¿Qué es la fotovoltaica aislada?

Una instalación solar fotovoltaica aislada es un sistema de generación de corriente sin conexión a la red eléctrica que proporciona al propietario energía procedente de la luz del sol. Normalmente requiere el almacenamiento de la energía fotovoltaica generada en acumuladores solares -o baterías- y permite utilizarla durante las 24 horas del día. Este tipo de sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica son perfectos para zonas donde dicha red no está disponible debido a los elevados precios de construir sus infraestructuras de tendidos. Normalmente esto ocurre más comúnmente en zonas rurales apartadas. Los hogares, granjas o explotaciones animales que no tienen conexión a la red eléctrica pueden disponer de energía solar fotovoltaica para tener electricidad. Este tipo de instalación es ideal para hogares unifamiliares que se encuentran aislados en zonas rurales, ya sea de uso habitual o esporádico, para instalaciones agrícolas que necesitan usar maquinaria y aparatos eléctricos, como bombas de agua, y lugares donde es necesario el uso de energía eléctrica en zonas apartadas y no urbanizadas, como pueden ser antenas de comunicación.

Elementos de una instalación fotovoltaica aislada

En una instalación fotovoltaica aislada en corriente alterna se usa un inversor solar convencional para inyectar energía a la red eléctrica. Este tipo de instalación normalmente se forma de paneles solares, regulador de carga, baterías solares, inversor solar, etcétera. Es recomendable además monitorizar la instalación para controlar el estado de la misma y que su funcionamiento es el correcto.

Paneles fotovoltaicos

Son las responsables de la producción eléctrica. Existen diversos tipos de módulos fotovoltaicos, siendo los monocristalinos y policristalinos los más populares. Convierten la irradiación solar en energía, estando esta en corriente continua con una tensión irregular. Cuanto mayor sea la irradiación y la eficiencia del panel, mayor será la cantidad de energía producida.

Estructura de soporte de paneles fotovoltaicos

La estructura para paneles solares es sobre la que irán colocadas los módulos fotovoltaicos y que permite darles la inclinación adecuada para optimizar su rendimiento y que reciban la mayor irradiación solar posible.

Baterías solares

Elemento de almacenaje de energía generada por los paneles solares. Este aparato es imprescindible para sistemas fotovoltaicos aislados puesto que estas instalaciones, al no tener acceso a la red convencional, se quedan sin electricidad cuando no hay irradiación solar. La energía se almacena durante las horas de luz para usarse cuando esta no está disponible.

Regulador de carga

Los reguladores de carga se encargan de controlar y regular la carga de las baterías solares, evitan que se creen descargas no deseadas y sobredescargas. Estabiliza la tensión de la energía producida por los paneles solares a un nivel preconfigurado por la instalación de acumuladores (12, 24 ó 48 voltios).

Inversor fotovoltaico de aislada

Son los encargados de transformar la corriente continua en alterna para su uso. Es necesario instalar un regulador de carga para que la carga de las baterías fotovoltaicas sea posible.

Inversor cargador

Se trata de una fusión en un solo aparato del regulador de carga y el inversor fotovoltaico, ahorrando espacio y costes.

Factores necesarios para una instalación aislada

El correcto funcionamiento de un sistema solar aislado depende de un buen diseño del mismo. Es por ello que será necesario conocer las necesidades de consumo, la potencia instantánea necesaria y el tiempo de uso de la instalación. La instalación de una instalación solar aislada ha de ser correctamente planificada y dimensionada, teniendo en cuenta los siguientes factores.

Establecer una previsión de consumo diario de la instalación fotovoltaica aislada

La previsión de las necesidades energéticas que se van a consumir diariamente es uno de los factores más importantes, hay que ajustar dichas necesidades al consumo real que se va a realizar. El cálculo exhaustivo de dichos consumos es la pieza clave sobre la que gira todo el diseño del sistema fotovoltaico aislado. Puedes consultar nuestro blog técnico para conocer cómo calcular el consumo energético para una instalación fotovoltaica.

Período de uso

A la hora de dimensionar la producción fotovoltaica dependiendo de la irradiación disponible es necesario conocer los períodos de uso, puesto que no será la misma cantidad de luz solar la que encontremos en julio que en diciembre. Para sistemas que se van a usar durante todo el año es necesario usar los datos el peor mes en cuanto a irradiación, normalmente diciembre. Hipotéticamente, si en el peor mes se cubren las necesidades energéticas, se debería poder cubrir en el resto de meses del año.

La potencia de conexión necesaria

La potencia de conexión eléctrica es la cantidad de electricidad que puede llegar en un determinado espacio de tiempo. Se podría calcular sumando el total de la energía que se puede usar en un momento. Deberemos tener en cuenta la potencia de conexión que se va a necesitar para el consumo a la hora de calcular la instalación y de la potencia de los aparatos que vayamos a usar. No es el mismo tipo de inversor, por ejemplo, que se usará en una vivienda pequeña que para una granja avícola, puesto que la segunda necesitará una potencia de conexión mucho más elevada.

El tipo de consumo

Dependiendo del tipo de consumo que se vaya a realizar la instalación tendrá que planearse de diferente forma. Se trata de diferente manera y la instalación ha de ser diseñada de manera específica para un consumo de corriente continua o de corriente alterna. De la misma manera, el diseño será diferente si se trata de una instalación monofásica o trifásica. Estos factores son importantes también a la hora de adquirir los materiales necesarios para la instalación, puesto que hay algunos de ellos que son específicos para según que tipo de instalación. Así por ejemplo, podemos encontrar inversores monofásicos, inversores trifásicos, inversores híbridos, etcétera.

La localización y el clima

Otro de los factores importantes a la hora de dimensionar la instalación solar será la localización de la misma y el clima asociado a dicha localización. Si bien se puede haber calculado las horas de luz que habrá en el lugar de la instalación, hay que contar también con las posibles sombras de los elementos que se encuentren en dicha localización, bien sea naturales como árboles o incluso montañas, o artificiales como otros edificios. Estos elementos pueden bloquear la luz y por tanto reducir la cantidad de irradiación que recibirán los paneles y han de ser tenidos en cuenta a la hora de dimensionar la instalación. De la misma manera, el clima es un factor determinante. Si bien, en una instalación que va a ser usada durante todo el año, calculamos en base al peor mes del año, y sabemos las horas de luz que disponemos de media en dicho mes. Hay que tener en cuenta que esas horas se pueden reducir debido a las inclemencias meteorológicas. Si nos encontramos en un área con tendencia a las lluvias y a estar nublado, la cantidad de irradiación que recibirán los módulos fotovoltaicos será menor, y habrá que tenerlo en cuenta a la hora de dimensionar la instalación.

Aplicaciones de fotovoltaica aislada

La fotovoltaica aislada está pensada principalmente para lugares donde no hay un acceso a la red eléctrica tradicional y se depende exclusivamente de la energía que se genere a través de otros sistemas como los equipos electrógenos o las energías renovables como la fotovoltaica. Podemos encontrar viviendas unifamiliares en zonas rurales de uso constante o esporádico, aplicaciones agrícolas y de ganado, bombeo de riego solar, sistemas de depuración de aguas, señalización y alumbrado público, antenas de comunicación, etcétera.
  • Podríamos dividir estas aplicaciones en cinco grandes grupos:
  • Viviendas aisladas: de uso temporal o de uso permanente.
  • Electrificación agrícola y ganadera: bombeo de agua, electrificación de naves, controles de riego, invernaderos, sistemas de ordeño, cámaras de refrigeración, electrificación de cercas, etc.
  • Señalización e iluminación: alumbrado, señales de advertencia, semáforos, carteles publicitarios, paradas de autobuses, iluminación de túneles y cuevas, etc.
  • Aplicaciones industriales: torres de telecomunicaciones, antenas, sistemas de vigilancia en las refinerías de petróleo y gas, etc.

Tipos de instalaciones fotovoltaicas aisladas

Existen dos tipos de instalaciones fotovoltaicas aisladas con baterías solares. Según las necesidades de cada usuario elegirá entre instalaciones DC-Coupling o AC-Coupling.

Instalaciones fotovoltaicas aisladas DC-Coupling

Los sistemas solares aislados más comunes se componen de una serie de módulos fotovoltaicos encargados de generar la energía en corriente continua para que sea almacenada en los acumuladores bajo el control del regulador de carga, que se asegura que el estado de las baterías sea el correcto. La energía almacenada se usa a través de un inversor, que convierte la energía a corriente alterna, según la vamos necesitando. Existen casos donde la energía consumida es en continua, en esos sistemas no es necesario el uso de inversor que convierta dicha energía, y se lleva directamente desde la salida del regulador.

Instalaciones fotovoltaicas aisladas AC-Coupling

Este tipo de instalaciones está pensado principalmente para sistemas de gran tamaño, siempre y cuando los consumos se realicen en corriente alterna. La energía producida por los módulos fotovoltaicos es transformada a corriente alterna mediante un inversor derivando parte de esta energía directamente al consumo y la restante se usa para la carga de las baterías. Gracias a la conversión inmediata a corriente alterna, en este tipo de instalación el rendimiento es mayor así como su eficiencia energética. Además, el desgaste de las baterías solares es menor, puesto que mucha de la energía generada va directa al consumo.
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El sobredimensionamiento apropieado del módulo FV puede aumentar en la producción de energía

¿Qué es el sobredimensionamiento CC/CA del módulo FV/inversor?

En un diseño normal de un sistema fotovoltaico, la capacidad de los módulos fotovoltaicos (potencia total de CC) excede la capacidad del inversor (potencia de CA); esto se denomina sobredimensionamiento CC/CA. El método del sobredimensionamiento es cada vez más común. De hecho, diseñar un sobredimensionamiento razonable puede optimizar el uso de los inversores, reducir el coste de los equipos del lado CA y maximizar las ventajas a nivel general.

¿Por qué es necesario el sobredimensionamiento CC/CA?

La potencia en condiciones estándar de prueba (STC) del módulo FV es la potencia máxima de salida en condiciones de prueba de laboratorio (intensidad de radiación solar de 1.000 W/m2 , a una temperatura de 25 ºC, y con un espectro de AM1,5). Sin embargo, el medio ambiente real es complejo y variable y la potencia de salida de los módulos siempre se ve afectada. Debido a varios factores (que se detallarán más adelante), se producirán algunas pérdidas de manera inevitable, por lo que la potencia de salida del módulo siempre termina siendo menor que su potencia nominal STC. Los factores que probablemente afecten la potencia de salida de los módulos son los siguientes:

El recurso solar

La luz solar es la base de producción de la energía fotovoltaica. Las condiciones de radiación solar varían considerablemente en función de la región. La potencia nominal de salida STC del módulo se alcanza únicamente en condiciones específicas de intensidad de irradiancia de 1.000 W/m2 , a una temperatura de 25 ºC y con un espectro de AM1,5. Cuando la irradiancia es inferior a 1.000 W/m2, la potencia de salida del módulo FV es menor que su potencia nominal STC(Figura 1). Incluso en zonas con recursos de energía solar abundantes, no siempre se dan las condiciones lumínicas suficientes a lo largo del día, y la irradiancia varía considerablemente entre la mañana y la noche (Figura 2). Asimismo, cuando aumenta la temperatura del módulo, disminuye la caída de voltaje del mismo, pero el cambio de corriente es mínimo; por lo tanto, la potencia del módulo disminuye cuando sube la temperatura (Figura 3 - Figura 4).

Atenuación del módulo FV

Según los análisis de atenuación en el exterior realizados mediante el software NREL SAM para más de 2.000 módulos FV en todo el mundo, la tasa de atenuación del módulo al cabo del segundo año varía de forma lineal. La tasa de atenuación a los 25 años oscila entre 8% y 14% (Figura 5). En realidad, la capacidad de producción de energía de los módulos disminuye cada año a medida que estos se degradan, y no es posible mantener la potencia nominal de salida.

El azimut del módulo FV

La irradiancia recibida por distintos ángulos de azimut puede alterar su producción. Cuando el azimut es 0º con orientación sur (mirando al ecuador, la mejor orientación), la irradiancia recibida por la superficie del módulo fotovoltaico es óptima. A medida que aumenta el azimut (en grados), la potencia real de salida de los módulos también disminuye de forma significativa (Figura 6).

Otros factores

El suelo, los restos de sales (p.ej. de océanos), los cuerpos extraños y las sombras sobre la superficie de los módulos fotovoltaicos provocan un desajuste interno en los módulos. Además de la degradación de los módulos FV, puede suceder que los cables de CC y los conectores se desgasten, y que el consumo energético del inversor disminuya, lo cual reduce la potencia de salida de los módulos. A partir del análisis de los factores de influencia mencionados, según el diseño tradicional de ratio de capacidad 1:1, la producción máxima de energía del sistema fotovoltaico es inferior a su capacidad instalada, y un ratio determinado de sobreconfiguración de los componentes puede llegar a compensar la pérdida de capacidad del inversor y mejorar la tasa de utilización del conversor. La Figura 7 ilustra el factor de capacidad del inversor y cómo aumenta con un ratio CC/CA más elevado. La tasa de utilización del inversor se denomina factor de capacidad, y se define como el ratio entre la producción de energía real y la producción máxima de energía (cuando el inversor ha estado funcionando a máxima potencia, su factor de capacidad es 1,0).

Simulación de producción de energía con sobredimensionamiento del módulo FV

Para probar de forma intuitiva que el sobredimensionamiento de los módulos puede aumentar la producción de energía, hemos elegido la región de Hermosillo, México (29.09°, -110.98°), y hemos utilizado el software NREL SAM para simular la limitación de potencia y la producción total de energía durante el primer año con distintos ratios CC/CA. Configuración del modelo: Selección de módulo. Modelo de módulo de eficiencia (Coeficiente de temperatura: -0,4 %/°C Pmp). Los datos meteorológicos pertenecen a la recopilación TMY3; pérdida del sistema: la pérdida Ltotal es de 1,5 % (asumida); este modelo usa el QS1 de APsystems; este modelo es apropiado para cualquier región. En la Figura 8 se observan los resultados de simulación de distintos ratios CC/ CA en la zona de Hermosillo, México. La figura muestra que a medida que se incrementa el ratio CC/CA, la producción de energía del sistema aumenta de forma continua, y la mayor producción de energía siempre supera la pérdida de energía por limitación de potencia. La figura es una simulación en condiciones de inclinación óptima del módulo y con una orientación sur auténtica, y no contempla la atenuación del módulo. De hecho, la tasa de pérdida por limitación de potencia es menor.

Resumen

El objetivo principal de este artículo es demostrar el valor del sobredimensionamiento del módulo. Al analizar la relación entre los siguientes factores, se desprende que la potencia real de salida de los módulos es inferior a su potencia nominal. Para mejorar la tasa de utilización del inversor, el uso del sobredimensionamiento se considera la práctica idónea. Con la simulación de ejemplo realizada con el software NREL SAM, los datos obtenidos demuestran que el aumento del ratio CC/CA se traduce en una mayor producción de energía. Si bien puede producirse una pérdida por limitación de potencia, la mayor producción de energía del sistema supera dicha pérdida por limitación de potencia. El ratio CC/CA óptimo requiere un análisis global de los beneficios de la producción de energía del sistema, los costes de construcción del sistema, los costes de funcionamiento y mantenimiento, y la transformación de los activos (incluyendo la atenuación del módulo, etc.) para poder encontrar un equilibrio entre los costes de producción más elevados y los ingresos de la producción de energía del sistema. Un ratio CC/CA razonable puede aumentar los ingresos del sistema, reducir el coste del sistema por kilovatio/hora y maximizar los ingresos globales. Texto extraído del whitepapper de APSystems. Puedes consultar el original aquí.
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