Descripción de un sistema conectado a red

Campo solar

El campo solar, generador de la energía que posteriormente será suministrada a la red de distribución eléctrica, debe ser diseñado meticulosamente. Son varios los factores a tener en cuenta a la hora de plantear un sistema de este tipo, a saber: su integración, tensión de trabajo, interconexión, protecciones y estructura soporte.

Integración

Dado que estas instalaciones suelen estar ubicadas en viviendas, generalmente unifamiliares, en las ciudades y urbanizaciones, se debe tener muy en cuenta su integración dentro del conjunto. Generalmente, los módulos se instalan en la cubierta sur del edificio, aprovechando la propia inclinación de ésta, y se sitúan en espacios libres de sombras que puedan producir árboles o edificios colindantes.

Aquí prima la energía máxima anual y no la máxima invernal, como ocurre en los otros casos. El ángulo de inclinación idóneo para una instalación de conexión a red es aquél tal que la producción de todo el año resulta ser la más alta, ya que se trata de suministrar el máximo de energía independientemente de la época del año.

Hoy en día, se trata de fabricar los propios módulos fotovoltaicos preparados para su uso en la construcción, como elementos para panelar cubiertas y fachadas y con una estética diseñada para este tipo de instalaciones. Estos diseños se ven favorecidos por el uso de módulos de capa delgada, que aun siendo de más bajo rendimiento, permiten unas mayores posibilidades estéticas, ya que pueden ser fabricados en distintos colores, incluso traslúcidos, para actuar como elementos de acristalamiento.

También en los módulos cristalinos tradicionales se está experimentando con células coloreadas, y con la tecnología de Silicon Film, APEXTM , con la cual podrían hacerse módulos de una sola célula, con lo que evitaríamos las conexiones entre células en los módulos.
Tensión de trabajo

Estos sistemas suelen ser de un mínimo de 2 kW, ya que la instalación de potencias más pequeñas no resulta rentable, debido fundamentalmente a que el coste de un inversor más pequeño es prácticamente igual que el de otro algo más grande.

También ocurre que la diferencia de precios entre inversores es mínima cuando se trabaja a 24 V o 48 V respecto a tensiones mayores, ya que lo que realmente cuesta caro en los puentes inversores es la intensidad que se debe manejar, y por esta razón, se suele trabajar a altas tensiones en corriente continua.

Tensiones entre 120 V y 350 V son frecuentemente utilizadas en sistemas de conexión a red. Esto hace que se dispongan no menos de 7 módulos, pudiendo llegar hasta 23 ó 24 unidades, cuya conexión eléctrica se realiza en serie, con lo que aumentamos la tensión y disminuimos la intensidad de salida del grupo fotovoltaico, lo que favorece además una menor pérdida en las líneas eléctricas de interconexión.

Interconexión y protecciones:

La tensión del campo fotovoltaico es elevada, por lo que hay que disponer varios módulos en serie conectados en paralelo con otros grupos similares, hasta alcanzar la potencia prevista en el dimensionado.

El hecho de conectar un gran número de módulos en serie, añade un problema a la elección de éstos, como es el de la dispersión de la corriente pico. La elección de las células que componen un módulo y su clasificación para la futura potencia del mismo, es fundamental, ya que si una célula difiere mucho en producción de corriente de sus compañeras, la corriente generada por el conjunto será precisamente la de la más desfavorable. Igualmente pasará si, por ejemplo, conectamos ocho módulos en serie, pues en este caso bastará con que uno de ellos dé 7 A para que, aunque el resto sea capaz de proporcionar 7.5 A, el resultado final sea de 7 A a la tensión correspondiente de los ocho en serie.

En resumen, el módulo que menos corriente produzca a una determinada radiación en una conexión en serie, es el que marcará la corriente final del grupo de módulos.

La desviación máxima de los módulos que integran una conexión serie será como máximo de un ±2% de dispersión de su corriente pico, asegurando de esta forma una mínima pérdida por conexiones eléctricas en serie.

conexiones eléctricas en serie

Respecto a las protecciones, debemos tener en consideración las elevadas tensiones de trabajo en este tipo de instalaciones, que en algunos casos pueden llegar hasta 500 V en corriente continua. Es aconsejable que el campo fotovoltaico se proteja eléctricamente con interruptores que permitan el cortocircuito y el circuito abierto, para facilitar las conexiones y manipulaciones posteriores, así como elementos varistores o descargadores de sobretensiones que eviten la inducción de picos que puedan afectar a la electrónica interna del inversor.

También es recomendable, si el número de módulos es elevado, distribuir por grupos la acometida de líneas, y facilitar la desconexión eléctrica de alguno de los grupos para su revisión futura, no descartando además la posibilidad de disponer de armarios separados para el polo positivo y el negativo, evitando el contacto humano accidental con tensiones elevadas.

Estructuras soporte

Algunos aspectos comunes pueden ser: cálculo de acuerdo con el estudio de los vientos dominantes, peso del conjunto en caso de ser integrado en una cubierta, facilidad de reposición por avería de algún módulo, cuidado especial en los anclajes respecto a la posible filtración de agua en el caso de tejados, aislamiento del conjunto metálico y/o puesta a tierra de la masa metálica, etc.
Inversor cc/ca

El inversor cc/ca tiene la misión de transformar la corriente continua del grupo fotovoltaico en corriente alterna perfectamente sincronizada con la red eléctrica convencional en frecuencia y fase. Este hecho hace que la primera condición para su diseño sea el seguimiento absoluto de los parámetros que varían constantemente en una red de distribución, así como su acoplamiento en la salida al tipo de red existente, ya sea trifásica, monofásica o bien de alta o baja tensión.

En general, para las etapas de potencia de los grandes inversores puede utilizarse la tecnología IGBT, quedando para los más pequeños (5 ó 6 kW) los transistores de última generación que pueden manejar elevadas corrientes. El diseño del “corazón” del inversor (circuitos de control) queda encomendado al uso exclusivo de microprocesadores, los cuales proporcionan un abanico de posibilidades infinito.

Las partes fundamentales que componen un inversor son:

Control principal

Incluye todos los elementos de control general, así como la propia generación de onda, que se suele basar en un sistema de modulación por anchura de pulsos (PWM). También se incluye una gran parte del sistema de protecciones, así como funciones adicionales relacionadas con la construcción de la forma de onda.

Etapa de potencia:

Esta etapa, según los módulos disponibles, puede ser única, de la potencia del inversor, o modular, en cuyo caso se utilizan varias hasta obtener la potencia deseada, lo cual hace decrecer la fiabilidad, pero asegura el funcionamiento, aunque sea limitado, en caso de fallo de alguna de las etapas en paralelo.

Las últimas tecnologías apuestan por el trabajo en alta frecuencia de los puentes semiconductores, consiguiendo mucho mejor rendimiento, así como tamaños y pesos sensiblemente menores.

No obstante, el empleo de la tecnología clásica en baja frecuencia sigue imperando en parte del mercado por sus buenos resultados, fiabilidad y bajo coste, siendo quizá su único inconveniente el mayor tamaño que presenta, aunque, sus medidas para uso en sistemas domésticos de 1 a 5 kW no suponen gran dificultad a la hora de su instalación en cualquier lugar de la vivienda fotovoltaica conectada a red.

Toda etapa de potencia debe incorporar su correspondiente filtro de salida, cuya misión es el filtrado de la onda por un dispositivo LC, así como evitar el rizado en la tensión recibida de los módulos fotovoltaicos.

Control de red

Es la interfase entre la red y el control principal para el correcto funcionamiento del conjunto. Este circuito sincroniza perfectamente la forma de onda generada hasta este momento por el inversor (control principal + etapa de potencia) a la de la red eléctrica, ajustando la tensión, el sincronismo, el control de fase, etc.

Seguidor del punto de máxima potencia

Su misión consiste en acoplar la entrada del inversor a generadores de potencia instantánea variables, como son los módulos fotovoltaicos, obteniendo de esta forma la mayor cantidad de energía disponib le en cada momento del campo solar. Es decir, se encarga constantemente de mantener el punto de trabajo de los módulos fotovoltaicos en los valores de mayor potencia posible, dependiendo de la radiación existente en cada momento.

Protecciones

Los inversores de conexión a red disponen de unas protecciones adecuadas al trabajo que deben de realizar. Aparte de la normativa genérica de protección contra daños a las personas y compatibilidad electromagnética, que deben de llevar todos los dispositivos eléctricos fabricados y/o comercializados en Europa según normativa de marcado CE, estos equipos suelen incorporar como mínimo las siguientes protecciones:

– Tensión de red fuera de márgenes
– Frecuencia de red fuera de márgenes
– Temperatura de trabajo elevada
– Tensión baja del generador fotovoltaico
– Intensidad del generador fotovoltaico insuficiente
– Fallo de la red eléctrica
– Transformador de aislamiento (obligatorio)

Monitorización de datos:

Los inversores más avanzados utilizan microprocesadores para su funcionamiento que facilitan una cantidad de datos importante, no sólo de los parámetros clásicos (tensión e intensidad de entrada y salida, kWh producidos y suministrados, frecuencia, etc.), sino de otros fundamentales en este caso, como pueden ser temperaturas internas de trabajo de los puentes inversores, radiación solar directa y global, temperatura ambiente, etc.

Conexión con la red eléctrica

La normativa de conexión fotovoltaica con la red eléctrica cambia según países. No obstante, y de forma genérica, se deben instalar como mínimo un contador que mida la energía producida y que sirva de base para la facturación posterior, así como los elementos de protección básicos inherentes a una generación eléctrica.

Analicemos, la disposición de dichos elementos según el R.D. 1663/2000, de 29 de septiembre, sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión.

En pequeñas instalaciones donde la conexión a la red se realiza en baja tensión, tanto en monofásica como en trifásica, el esquema sería como el de la figura 10 para el caso de monofásica

Sistema de bloques de una conexión

Se observan tres bloques básicos:

1. El campo fotovoltaico, con una caja de conexión donde se reciben las líneas de los módulos y que es conveniente disponga de bornas seccionables o preparadas para cortocircuitar y evitar problemas a la hora de manipulacio nes, además de servir para la detección de algún módulo averiado eléctricamente.

2. Inversor, con su bornero de entradas (+ y – del campo solar) y salidas (corriente alterna), así como la correspondiente toma de tierra, de uso imprescindible para estas instalaciones.

La toma de tierra debe de ser única y general para la instalación y a ella irán a parar las tomas de tierra de todos los equipos domésticos y fotovoltaicos.

3. Armario general de protección y medida, que deberá contener en serie y por este orden: un interruptor magnetotérmico, un interruptor diferencial, un contador de la energía producida por la instalación solar y otro que medirá el consumo del sistema fotovoltaico.

Independiente de estos dos contadores se encuentra el utilizado para la medida del consumo eléctrico del usuario que se dispusiera antes de la conexión a red de los módulos solares fotovoltaicos, y que suele también encontrarse alojado en este armario.

Todos estos elementos de medida y control se cierran con un fusible seccionador de protección, el cual une el circuito de consumo eléctrico convencional en paralelo con el circuito de generación, con la red de distribución de la Compañía.

Habitualmente las conexiones a red trifásicas, si son de pequeña potencia, suelen instalarse poniendo tres inversores monofásicos conectados uno a uno a cada fase.

Esto supondría que el circuito eléctrico estaría formado por tres campos solares con sus tres inversores.

Para sistemas más potentes se debería poner un inversor trifásico monolítico (fundamentalmente por razones de tamaño, conexión y complejidad de la instalación), y donde además actuarán conjuntamente sus protecciones.

En el esquema de la figura 11 se puede observar el circuito eléctrico para un caso de conexión a red, mediante tres inversores monofásicos.

Tres inversores monofásicos

Fuente: Guía técnica de aplicación para instalaciones de energías renovables del Gobierno de Canarias

Publicado en Instalaciones fotovoltaicas

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