intensidad (THD < 5%), gran fiabilidad, peso reducido, bajo nivel de emisión acústica, etc. Para la instalación se han tomado 6 inversores: 3 inversores con una potencia en paneles de 4.000 W y una potencia nominal de 3.200 W, y 3 inversores con una potencia en paneles de 3.000 W y una potencia nominal de 2.400 W. 21 Los modelos de inversores elegidos son de la marca ATERSA: • 3 inversores TAURO PR-4000/8 • 3 inversores TAURO PR-3000/8 Tabla 3. Características eléctricas modeloTAURO PR-4000/8 Modelo TAURO PR 4000/8 Potencia nominal del inversor 3.20 kW Potencia nominal de paneles 4000 W Rango de potencia pico instalada 1800 ... 4000 Wp recomendable Máxima tensión de entrada de continua en 176 Vcc vacío Potencia mínima de conexión aprox. 150 W Consumo aprox. en vacío 8 W a 230 Vac Rizado tensión paneles a potencia nominal 8 Vrms aprox. Rango de temperatura de trabajo -5 / +40 ºC Rango de tensión de red admisible 205 / 253 Vac Frecuencia de trabajo 49.5 Hz... 50.5 Hz Factor de potencia 0.98 ... 1.00 Distorsión de la intensidad a 0.6 Pn con < 3.5% THD de red < 2% 22 Relé de potencia de estado sólido Conexión en paso por 0 Sistema de aislamiento Red/Panel Transf. Toroidal norma UNE 60742 Humedad relativa máxima 90% sin condensación Rendimiento máximo aprox. 93% Rendimiento a 0.8 Pn Wcc en paneles aprox 89% Sistema de refrigeración Convección natural +Ventilación forzada Tabla 4. Características físicas modeloTAURO PR-4000/8 Ancho 330 mm Alto 670 mm Fondo 230 mm 230 mm Peso aprox 25 Kg. 41 Kg Grado de protección IP-21 Tabla 5. Características eléctricas modelo TAURO PR-3000/8 Modelo TAURO PR 3000/8 Potencia nominal del inversor 2.40 kW 23 Potencia nominal de paneles 3000 W Rango de potencia pico instalada 1500 ... 3000 Wp recomendable Máxima tensión de entrada de 176 Vcc continua en vacío Potencia mínima de conexión 110 W aprox. Consumo aprox. en vacío 8 W a 230 Vac Rizado tensión paneles a 7 Vrms potencia nominal aprox. Rango de temperatura de trabajo -5 / +40 ºC Rango de tensión de red 205 / 253 Vac admisible Frecuencia de trabajo 49.5 Hz... 50.5 Hz Factor de potencia 0.98 ... 1.00 Distorsión de la intensidad a 0.6 < 3.5% Pn con THD de red < 2% Relé de potencia de estado sólido Conexión en paso por 0 Sistema de aislamiento Transf. Toroidal Red/Panel norma UNE 60742 Humedad relativa máxima 90% sin condensación Rendimiento máximo aprox. 93% 24 Rendimiento a 0.8 Pn Wcc en aprox 89% paneles Sistema de refrigeración Convección natural +Ventilación forzada Tabla 6. Características físicas modelo TAURO PR-3000/8 Ancho 330 mm Alto 670 mm Fondo 230 mm 230 mm Peso aprox 25 Kg. 35 Kg Grado de protección IP-21 2.3.4. Protecciones Además de las protecciones ya comentadas, un sistema fotovoltaico conectado a red debe incluir una serie de protecciones, tanto en la parte de continua como en la parte de alterna que garanticen su buen funcionamiento a la par que un buen nivel de seguridad para el usuario y/o del personal de mantenimiento, semejante a los sistemas eléctricos de generación/consumo convencionales. En la zona de continua, en lo que a tierras se refiere, existe una controversia mantenida sobre las ventajas y desventajas de la puestas a tierra de las masas metálicas y/o conductores polares. Así, en la zona de continua y desde el punto de vista de funcionamiento del sistema, una buena toma de tierra de la estructura soporte, aseguraría un buen camino para la corriente 25 causada por una descarga atmosférica que se produjera accidentalmente sobre ella. Por tanto, en la mayoría de los casos y sobre todo en las zonas de riesgo de este tipo de fenómenos, la estructura soporte y/o los marcos metálicos de los módulos, así como todas las carcasas metálicas del equipamiento eléctrico incluido en un sistema de estas características, han de ponerse a tierra, a menos que exista o se instale un pararrayos que proteja el área en el que dicha estructura soporte fuera instalada, debido a la posibilidad de acoplamiento vía tierra. Sobre la puesta a tierra de las partes activas del generador fotovoltaico (polo negativo), también existe controversia. En el artículo 690-41 del Reglamento Electrotécnico de EEUU (NEC- National Electrical Code) se explícita que uno de los polos activos de un generador fotovoltaico ha de ponerse a tierra .... Sin embargo, en Europa, es práctica común dejar el circuito en flotación, instalando varistores para protección contra sobretensiones. Asimismo, desde el punto de vista de la seguridad personal, para prevenir choques eléctricos en usuarios y/o personal de mantenimiento cuando la tensión del sistema sea igual o superior a 100 Vdc, es muy recomendable –sobre todo en instalaciones en las que el generador fotovoltaico es accesible, por ejemplo: fachadas, cubiertas accesibles, centrales fotovoltaicas, etc – instalar entre cada polo del sistema y tierra, un dispositivo suficientemente sensible (100 mA) que detecte corrientes de fuga del sistema a través de tierra y en caso de contacto, actúe, cortocircuitando el sistema a tierra. Además dicho mecanismo debe poder actuarse manualmente con el mismo fin para evitar cualquier riesgo de accidente durante las labores de mantenimiento correspondientes. Otra forma de disminuir el riesgo de un choque eléctrico cuando la tensión del generador fotovoltaico está por encima de 100 V consiste en poner a tierra, a un punto intermedio de las ramas a modo de divisor de tensión. Si la tensión en circuito abierto del generador fotovoltaico es igual o menor a 100 V (25 ºC, 100 W/m²), no sería necesaria la instalación de ningún dispositivo como los descritos, incluso si los módulos son accesibles. En la zona de alterna a la salida del inversor, 26 siempre es conveniente poner un transformador, en el que y para suministro trifásico, su neutro podría ir también conectado a tierra o flotante. En suministro monofásico (instalaciones domésticas < 5kW), no es necesario la puesta a tierra del neutro. Por supuesto, en todos los casos es imprescindible una protección diferencial contra los contactos indirectos. También es necesaria la instalación de dos relés, uno de máxima y otro de mínima tensión que actúen sobre un interruptor automático de desconexión. Además tanto en la zona de continua como en la de alterna, se instalarán en todos los casos, disyuntores magnetotérmicos A continuación, se resumen las características técnicas generales en cuanto a funcionamiento y protecciones, que deben reunir los sistemas fotovoltaicos de potencia > 5 Kw., conectados a la red, incluyendo los límites en la fluctuación de tensión y frecuencia que la propia red puede tener. ¾ Fluctuación de Tensión: la tensión debe mantenerse entre el 85% y el 110% de su valor nominal. ¾ Fluctuaciones de frecuencia: La frecuencia debe mantenerse entre 49 y 51 Hz para el adecuado funcionamiento del sistema fotovoltaico. ¾ Compensación del factor de potencia: cos φ > 0,86 (inductivo). ¾ Caída de tensión máxima permitida: ∆V = 5% V nominal. ¾ Distorsión total armónica máxima: THD < 5%. Se atenderá en todo momento a lo establecido en el RD 1663/2000 en lo referente a las protecciones necesarias en las instalaciones fotovoltaicas. 3. Normativa Para la elaboración del presente proyecto se ha considerado la siguiente normativa, aplicable a instalaciones de energía solar fotovoltaica: •Ley 54/1997 de 27 de noviembre del Sector Eléctrico. 27 •Real Decreto 436/2004, de 12 de marzo, por el que se establece la metodología para la actualización y sistematización del régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. •Decreto 842/2002 de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. •Real Decreto 1663/2000 de 29 de septiembre, sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión. •Real Decreto 1955/2000 de 1 de diciembre, por el que se reglan las actividades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica. 4. Conclusiones A día de hoy, en nuestro país, el conocimiento que los ciudadanos tienen de la energía solar va en aumento, sin embargo, las conexiones a red todavía no están suficientemente difundidas. Las administraciones realizan esfuerzos, con mayor o menor acierto, en ese sentido. La realización de una instalación de este tipo proporciona al emplazamiento elegido una rentabilidad económica, traducida en la contabilidad a los costes de inversión y venta del producto. Además, la voluntad por promover la energía renovable y el uso responsable de los recursos naturales, contribuyendo a mejorar la imagen del tipo de establecimiento donde está enclavado. Un aspecto muy importante a tener en cuenta hoy en día. La realización de este proyecto me ha permitido ampliar mis conocimientos sobre la energía solar, siendo éste un tipo de energía cuya utilización tiende a aumentar día a día, con un campo de aplicación amplio y grandes perspectivas de futuro. 28
