• 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

1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Diseño, ejecución, explotación y mantenimiento
INSTALACIONES AISLADAS
Oscar Velasco. Grupo Generalia. 31 de marzo de 2011
www.generalia.es
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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
Mantenimiento
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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
Mantenimiento
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4. Esquema básico de funcionamiento
PV modules
PV regulator
DC Consumption
Inverter AC Consumption
4

5. Introducción
Diferencias 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 V
NOTA: Los paneles de 12 V son mas caros generalmente, pero se puede evitar su uso
utilizando reguladores maximizadores de potencia. Sólo para potencias mayores de 2 kW
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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
Mantenimiento
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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 consumo
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9. Elementos
Detalles 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 vida
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10. Baterías
Introducción
 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 uso
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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 corriente
Capacidad 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-h
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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 Pb
Profundidad 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 17,660
Rango 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 11.10
Rango 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 -45
operación (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 ejemplo
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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.
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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
Mantenimiento
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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 señal
consumo 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 efecto
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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 viento
18

19. Sistema híbrido: Eólico - Solar
Esquema de funcionamiento
PV
modules
PV
DC Consumption
regulator
BUS DC
Wind
regulator
Inverter
AC Consumption
Wind
generator
19

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 nos
20 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
Sobremesa
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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 intermitente
22

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
Mantenimiento
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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 2009
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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 industriales
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27. Caso particular:
Instalaciones de Bombeo de Agua
Instalación con grandes ventajas para la
alimentación 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 avería
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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 dispositivo
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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
Mantenimiento
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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* 8 880
Ordenador 1 300 150 6 900
Nevera 1 1000 400 24 9600
Televisión 1 90 90 8 720
TOTAL 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 fotovoltaico
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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 Wp
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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  2
Capacidad Ah    1977.12 A  h
P.Descarga  Pérdidas  Tensión 0,6  0,85  24
Instalaremos 12 baterías de 2000 A-h (C-20)
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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 periodos
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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 Wp
34

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 asumir
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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
Mantenimiento
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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 necesario
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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 ventilación
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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 batería
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