Unitat 1. Muntatges d'instal·lacions solars fotovoltaiques
Objectius
Reconèixer els paràmetres bàsics que influiran en la radiació solar incident.
Determinar la ubicació i posició de les plaques solars fotovoltaiques en funció de l'aplicació i les condicions d'ubicació.
Identificar la incidència d'ombres sobre les plaques, produïdes per obstacles propers.
Reconèixer i dimensionar els elements bàsics de les instal·lacions solars fotovoltaiques autònomes i de connexió a la xarxa.
Material didàctic
Resum
Les instal·lacions fotovoltaiques autònomes no disposen d'accés a la xarxa elèctrica de distribució i, per tant, s'han d'abastar de manera autònoma generant l'energia elèctrica i emmagatzemant-la per poder-la utilitzar en el moment necessari.
Els elements bàsics d'aquestes instal·lacions són:
- Mòduls fotovoltaics: són els encarregats de generar l'energia elèctrica necessària per a la instal·lació.
- Bateries o acumuladors: són els encarregats d'emmagatzemar l'energia elèctrica dels mòduls en forma d'energia electroquímica. Els tipus més emprats en aplicacions autònomes són els de plom-àcid amb electròlit líquid, tot i que actualment està en augment la utilització d'electròlit gelificat o bateries de gel.
- Regulador de càrrega: és l'encarregat de controlar la càrrega dels mòduls a la bateria i de controlar-ne l'estat donant la informació necessària.
- Convertidor CC/CA: és l'element que permet transformar el corrent continu de la bateria o acumulador en corrent altern amb els valors de tensió i freqüència normalitzats (230/400 V CA, 50 Hz). Tanmateix, permet donar la potència simultània necessària dels equips o càrregues de la instal·lació.
Elements de les instal·lacions autònomes
Les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa elèctrica generen electricitat i la injecten a la xarxa distribuïdora, que percep una prima econòmica per l'energia generada i que està estipulada pel reial decret en vigor.
Els elements bàsics d'aquestes instal·lacions són:
- Mòduls fotovoltaics: són els encarregats de generar l'energia elèctrica.
- Inversor: és l'encarregat de la transformació del corrent continu dels mòduls fotovoltaics en corrent altern amb els mateixos valors de tensió i freqüència que la xarxa elèctrica a la qual la instal·lació està connectada (230/400 V CA, 50 Hz). Aquests inversors disposen de controls MPPT per optimitzar la producció energètica dels mòduls fotovoltaics. Tanmateix, han de permetre la seva desconnexió de manera automàtica quan es detecten pertorbacions de tensió i freqüència fora de rang a la xarxa elèctrica.
- Quadre de proteccions de la interconnexió: aquest quadre disposa d'un conjunt de dispositius obligatoris per a la instal·lació de connexió a la xarxa. Aquests dispositius són:
- Interruptor diferencial: és l'encarregat de desconnectar la instal·lació davant d'un defecte d'aïllament que perjudiqui les persones. La sensibilitat d'aquest dispositiu és de 30 mA.
- Interruptor de control de potència: és l'encarregat de limitar la potència màxima que pot generar la instal·lació als valors declarats en el projecte. Igualment, permet desconnectar la instal·lació davant de sobretensions o curtcircuits fortuïts.
- Comptador de l'energia elèctrica exportada a la xarxa i importada d'aquesta: permet la quantificació del flux d'energia de la instal·lació en tots dos sentits: importació i exportació.
- Fusible d'inici de línia: és una protecció redundant per evitar desperfectes a la xarxa de distribució.
Elements de les instal·lacions connectades a la xarxa
Mapa conceptual
Més informació
Bibliografia bàsica
Alcor, E. (2008). Instalaciones solares fotovoltaicas. Sevilla: Progemsa.
Llibre dirigit a electricistes professionals o tècnics de branques afins que vulguin conèixer els criteris bàsics d'aplicacions de l'energia solar fotovoltaica.
Lejardi, L. (1998). Acumuladores de electricidad. Sevilla: Progemsa.
Aquest llibre és un manual pràctic per al coneixement, la instal·lació i el manteniment de bateries.
Fuentes, A.; Álvarez, M. (2003). Prácticas de energia solar fotovoltaica. Sevilla: Progemsa.
Descripció pas a pas de disset pràctiques experimentals per a l'aprenentatge professional de la tecnologia fotovoltaica, orientades a estudiants i professors d'aquesta matèria. Els seus autors, professors d'un centre de formació professional, tenen molts anys d'experiència pràctica en l'àrea de les instal·lacions elèctriques.
Revista PHOTON. Aachen (Alemanya): PHOTON Europe GmbH
Revista alemanya amb una edició en castellà que es distribueix mensualment i tracta monogràficament de l'energia solar fotovoltaica. Inclou reportatges d'actualitat tant d'aspectes tècnics com de coneixement del mercat o aplicacions significatives a Europa.
Bibliografia complementària
Energía solar fotovoltaica: Normas Une. (2004) Madrid: Ediciones AENOR.
Text íntegre de les vint-i-set normes UNE-EN (versions oficials en espanyol de les corresponents normes europees) actualment vigents (abril de 2006). Elaborades pel comitè tècnic de normalització AEN/CTN/206/GT 82, Sistemes d'Energia Solar Fotovoltaica.
Lorenzo, E. (2006). Radiación solar y dispositivos fotovoltaicos (vol. II). Sevilla: Electricidad Solar Fotovoltaica.
Un llibre de nivell avançat, encara que assequible per a persones amb una formació tècnica prèvia, no necessàriament en l'àrea fotovoltaica, destinat a tots els tècnics que vulguin aprofundir en els aspectes fonamentals que regeixen el comportament de la radiació solar i els generadors solars.
Adreces d'interès
Pàgina de l'Institut Nacional per a la Diversificació Energètica, estament espanyol des del qual es gestionen i promouen totes les accions estatals a favor de les energies renovables. Aquesta pàgina és un bon fons de recursos i informació a l'Estat espanyol referent a la normativa i documentació tècnica de referència en l'àmbit de les energies renovables.
Pàgina de l'Institut Català d'Energia, institució és l'homòloga de l'IDAE. A Catalunya, com en el cas de l'IDAE aquesta pàgina és un bon fons de recursos i informació referida a les energies renovables.
Pàgina de l'Associació de Professionals de les Energies Renovables de Catalunya que recull força dades del sector de les energies renovables a Catalunya i duu a terme accions de divulgació tècnica, i a més és una bona base de dades de les empreses especialitzades en aquest sector.
Pàgina de l'Associació Espanyola de la Indústria Fotovoltaica que recull força dades del sector fotovoltaic i duu a terme accions de divulgació tècnica i posa a disposició del visitant una relació classificada dels seus associats.
Pàgina d'una entitat privada dedicada a la divulgació de les energies renovables. Recull tot tipus d'informacions, documentació i programari descarregable relacionat amb les energies renovables.
Empresa especialitzada en la formació i divulgació de les energies renovables i equip de redacció de la documentació d'aquesta unitat didàctica. En aquesta pàgina hi trobareu documentació relacionada amb les energies renovables.
Annexos
Atles de radiació solar a Catalunya
Aquest document recull les dades de radiació solar a Catalunya classificades en taules. Complementàriament, aquest document descriu la metodologia estadística d'avaluació de la radiació incident a Catalunya.
Àbac del recorregut solar a Catalunya
Representació gràfica de l'arc solar a Catalunya (inclinació i orientació cada hora per a tot l'any) amb una taula indicativa de les coordenades solars per a tot l'any. És un recurs útil a l'hora d'avaluar l'ombra incident d'un obstacle concret.
Catàleg de material fotovoltaic
Catàleg de material per al disseny d'instal·lacions fotovoltaiques. Algun material que recull aquest catàleg ja no està disponible en el mercat, però la descripció i les característiques tècniques dels equips són molt adequades per a la resolució dels exercicis i les activitats proposades.
Plec de condicions tècniques de les instal·lacions fotovoltaiques aïllades de la xarxa
Document de referència per tal d'establir els paràmetres bàsics de dimensionament de les instal·lacions fotovoltaiques autònomes.
Plec de condicions tècniques de les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa
Document de referència per tal d'establir els paràmetres bàsics de disseny de les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa.
Codi tècnic de l'edificació CTE, apartat HE 5
Norma de compliment obligat per la qual s'estableix l'obligatorietat d'instal·lar energia fotovoltaica en grans edificis de nova construcció.
Reial decret 1663/2000, de 29 de setembre, sobre la connexió d'instal·lacions fotovoltaiques a la xarxa de baixa tensió
Decret llei pel qual s'estableixen els requisits tècnics de partida de les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa elèctrica.
Exemple del procés de dimensionament d'una instal·lació autònoma
Hi ha diferents mètodes per al càlcul del dimensionament d'instal·lacions solars fotovoltaiques autònomes. En aquest cas desenvoluparem un mètode basat principalment en l'avaluació de la demanda energètica diària. Per a això determinarem la demanda d'un habitatge aïllat.
1. Caracterització dels consums
Per tal d'ordenar la llista d'aparells consumidors amb la potència i el consum corresponents, farem servir una taula de consums que ens permetrà determinar l'energia necessària prevista diària del conjunt d'elements que s'han d'alimentar.
La taula de consums estarà dividida en dues parts corresponents a aparells d'utilització variable i continuada tal com es mostra en la taula 1.
Taula 1. Taula de consums
| Consums variables | |||||
| Aparell | Nombre d'aparells | Potència (W) | Temps (h/dia) | Energia (Wh/dia) | |
| Bombeta baix c. | 4 | 15 | 4 | 240 | |
| Bombeta baix c. | 3 | 11 | 1 | 33 | |
| TV petita | 1 | 75 | 4 | 300 | |
| Ràdio | 1 | 15 | 6 | 90 | |
| Planxa | 1 | 800 | 0,15 | 120 | |
| Ordinador | 1 | 250 | 1 | 250 | |
| Total consums variables | 1.033 | ||||
| Consums continuats | |||||
| Aparell | Nre. d'aparells o serveis | Energia (Wh/dia o servei) | Energia (Wh/dia) | ||
| Ràdio, telèfon | 1 | 150 | 150 | ||
| Rentadora en fred | 0,5 rentades/dia | 200 | 200 | ||
| Nevera baix consum | 1 | 300 | 300 | ||
| Congelador baix consum | 1 | 700 | 700 | ||
| Total consums continuats | 1.350 | ||||
| Total consums previstos diaris | 2.383 | ||||
2. Energia necessària
Al valor de consum diari previst que hem obtingut en la taula 1, hi aplicarem un factor global de rendiment de la instal·lació fotovoltaica que engloba els autoconsums i rendiments particulars dels elements que la integren (regulador, acumulador i convertidor CC/CA), de manera que el resultat, que anomenem energia necessària, és l'energia bruta que cal produir en els mòduls per satisfer amb efectivitat els consums nets previstos. Aquest valor serà sempre superior a l'energia neta que es vol subministrar als consums.
El rendiment global que emprarem en els nostres càlculs és:
- 0,75 per a instal·lacions amb subministrament en CA
- 0,80 per a instal·lacions amb subministrament en CC
Dividint el valor d'energia que es necessita per als consums (taula de consums) pel rendiment global obtenim l'energia necessària que cal subministrar tal com mostra l'expressió següent:
En aquest cas tindrem en compte que el subministrament de corrent es farà a 220 V CA; per tant, apliquem un rendiment global de la instal·lació de 0,75 per tal d'obtenir l'energia necessària que cal produir.
3. Radiació solar disponible
Per calcular la radiació incident utilitzarem els valors indicats en les taules de radiació que ens determinaran l'energia global diària incident per al lloc, la inclinació i l'orientació que hem determinat. En el cas de l'electrificació autònoma fotovoltaica, el càlcul està encaminat a procurar el màxim d'autoabastiment energètic; per tant, a l'hora de calcular escollim les dades del mes de l'any més desfavorable, és a dir, del mes de l'any amb menys radiació solar global diària disponible.
Per contra, en les instal·lacions amb connexió a la xarxa, en què el subministrament elèctric està garantit, s'ha d'escollir la inclinació que optimitzi la producció anual d'electricitat, tret que hi hagi limitants físics en l'edificació.
Com que els fabricants de mòduls fotovoltaics expressen la potència de generació dels seus productes en watts i a més en unes condicions estàndard de radiació de 1.000 W/m2 i temperatura de cèl·lula de 25 ºC, farem un canvi d'unitats per passar dels MJ/m2/dia de les taules de radiació, com en el cas de l'Atles de radiació solar a Catalunya, a hsp dividint el valor indicat en la taula entre 3,6 atesa la relació existent entre aquestes unitats.
1hsp = 3,6 MJ
Aquest valor són les hores que hauria de lluir el sol a una intensitat fixa de 1.000 W/m2 per produir la mateixa energia que arriba en realitat el dia mitjà del mes escollit, en què el sol varia d'intensitat contínuament durant el dia.
En aquest cas considerareu que l'habitatge està situat en la zona propera a la població de Manresa.
A partir de les dades de l'Atles de radiació solar a Catalunya obtenim que la radiació a Manresa amb azimut 0 per a una inclinació d'ús tot l'any amb un grup electrogen de suport (latitud + 10º = 50º) i aplicant els factors de conversió pertinents, obtenim la radiació incident a una inclinació de 50º en hsp.
Falta imagen
I observem que el mes de l'any més desfavorable és el desembre, amb una radiació solar de 3,07 hsp.
4. Nombre de panells necessaris
El nombre de panells fotovoltaics necessaris en una instal·lació és la dada més important que s'ha de calcular en una instal·lació, ja que generalment serveix com a referència a l'hora de calcular altres components del sistema, fins i tot per fer una aproximació al cost final de la instal·lació.
El càlcul dels mòduls necessaris en una instal·lació autònoma quedarà determinat per l'expressió següent:
1. Instal·lacions d'ús diari:
2. Instal·lacions de cap de setmana:
La potència pic del mòdul ens la subministra el fabricant i sol integrar la nomenclatura o referència de model dels fabricants. D'aquesta manera trobem el mòdul I-110, que té una potència pic de 110 W, o l'A-55, de 55 W.
El rendiment de camp (ηcamp) inclou les pèrdues degudes a la brutícia dels mòduls i als efectes negatius que té el fet d'utilitzar mòduls que, per la tolerància del fabricant , no són exactament de la mateixa potència. En instal·lacions autònomes aquest rendiment pren normalment valors de 0,70 a 0,80.
La radiació solar correspon al mes de pitjor relació entre irradiació i consum; generalment, és el mes de desembre quan es tracta d'electrificacions d'habitatges.
En el nostre cas considerarem que disposem de panells fotovoltaics de 120 Wp.
Aplicant l'expressió anterior obtenim:
Entre:
I:
Arrodonint el resultat obtindríem entre 10 i 12 mòduls A-120, que són nombres parells i ens permetran fer associacions de dos mòduls en sèrie cada una i poder, per tant, treballar al doble de voltatge, totalitzant entre 1.200 Wp i 1.440 Wp de potència de captació. Per tant, quedaria justificat com a millor opció instal·lar sis grups de mòduls connectats en paral·lel en què cada grup estaria format per dos mòduls en sèrie.
5. Capacitat de l'acumulador
La bateria és el magatzem d'energia de la instal·lació fotovoltaica. Per tant, la capacitat està determinada pel consum diari i pel nivell d'autonomia que vulguem obtenir, variable que està en funció del tipus d'instal·lació. A continuació es donen alguns criteris per determinar-la:
- Electrificació rural d'us diari (quatre a sis dies): aquest valor es pot reduir a tres si hi ha un grup electrogen de suport amb engegada automàtica.
- Electrificació d'habitatges de cap de setmana (dos a tres dies).
Un cop determinada l'autonomia, podem calcular la capacitat de la bateria amb l'expressió següent:
La profunditat de descàrrega mitjana d'una bateria que tindrem en compte en el càlcul depèn del tipus emprat:
- 0,6 a 0,8: per a acumuladors estacionaris d'alt volum d'electròlit.
- 0,4 a 0,5: per a acumuladors del tipus monobloc.
- 0,2 a 0,3: per acumuladors d'arran (automòbil).
El voltatge de l'acumulador haurà de ser escollit de manera que sigui prou elevat per obtenir uns corrents de càrrega/descàrrega raonables (I < 60 A), i també un acoblament correcte amb el voltatge del grup de mòduls fotovoltaics (12, 24 o 48 V).
En el nostre cas determinarem la capacitat de la bateria per a una autonomia de quatre dies i emprant bateries estacionàries de darrera generació.
El subíndex C100 indica que aquesta capacitat de bateria serà la subministrada en cicles de descàrrega de cent hores de durada, que és el valor més emprat per instal·lacions d'electrificació rural.
6. Selecció del regulador de càrrega
Els reguladors de càrrega es caracteritzen per la intensitat màxima que poden suportar, i també pel voltatge nominal de treball. Podem definir com a valors estàndard d'intensitat de control dels models en el mercat els 8A, 11A, 15A, 30A i 50A. I pel que fa a voltatges, 12V, 24V o 48V.
El model de regulador necessari en cada instal·lació queda determinat per la potència màxima del camp de mòduls, tenint en compte que aquesta intensitat és igual a la suma d'intensitats de tots el mòduls connectats en paral·lel.
Imàx del regulador > 1,10 × intensitat màxima del camp de mòduls
En el nostre cas el regulador de càrrega adient per a la instal·lació és:
Imàx del regulador > 1,10 × intensitat màxima del camp de mòduls
Tenint en compte el muntatge de deu mòduls de 120 W col·locats en sis grups connectats en paral·lel i que cada mòdul té una intensitat màxima de treball de 7,05 A segons les especificacions del fabricant, obtenim:
Imàx del regulador > 1,10 × 6 grups paral·lel de mòduls × 7,05 A/grup = 46,53 A
Per tant, posaríem un regulador de 50 A a 24 V.
7. Dimensionament del convertidor cc/ca
La potència nominal del convertidor adient és la resultant de la suma de totes les potències nominals dels equips consumidors multiplicat per un coeficient de simultaneïtat d'entre 0,5 a 0,75 en funció de la tipologia i quantitat de consums ja que, a la pràctica, mai no funcionen tots els equips de consum alhora.
(suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) × 0,75 < Pconvertidor > (suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) × 0,5
El resultat d'aquesta operació ens determina la potència nominal del convertidor, amb l'excepció que la potència nominal d'algun dels aparells de consum sigui superior a aquest valor i que, per tant, aquest aparell ens determina la potència mínima del convertidor. En aquest sentit cal tenir en compte que alguns electrodomèstics que incorporen motor demanen puntes de potència d'arran superiors a les nominals (fins a quatre vegades més), per exemple, els televisors en color i les neveres.
En el nostre cas escollirem el convertidor cc/ca adient per a la instal·lació a partir de la taula de consums, determinant el valor total de potència instal·lada en els consums:
| Aparell | Nre. | Potència [W] | Potència total [W] |
| Bombeta baix consum | 4 | 15 | 60 |
| Bombeta baix consum | 3 | 11 | 33 |
| TV petit | 1 | 75 | 75 |
| Ràdio | 1 | 15 | 15 |
| Planxa | 1 | 800 | 800 |
| Ordinador | 1 | 250 | 250 |
| Ràdio, telèfon | 1 | 6 | 6 |
| Rentadora en fred | 1 | 400 | 400 |
| Nevera baix consum | 1 | 200 | 200 |
| Congelador baix consum | 1 | 350 | 350 |
| Total potència instal·lada | 2.189 |
Potència del convertidor:
> (suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) × 0,5
< (suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) × 0,75
Potència del convertidor < 2.189 W × 0,75 = 1.642 W
Potència del convertidor > 2.189 W × 0,5 = 1.094 W
Per tant, muntarem un convertidor de 1.000 o de 1.500 W en funció del rang disponible en el catàleg del fabricant escollit.
