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Curso Fotovoltaica 6/6
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Curso Fotovoltaica 6/6

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• Criterios de dimensionamiento : producción invernal máxima vs maximización de la producción …

• Criterios de dimensionamiento : producción invernal máxima vs maximización de la producción
• Sistemas híbridos
• Almacenamiento
• Tipos de baterías
• Importancia de la eficiencia energética en sistemas aislados
• Mantenimiento

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  • 1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Diseño, ejecución, explotación y mantenimiento INSTALACIONES AISLADAS Oscar Velasco. Grupo Generalia. 31 de marzo de 2011 www.generalia.es1
  • 2. INDICE Introducción Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y Sistema de Backup Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo. Miniredes inteligentes Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos Diseño de sistemas aislados Mantenimiento2
  • 3. INDICE Introducción Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y Sistema de Backup Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo. Miniredes inteligentes Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos Diseño de sistemas aislados Mantenimiento3
  • 4. Esquema básico de funcionamiento PV modules PV regulator DC Consumption Inverter AC Consumption4
  • 5. IntroducciónDiferencias con respecto a los sistemas de conexión a red Diseñado para el abastecimiento de consumo propio Necesidad de almacenamiento de la energía  Regulador / cargador  Baterías Inversores con capacidad para “crear red” Para instalaciones con consumos en únicamente en continua y de pequeña potencia (<2 kW),se podrían requerir paneles con características particulares:  Si los consumos son en continua a 12 V, paneles a 18 V  Si fueran 24 V, paneles de 30-32 VNOTA: Los paneles de 12 V son mas caros generalmente, pero se puede evitar su usoutilizando reguladores maximizadores de potencia. Sólo para potencias mayores de 2 kW5
  • 6. Introducción Criterio de mayor producción en invierno VS maximización de la producción anual  En las instalaciones de conexión a red, el interés es conseguir la máxima rentabilidad anual de la instalación  En instalaciones aisladas, el interés es alimentar las necesidades de consumo durante cualquier día del año. Para ello:  Tenemos que dimensionar la instalación para el “peor día del año”  Seleccionaremos la inclinación de los paneles que maximice la producción en dicho mes Sofia, Bulgaria Madrid, España 6 Ed (32º) Ed (61º) Ed (34º) Ed (60º) Jan 1,65 1,79 2,66 2,96 5 Feb 2,25 2,34 3,05 3,19 Mar 2,75 2,63 4,32 4,23 4 Apr 3,42 3,01 4,1 3,63 3 May 3,61 2,95 4,63 3,75 Jun 3,79 2,97 4,78 3,69 2 Jul 4,06 3,23 4,91 3,85 Aug 3,95 3,37 4,79 4,08 1 Sep 3,48 3,28 4,38 4,14 Oct 2,68 2,74 3,54 3,63 0 Nov 1,71 1,84 2,66 2,9 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Dec 1,3 1,41 2,15 2,39 Sofia, Bulgaria (32º) Sofia, Bulgaria (61º) Total year 1050 960 1400 1290 Madrid, España (34º) Madrid, España (60º)6 Nota: existe la posibilidad de usar sistemas de backup en los meses de menor producción
  • 7. INDICE Introducción Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y Sistema de Backup Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo. Miniredes inteligentes Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos Diseño de sistemas aislados Mantenimiento7
  • 8. Elementos Inversor  Rango de potencias mucho mas bajo que en conexión a red  Capacidad de unirse en serie y paralelo  Preparados para entradas auxiliares en paralelo, en caso de sistemas híbridos: diesel, red, paneles…  Fabricantes: Potencia Fabricante Potencia Unitaria Observaciones Sistema • Incorpora cargador de baterías • Permite inyectar excedente a la red eléctrica Xantrex 6 kW 36 kW • Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo • Incorpora cargador de baterías 100 kVA Victron 10 kVA • Permite modos de configuración para la gestión de la (90 kW) generación y el consumo • Incorpora cargador de baterías Ingeteam 15 kVA 120 kVA • Permite modos de configuración para la gestión de la generación y el consumo8
  • 9. ElementosDetalles sobre el regulador Se utiliza para:  Proteger a las baterías contra sobrecargas  Evitar descargas excesivas durante cada ciclo Es recomendable trabajar con un sobredimensionamiento del 125% Diferencias entre regulador y cargador  Cargador: solo sirve para cargar las baterías  Regulador: sirve tanto para cargar las baterías, como para gestionar las cargas en corriente continua NOTA: Los cargadores no son dispositivos simples:  El estado de carga de la batería depende de muchos factores y es difícil de medir  Existen múltiples algoritmos para optimizar la carga de las baterías y aumentar su tiempo de vida9
  • 10. BateríasIntroducción Las baterías se utilizan para almacenar la energía que se produce en los paneles durante el día, para ser consumida en los periodos que no hay irradiación solar Este almacenamiento se produce a través de reacciones químicas reversibles Una batería está formada por la asociación serie de varios “vasos” o “celdas”  Entre los electrodos se establece una diferencia de potencial (Generalmente: 2V)  En aplicaciones fotovoltaicas se utilizan generalmente baterías de 12, 24 o 48 voltios Se suele dimensionar para varios días de consumo  En caso de que se sucedan varios días de baja irradiación: nubes, lluvia, etc  Tres días puede ser una buena recomendación, según cada uso10
  • 11. Baterías Capacidad Cantidad de electricidad que puede obtenerse durante una descarga completa de un acumulador plenamente cargado La capacidad en Amperios-hora (A-h) es simplemente la corriente que la batería puede entregar, multiplicado por el número de horas en que se entrega dicha corrienteCapacidad de régimen En teoría una batería de 200 A-h podría entregar: 200 A durante una hora, 100 A durante dos horas, 1 A durante 200 horas y así sucesivamente. Sin embargo, en la realidad, la capacidad de la batería variará según el régimen de carga y descarga. (Generalmente, menor velocidad de descarga implica mayor capacidad) Por ejemplo: una batería con una capacidad de 100 A-h a un régimen de 8 horas (C-8):  Podría descargar 12,5 A durante 8 horas. C = 12.5 x 8 = 100 A-h  Pero podría proporcionar 5.8 A durante 20 horas. C’ = 5.8 x 20 = 116 A-h11
  • 12. Baterías Profundidad de descarga Porcentaje de la capacidad total de la batería que puede ser usada sin necesidad de recarga y sin dañar a la batería.  Como regla general, cuanto menor sea la profundidad de descarga alcanzada en cada ciclo, mayor será la vida útil de la batería Clasificación:Ciclo ligero Ciclo profundo - Diseñadas para fuertes corrientes en - Diseñadas para largos periodos de utilización sin las descargas iniciales necesidad de recibir recarga - Constantes cargas y descargas - Son más robustas y tienen mayor densidad - Profundidades de descarga menores energética del 20 % - Profundidad de descarga del 80% Nota: Esta clasificación se utiliza sobretodo para baterías de Plomo-Acido Múltiples fabricantes Isofoton, Hoppecke, BAE, TABB, Tudor, etcétera
  • 13. Baterías Tipos de Baterías Para aplicaciones fotovoltaicas las más adecuadas son las baterías estacionarias, diseñadas para tener un emplazamiento fijo y para los casos en que el consumo es más o menos irregular. Las baterías del tipo “estacionario” no necesitan producir una corriente elevada en breves periodos de tiempo, aunque sí profundas descargas. Plomo-Acido Plomo-Acido Gel-Cell NiCd (Ciclo Profundo) (Ciclo Ligero)Observaciones • Muy disponibles • Muy disponibles • El acido se encuentra • Mejor comportamiento comercialmente comercialmente en estado de gel con la temperatura • Pueden experimentar • Pueden experimentar • Mucho menor • Doble precio que Pb muerte súbita muerte súbita mantenimiento • Son de plomo- • Son de plomo-calcio • Puede operar en antimonio (reduce autodescarga) cualquier posición • Más caras que PbProfundidad de descarga 40-80% 15-25% 15-25% 100%Autodescarga por mes 5% 1-4% 2-3% 3-6%Capacidad típica (AH/m3) 35,314 24,720 8,828 17,660Rango de capacidades 7,062 a 50,323 5,791 a 49,000 3,672 a 16,400 3,630 a 34,961(AH/m3)Capacidad típica (AH/Kg) 12.11 10.13 4.85 11.10Rango de capacidades 4.18 a 26.65 2.42 a 20.26 2.20 a 13.87 2.64 a 20.90(AH/Kg)Temperatura mínima de -6.6 -6.6 -18 -45operación (oC)
  • 14. Grupo Diesel El generador diesel como backup (I)  El uso de un generador diesel puede permitirnos evitar el sobredimensionamiento de paneles y baterías.  Se trata de cubrir los periodos de baja irradiación o las situaciones de consumo extraordinario a través de un grupo diesel  A día de hoy, la energía proveniente de un grupo diesel puede ser más cara que la que obtenemos a partir de la energía solar fotovoltaica  Dependerá del precio del combustible Nota: En la siguiente transparencia vemos un ejemplo14
  • 15. Grupo Diesel Precio de kW-h producido por generador diesel versus kW-h solar 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Precio kWh hibrido Precio kWh G Diesel Precio kWh G Diesel CO2 Notas: 1. Para este estudio se ha tenido en cuenta que el precio de la electricidad proveniente de Generador Diesel es, hoy, de 0.35 €/kWh (Internalizando los costes que supone la logística del combustible). 2. El estudio está realizado para 1500 HSP 3. Se ha estimado, en verde, la repercusión que supondrá el sobrecoste por las emisiones de gases contaminantes (Precio de tonelada de CO2). 4. Los precios están en euros 5. La palabra “híbrido” se refiere a una instalación fotovoltaica con un Backup de generador diesel.15
  • 16. INDICE Introducción Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y Sistema de Backup Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo. Miniredes inteligentes Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos Diseño de sistemas aislados Mantenimiento16
  • 17. Sistema híbrido: Diesel - Solar Inverter PV regulator DC Consumption AC PV modules Consumption Unión a través del BUS AC  A la hora de seleccionar el generador diesel, se debe buscar que disponga de arrancador El generador diesel arranca si las baterías bajan de un automático:determinado nivel  Bien porque dispone de la electrónica para El generador puede exclusivamente abastecer el realizar el arranque a través de una señalconsumo o, también, cargar las baterías auxiliar  El inversor está especialmente diseñado con  Bien porque es compatible con los cuadros este propósito (Conversor AC/DC) eléctricos diseñados para tal efecto17
  • 18. Sistema híbrido: Eólico - Solar Descripción  Este tipo de sistema es, actualmente, objeto de análisis e investigación por parte de diferentes instituciones y empresas.  Buena correlación entre el recurso eólico y el solar  Generalmente, unión a través del BUS DC (de las baterías)  Pocos datos sobre el recurso: grandes variaciones intraregionales  Menores garantías en el sistema eólico que en solar:  En torno a los tres años El potencial eólico viene determinado fundamentalmente por: • Velocidad del viento: la energía cinética del viento se incrementa según el cubo de su velocidad • El recurso eólico será explotable en lugares con velocidad media anual superior a los 4-5 m/s También influyen, en menor medida, las características y densidad del viento18
  • 19. Sistema híbrido: Eólico - Solar Esquema de funcionamiento PV modules PV DC Consumption regulator BUS DC Wind regulator Inverter AC Consumption Wind generator19
  • 20. Eficiencia en el consumo (I) La importancia de reducir el consumo…  Actualmente se pueden encontrar grandes avances en los consumos de muchos dispositivos masivos: electrodomésticos, iluminación, aire acondicionado, PCs…  Dado el alto coste de la energía solar aislada y la dependencia de su precio con el consumo… … cualquier instalación solar aislada debe comenzar por optimizar la eficiencia en el consumo  Ejemplo:  Precio electricidad: 0,40 €/kWh  Consumo Nevera Clase A+: 150 kWh/año Ahorro: 260 € / año FUENTE DE CONSUMOS: IDAE  Consumo Nevera Clase G: 800 kWh/año * En realidad, la instalación de un dispositivo más eficiente nos20 permitirá reducir el coste de la inversión
  • 21. Eficiencia en el consumo (II) Ejemplos de consumos Elemento Bajo consumo Convencional Nevera Clase A Clase G 150 kWh/año 800 kWh/año Lavadora Clase A Clase G 1.42 kWh 6.9 kWh Iluminación Incandescente LED 1 100 W 10 W Iluminación Incandescente Bajo Consumo 2 100 W 18 W PC 250 W 70 W Sobremesa21
  • 22. Miniredes Inteligentes / Smart Grids (I) Objetivo a nivel global Compromiso de los gobiernos internacionales (como la UE:  Minimizar impacto medioambiental.  Reducir las emisiones en un 20%  Reducir la dependencia de los combustibles fósiles.  Aumentar el peso de las renovables en un 20%  Reducir costes y aumentar la eficiencia energética Para conseguirlo:  Aumentar la integración de las energías renovables en la red global internacional  Necesidad de convivir con una generación distribuida e intermitente22
  • 23. Miniredes Inteligentes / Smart Grids (II) Medidas hacia las Miniredes Inteligentes Mejorar la supervisión y control de la generación Perfil de demanda de un día medio en España  Perfil de producción intermitente de las EERR  Poca previsión de la curva de producción Mejorar la gestión de la demanda  Elevado ratio punta – valle de la demanda  Falta de correlación con la generación renovable Source: REE Mayor interconexión internacional Mejorar el almacenamiento de electricidad  Nuevas instalaciones de bombeo / producción hidráulica  I+D en sistemas de almacenamiento in situ: hidrógeno / baterías  Introducción del vehículo eléctrico
  • 24. INDICE Introducción Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y Sistema de Backup Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo. Miniredes inteligentes Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos Diseño de sistemas aislados Mantenimiento24
  • 25. Zonas de aplicación  Áreas alejadas de la red de distribución eléctrica  Áreas actualmente abastecidas con generadores  Excepcionalmente, áreas con inestabilidad en la red eléctrica  Gran potencial de aplicación en países africanos Especialmente: zonas con alto precio del combustible Source: World energy outlook 200925
  • 26. Ejemplos de Aplicaciones Viviendas unifamiliares y bloques de viviendas Edificios públicos: hospitales, escuelas, etc. Alumbrado público y señales de tráfico Antenas de comunicaciones Bombeo de agua  Consumo humano  Uso agrícola Desalinizadoras y Depuración de agua Usos industriales26
  • 27. Caso particular: Instalaciones de Bombeo de AguaInstalación con grandes ventajas para laalimentación mediante energía solar No hay necesidad de baterías  La construcción de un depósito en altura sirve de almacenamiento de energía  Por tanto tampoco necesitamos regulador No hay necesidad de inversores  Actualmente se pueden encontrar bombas en corriente continua de gran calidad Pocos elementos:  Se reduce el precio de la instalación  Se reducen las posibilidades de avería27
  • 28. Otras consideraciones en la aplicación Posibles límites del sistema En Plomo-Acido, cada vaso permite almacenar un máximo  Potencia máxima de salida de 3.000Ah en C-10(2V). En ramas de 48 V,  Viene limitada por los inversores: actualmente < 120 kWp generalmente la máxima tensión que se utiliza, cada  Capacidad máxima de almacenamiento paralelo puede llegar a almacenar:  Viene limitada por las baterías 3.000 Ah x 48 V = 144 kWh  Plomo-acido: se recomienda no superar más de tres o cuatro paralelos  En Ni-Cd este número es mayor (según los fabricantes) * * Se recomienda verificar con el fabricante este punto. Existen pocos casos prácticos Tendencia a la escalabilidad  Con el objetivo de poder alimentar poblaciones crecientes de cualquier tamaño  Mediante la integración de tecnologías y la evolución de cada dispositivo28
  • 29. INDICE Introducción Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y Sistema de Backup Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo. Miniredes inteligentes Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos Diseño de sistemas aislados Mantenimiento29
  • 30. Diseño del sistema (I) Estudio de consumos  Realizamos una tabla que recoja todos los consumos que vamos a encontrar en el sistema:Dispositivo Número de Potencia Potencia Total Horas de uso Energía consumida unidades Pico (W) media (W) (h / dia) (Wh/dia)Lámpara 10 11 88* 8 880Ordenador 1 300 150 6 900Nevera 1 1000 400 24 9600Televisión 1 90 90 8 720TOTAL 1500 W 728 W 12.100 Wh/día * Coeficiente de Simultaneidad del 80% La potencia pico total afectará, principalmente, al cálculo del inversor La energía diaria consumida total afectará, principalmente al cálculo de:  El sistema de almacenamiento  El sistema fotovoltaico30
  • 31. Diseño del sistema (II) Cálculo del generador fotovoltaico  Según el estudio de consumos, necesitamos generar 12.100 Wh / día de media  Como hemos explicado anteriormente, esta generación debe garantizarse “en el peor día del año”, es decir en Invierno Madrid, España  Debo tener en cuenta las perdidas que se producirán en los diferentes Ed (34º) Ed (60º) Jan 2,66 2,96 equipos: paneles, inversor, regulador, cableado, y baterías Feb 3,05 3,19 Mar 4,32 4,23 Apr 4,1 3,63  Las perdidas aproximadas en las baterías se pueden estimar del 4,63 3,75 May 4,78 3,69 orden del 15 % Jun Jul 4,91 3,85 Aug 4,79 4,08  Las pérdidas totales del sistema, en torno al 34 % Sep 4,38 4,14 Oct 3,54 3,63 Energía demandada 12100 Nov 2,66 2,9 Ppaneles   7.670,85W HSP Perdidas 2,39  0,66 Dec 2,15 2,39 Total year 1400 1290 Podemos instalar, por ejemplo, 34 paneles de 230 W = 7.820 Wp31
  • 32. Diseño del sistema (III) Cálculo de las baterías  Según el estudio de consumos, necesitamos disponer de 12.100 Wh / día de media  En este ejemplo, se dimensionarán las baterías para abastecer dos días completos sin irradiación solar.  Las baterías deberán ser capaces, por tanto, de suministrar 24.200 Wh  Para este ejemplo se seleccionarán baterías de Plomo-Ácido con una profundidad de descarga del 80%  Para aumentar su tiempo de vida, se calcula una profundidad máxima de descarga del 60%  Se considera un factor de pérdidas en baterías del 85% Energía demandada  nº dias 12100  2Capacidad Ah    1977.12 A  h P.Descarga  Pérdidas  Tensión 0,6  0,85  24 Instalaremos 12 baterías de 2000 A-h (C-20)32
  • 33. Diseño del sistema (IV) Cálculo del inversor (I)  En este caso, nos afecta la potencia pico que tenemos que garantizar  En nuestro caso, esta potencia podría llegar a 1500 Wp  Sin embargo, generalmente, se aplica un “Coeficiente de Simultaneidad”, por el hecho de que los dispositivos rara vez estarán encendidos todos al mismo tiempo  Además, los inversores están preparados para abastecer una potencia puntual del doble de su potencia nominal durante un periodo de tiempo determinado  En nuestro caso concreto, podemos suponer que los picos de arranque del motor de la nevera serán absorbidos durante estos periodos33
  • 34. Diseño del sistema (V) Cálculo del inversor (II)  Alcanzaremos una potencia máxima de 1500 Wp, es decir la potencia nominal del inversor deberá ser mayor que 750 Wp  Hablando de consumos medios, y aplicando un “Coeficiente de Simultaneidad” del 80% a las bombillas, la potencia nominal del inversor deberá superar los 728 Wp Seleccionaremos por tanto un inversor con una potencia de salida mayor que 750 Wp34
  • 35. Diseño del sistema (VI) Resultado final  Energía en demanda: 12.100 Wh  Potencia en los paneles: 7.820 Wp  Capacidad de las baterías: 2.000 A-h (C-20) x 24 V = 48.000 W-h  Potencia de salida del inversor: 750 – 1000 Wp Observaciones  Se ha considerado que el consumo es el mismo en todos los días del año  En caso contrario (por ejemplo, por disponer de un aire acondicionado) deberíamos estudiar también el consumo del día de mayor consumo.  Se podrían reducir la baterías, reduciendo su autonomía o aumentando su profundidad de descarga, e introduciendo un generador diesel que soporte los periodos que las baterías no pueden asumir35
  • 36. INDICE Introducción Elementos de la instalación. Sistema de Almacenamiento y Sistema de Backup Tendencias: Sistemas Híbridos. Eficiencia del Consumo. Miniredes inteligentes Aplicación: Áreas de aplicación y ejemplos Diseño de sistemas aislados Mantenimiento36
  • 37. Mantenimiento de los panelesLimpieza periódica de la cubierta frontal de vidrio del panel solar fotovoltaico  Teniendo en cuenta el nivel de suciedad ambiental  Generalmente una vez al año Verificación de las conexiones y apriete de los terminales Verificación del estado de los conductores Verificación de la estructura de soporte  Si ésta no está protegida contra la intemperie (aluminio, acero inoxidable o galvanizado), será necesario un tratamiento periódico con pintura antióxido. Verificación de que no hay objetos que sombrean el panel solar fotovoltaico.  En caso que algún árbol pudiera hacerlo, prever su poda cada vez que se estime necesario37
  • 38. Mantenimiento de las baterías (I)  Las baterías son un elemento de riesgo, por sus características eléctricas y químicas Principales riesgos  El electrolito es, generalmente, de ácido diluido: riesgo de quemaduras en contacto con la piel o con los ojos  Riesgo de electrocución Consejos:  A partir de 24 V, para entornos húmedos  Usar guantes y zapatos adecuados  A partir de 48 V, para entornos secos  Usar herramientas con mangos de plástico  Riesgo de incendio/explosión  Quitarse objetos metálicos  Debido a que generan gas hidrógeno  Evitar chispas y llamas en el entorno de las baterías  Necesidad de buena ventilación38
  • 39. Mantenimiento de las baterías (II) Principales acciones para el correcto mantenimiento  Verificar que el local está bien ventilado y protegido de los rayos solares  Mantener el nivel del electrolito entre los límites marcados por el fabricante  Adicionar sólo agua destilada  Proteger los bornes de conexión con grasa antioxidante para evitar la sulfatación  Verificar el apriete de los bornes de las baterías  Limpiar la cubierta superior de la batería39

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