Replanteo y funcionamiento de instalaciones solares fotovoltáicas. ENAE0108

3.10. Cálculo de sombreamientos externo y entre captadores

El estudio del sombreamiento que pueda afectar a los captadores también es fundamental en el diseño y dimensionado de cualquier instalación fotovoltaica, ya que este va a influir totalmente en el rendimiento de la misma.

Sombras entre captadores

Los captadores solares suelen disponerse formando un conjunto de varias filas, donde cada fila posee un determinado número de captadores.

Aunque, por razones de espacio y economía, es conveniente hacer que el conjunto de captadores sea lo más compacto posible, es necesario tener en cuenta que, al estar los captadores solares inclinados, hay que dejar un espacio libre entre fila y fila para evitar que los captadores no proyecten sombras entre ellos.

La siguiente imagen muestra dos captadores separados, y la expresión que permite el cálculo del espacio óptimo entre fila y fila.

A veces, no existe suficiente espacio para albergar todos los captadores sin que se produzcan sombras, por lo que se suele utilizar el recurso de ir aumentando la altura de los captadores conforme se disponen hacia atrás en el número de fila (como se aprecia en la siguiente imagen).

Sombras externas

Una vez dispuesto el panel de captadores, puede ocurrir que se proyecte sobre él, en algún momento del día o época del año, la sombra de algún edificio o montaña próxima, que hará que la captación de la energía solar no sea eficiente. Por esta razón, es necesario tener en cuenta si existen terrenos sin edificar en las proximidades y cuál es la normativa urbanística antes de construir un panel (por la posibilidad de que se construya un edificio adyacente que impida o minimice la captación de luz del panel fotovoltaico a instalar).

La posición del sol sobre el horizonte se puede obtener a partir de dos coordenadas: el azimut y la altura. El azimut (z) es el valor que corresponde a la orientación Sur, y es positivo tanto hacia el Este como hacia el Oeste. El valor máximo, que corresponde al Norte, es de 180º. La altura (h) es el ángulo formado por la posición del sol y el horizonte.

Los valores de azimut y altura suelen darse en tablas, aunque se pueden calcular a partir de las siguientes expresiones:

Para verificar si un edificio próximo proyecta o no una sombra sobre un campo de colectores determinado, se debe verificar si la sombra alcanza a estos.

La longitud (ls) y dirección (Z_s) de la sombra se calculan con las expresiones:

H = altura del cuerpo opaco sobre el nivel de la base de los colectores

h = ángulo de las altura solar

Los valores de ls y Z_s se deben calcular de hora en hora y de mes en mes, para comprobar si la sombra afecta o no al campo de captadores. También se pueden evaluar los efectos de una posible construcción de un edificio de, según el plan urbanístico, mayor altura posible, como muestra la siguiente imagen.

3.11. Efecto invernadero

Una de las aplicaciones más extendidas en el ámbito de la energía solar (térmica, no fotovoltaica) es la generación de agua caliente (ACS) y calefacción. Se utilizan, para ello, captadores solares térmicos constituidos por tres elementos básicos: vidrio, absorbedor y aislamiento térmico.

Cuando el absorbedor se calienta, emite radiaciones de longitud de onda larga, la cual no puede salir fuera debido a que la cubierta transparente es opaca frente a esta radiación, siendo mínima la pérdida de energía por radiación. Gracias a este efecto invernadero generado por el vidrio, la radiación solar es atrapada en el interior del captador y absorbida en forma de calor por una superficie metálica “negra” del absorbedor.

También disminuyen las pérdidas de calor por convección, debido a que la cubierta transparente evita el contacto directo del absorbedor con el aire ambiente.

4. Datos de radiación solar

El aprovechamiento de la radiación solar como fuente de energía requiere el conocimiento de los datos relacionados con la cantidad y distribución de la energía solar que incide en un lugar determinado, y su variación en determinados ciclos diarios y anuales.

El conocimiento de estos datos contribuye a que se controle la disponibilidad de los recursos renovables y facilita la identificación de regiones estratégicas, donde es más adecuada la utilización de la energía solar para la solución de necesidades energéticas de la población.

4.1. Atlas solares

Los atlas de radiación solar proporcionan información que cuantifica la energía solar que incide sobre la superficie de una zona (puede ser un país).

Para el caso de las zonas apartadas de las redes nacionales de transporte y distribución de energía, por ejemplo, esta información es necesaria para la construcción de sistemas o aplicaciones tecnológicas que, a partir de la energía solar, permiten el abastecimiento de energía eléctrica, con el fin de satisfacer diversos requerimientos (iluminación, comunicaciones, bombeo de agua, señalización o sistemas solares térmicos para el suministro de calor y calentamiento de agua o aire en secadores de productos agrícolas).

Igualmente, los mapas son importantes para el diseño de edificaciones confortables y energéticamente eficientes.

Nota

En la siguiente dirección, perteneciente a la Agencia Estatal de Meteorología, se pueden consultar multitud de datos relacionados con el mapa de radiación solar de España: <http://www.aemet.es>.

4.2. Datos de estaciones meteorológicas

Las estaciones meteorológicas son los lugares donde se realizan mediciones y observaciones puntuales, utilizando los instrumentos adecuados de los distintos parámetros meteorológicos, para así poder establecer el comportamiento atmosférico.

A continuación, se detalla una clasificación de los tipos de estaciones meteorológicas:

1 Estaciones pluviométricas: son las estaciones meteorológicas donde un pluviómetro o recipiente cuantifica la cantidad de lluvia caída entre dos mediciones consecutivas.

2 Estaciones pluviográficas: son estaciones meteorológicas que pueden realizar de forma continua y mecánica un registro de las precipitaciones, por lo que cuantifican la cantidad, intensidad, duración y periodo en que ha ocurrido la lluvia.

3 Estaciones climatológicas principales: son aquellas estaciones meteorológicas que están cualificadas para realizar observaciones del tiempo atmosférico, precipitaciones, temperatura del aire, humedad, viento, radiación solar, evaporación y otros fenómenos especiales. Normalmente, se realizan aproximadamente tres mediciones al día.

4 Estaciones climatológicas ordinarias: estas estaciones meteorológicas deben ser capaces de medir las precipitaciones y la temperatura de manera instantánea.

5 Estaciones sinópticas principales: estas estaciones realizan observaciones de los principales elementos meteorológicos en horas de convenio internacional. Los datos corresponden a nubosidad, dirección y velocidad de los vientos, presión atmosférica, temperatura del aire, tipo y altura de las nubes, visibilidad, fenómenos especiales, características de la humedad, precitaciones, temperaturas extremas, capas significativas de las nubes, recorrido del viento y secuencia de los fenómenos atmosféricos. Esta información es codificada e intercambiada a través de los centros mundiales, con el fin de generar pronósticos para el servicio de la aviación.

6 Estaciones sinópticas suplementarias: al igual que en las estaciones meteorológicas anteriores, las observaciones se realizan a horas convenidas internacionalmente y los datos suelen corresponder a la visibilidad, fenómenos especiales, tiempo atmosférico, nubosidad, estado del suelo, precipitaciones, temperatura y humedad del aire, y viento.

7 Estaciones agrometeorológicas: en estas estaciones se realizan mediciones y observaciones meteorológicas y biológicas que ayudan a la determinación de las relaciones entre el tiempo y el clima, por una parte, y la vida de las plantas y los animales, por otra. Incluyen el mismo programa de observaciones que las estaciones climatológicas principales, además de registros de temperatura a varias profundidades (hasta un metro), y en la capa cercana al suelo (0,10 y 20 cm sobre el suelo).

4.3. Bases de datos de estaciones meteorológicas

Los estudios climáticos requieren información que comprenda un largo periodo de tiempo, que varía para cada elemento meteorológico (la Organización Meteorológica Mundial recomienda treinta años). Es por esto que, a la hora de realizar estudios del clima de épocas pasadas, surge el inconveniente de no poder medir directamente los datos pasados. Ante estas situaciones, es necesario recurrir a los datos indirectos. Esta información se recoge en una gran variedad de fuentes, entre las que se pueden destacar las bases de datos.

Los datos obtenidos por estaciones meteorológicas interconectadas entre sí (en red), tras un proceso de depuración y validación, son incorporados a una base de datos, posteriormente utilizados en estudios científicos y puestos a disposición del público.

5. Tipos y usos de las instalaciones fotovoltaicas

La mayoría de las instalaciones fotovoltaicas fueron concebidas como sistemas de generación eléctrica para zonas donde no llegaba la corriente eléctrica convencional o era muy cara su instalación. Estas estaciones se conocen como “estaciones aisladas de red”.

Sin embargo, las denominadas “instalaciones conectadas a la red de distribución” han desarrollado una importante evolución, debida fundamentalmente al abaratamiento de los componentes que constituyen las instalaciones fotovoltaicas y al aumento de la fiabilidad de estos sistemas.

Recuerde

La luz del sol se puede convertir directamente en electricidad, usando el efecto fotoeléctrico y mediante las denominadas células fotovoltaicas.

5.1. Funcionamiento y configuración de una instalación solar fotovoltaica aislada

Estos sistemas carecen de conexión a la red eléctrica convencional, siendo su instalación más común en instalaciones domésticas de alumbrado, bombeo y telecomunicaciones. Dentro de estos sistemas, se pueden identificar dos bloques fundamentales: acumulación y conexión directa.

Sistemas de acumulación

Los sistemas de acumulación son los que están conectados a baterías que permiten el suministro eléctrico en periodos de escaso aprovechamiento de la radiación solar.

Dependiendo del consumo al que estén conectados, se pueden clasificar en:

1 Corriente alterna (CA).

2 Corriente continua (CC).

3 CC/CA.

Sistemas directos

Estos sistemas no disponen de baterías, por lo que solo se obtendrá energía eléctrica en los periodos en los que se disponga de radiación solar. Estos sistemas son utilizados en aplicaciones donde no es importante la interrupción o variación del suministro eléctrico.

Aplicaciones

Existen multitud de aplicaciones para las que se pueden hacer uso de sistemas e instalaciones fotovoltaicas aisladas. A continuación, se explican los más habituales.

Electrificación de viviendas

Es la utilización más habitual, sobre todo en viviendas alejadas de la red eléctrica convencional. Antes de diseñar una instalación fotovoltaica, es muy importante conocer las necesidades de consumo para las que esté destinada dicha instalación, y así evitar posibles errores de dimensionamiento.

Definición

Inversor

Los paneles solares fotovoltaicos producen CC a partir de radiación solar. En las instalaciones de viviendas existen muchos elementos que funcionan con CA, por lo que se hace necesaria la utilización de un componente que convierta la CC en CA para alimentar estos dispositivos. Este elemento se denomina inversor.

Regulador

El regulador de una instalación fotovoltaica es el dispositivo que controla la carga de la batería (evitar que a plena capacidad siga recibiendo corriente), y descarga de la misma (evitar que, una vez agotada, siga suministrando electricidad).

Instalaciones domésticas centralizadas y descentralizadas

En las instalaciones domésticas descentralizadas, cada vivienda está alimentada por un generador; mientras que en las centralizadas, un único generador fotovoltaico suministra electricidad a un grupo de viviendas. Las imágenes siguientes muestran un esquema de una instalación centralizada (abajo) y descentralizada (página siguiente).

Sistemas de bombeo

La alimentación de sistemas de bombeo es otra aplicación muy común de las instalaciones fotovoltaicas aisladas de red. El consumo se puede solicitar en bombas de CC o CA y, según la aplicación, se pueden usar baterías.

Nota

Los paneles solares generan electricidad en forma de corriente continua. Para transformar esta en alterna se utilizan los inversores.

Aplicación práctica

En la siguiente imagen se puede ver el esquema de una instalación fotovoltaica aislada que alimenta a una bomba o motor (5). Comente los elementos que aparecen.

SOLUCIÓN

El motor funciona con CA, ya que se encuentra conectado a un inversor (3). Se trata de un sistema de acumulación, ya que un regulador (2) está conectado entre el panel (1) y la batería (4).

5.2. Funcionamiento y configuración de una instalación fotovoltaica conectada a red

Son instalaciones donde la totalidad de energía generada por el campo fotovoltaico se suministra a la red general de distribución.

Estas instalaciones no poseen baterías ni reguladores, aunque sí inversores. Estos inversores deben tener las siguientes características:

1 Disponer de un sistema de medida para la energía consumida y suministrada.

2 Ser capaz de interrumpir o reanudar el suministro, dependiendo del estado de los captadores solares.

3 Adaptación, de la CA producida, a la fase de la red.

5.3. Almacenamiento y acumulación

Las necesidades energéticas no siempre coinciden en el tiempo con la captación de energía solar, por lo que se hace necesario disponer de un sistema de almacenamiento eléctrico que haga frente a la demanda, cuando exista poca o nula radiación solar, así como a la producción solar, en momentos de consumo mínimo. Los elementos encargados del almacenamiento de electricidad en el ámbito fotovoltaico, son las baterías o acumuladores.

Definición

Pilas y acumuladores

Son elementos capaces de convertir la energía producida en una reacción química (interna) en corriente eléctrica. Ambos funcionan de forma similar, con la diferencia de que los acumuladores se pueden recargar simplemente aplicando una diferencia de potencial entre sus electrodos.

Hay que destacar que la fiabilidad general de la instalación solar dependerá, en gran medida, del sistema de acumulación, por lo que es un elemento cuyas características es necesario tener muy en cuenta. Algunas de las características de los acumuladores son:

1 Capacidad: es la cantidad de electricidad que puede almacenar el acumulador, puede calcularse mediante la descarga total de una batería que esté inicialmente cargada al máximo. La capacidad de un acumulador se mide en Amperios-hora (Ah) para un determinado tiempo de descarga, por ejemplo, una batería de 130 Ah es capaz de entregar 130 A en una hora o 13 A en diez horas.

2 Eficiencia de carga: es la relación que existe entre la energía empleada para cargar la batería y la que realmente se almacena. Una eficiencia del 100 % significa que toda la energía empleada para cargar la batería es la que puede suministrar en su descarga.

3 Autodescarga: es el proceso natural por el cual el acumulador “pierde” energía almacenada sin estar funcionando.

4 Profundidad de descarga: se denomina profundidad de descarga al porcentaje de energía que un acumulador (inicialmente cargado) ha perdido en una descarga. Como ejemplo, si una batería totalmente cargada de capacidad 100 Ah sufre una descarga de 20 Ah, esto significa una profundidad de descarga del 20 %. Evidentemente, cuanto menos profundos sean los ciclos de carga/descarga, mayor será la duración del acumulador.

5.4. Funcionamiento y configuración de una instalación de apoyo con pequeño aerogenerador y/o grupo electrógeno

Las instalaciones fotovoltaicas que se complementan con aerogeneradores y/o grupo electrógenos, se denominan instalaciones de apoyo, aunque también se conocen como híbridas, debido a la naturaleza “múltiple” de la producción eléctrica generada (eólica, solar, etc.). A continuación, se muestran algunas configuraciones típicas de este tipo de instalaciones.

Definición

Aerogeneradores

Son generadores que producen electricidad a partir del movimiento de una hélice accionada por el viento.

Grupos electrógenos

Son máquinas que mueven un generador de electricidad a través de un motor de combustión interna.

Instalación eólico – fotovoltaica con aerogenerador en CA

En la siguiente imagen se muestra el esquema de una instalación solar fotovoltaica con apoyo de un aerogenerador en CA.

Instalación eólico – fotovoltaica con aerogenerador en CC

En este caso también se muestra el esquema de una instalación solar fotovoltaica con apoyo de un aerogenerador, pero este último funcionando en CC (ausencia de inversor en su salida).

Instalación fotovoltaica con grupo electrógeno

En la siguiente imagen se puede observar el esquema de una instalación solar fotovoltaica con apoyo de un grupo electrógeno.

5.5. Sistemas de protección y seguridad en el funcionamiento de las instalaciones

Las instalaciones solares fotovoltaicas, como cualquier otra instalación eléctrica, deben contar con los correspondientes sistemas y elementos de protección, los cuales deben garantizar la seguridad del usuario frente a contactos eléctricos, así como la integridad de la propia instalación.

Protecciones y puesta a tierra de las instalaciones fotovoltaicas

Las instalaciones fotovoltaicas deben presentar aparatos de maniobra y protección para un correcto funcionamiento, por lo que suelen disponer (en una caja precintada) de elementos que permitan desconectarse, en caso de existir fenómenos perturbadores que así lo aconsejen.

Las protecciones son establecidas por el REBT (Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión), que enuncia la necesidad de que la instalación disponga de:

1 Un interruptor general magnetotérmico en la parte de CA, con una intensidad de corte determinada y accionamiento manual.

2 Un interruptor diferencial en las partes de CC y CA, que proteja de los posibles defectos de tierra.

3 Un interruptor de corte automático, cuya desconexión esté asociada a las magnitudes, controladas por una serie de relés.

En las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red, es necesario diferenciar entre la parte de alterna y continua. En la parte de corriente alterna, el neutro del transformador debe estar conectado a tierra, y las masas metálicas de la instalación, conectadas a otra toma de tierra diferente a la anterior. En la parte de continua, los conductores activos del generador fotovoltaico deben estar aislados con respecto a tierra.

Definición

Elementos de protección:

1 Un varistor es un dispositivo electrónico cuyo valor resistivo disminuye con el aumento de la tensión aplicada entre sus terminales.

2 La función del magnetotérmico es la de limitar la intensidad máxima que circulará por un circuito o cable. Está constituido por un bimetal (protección térmica) y un inductor (protección magnética).

3 Los interruptores diferenciales protegen contra derivaciones de corriente, ocasionadas por fallos en algún aislamiento de la instalación.

La instalación debe tener separación galvánica (separación por medio de un transformador de aislamiento) entre la red de baja tensión (BT) y la instalación fotovoltaica. El neutro de este transformador se conectará a tierra independientemente, respecto a la toma de tierra de las masas.

Para la protección contra sobretensiones en la parte de CA, se suelen utilizar varistores.

A continuación, se muestra el esquema unifilar de una instalación fotovoltaica conectada a red.

Seguridad y prevención de riesgos

El hecho de que una instalación fotovoltaica sea una instalación eléctrica supone un riesgo, tanto para los operarios de instalación y mantenimiento como para cualquier usuario cotidiano. Por este motivo, tanto los primeros como los segundos deben cumplir estrictamente las medidas de seguridad que correspondan.

Respecto a los equipos de protección, en el transporte, manipulación y almacenamiento de los mismos, es necesario evitar que sufran golpes y caídas. Todos los elementos deben permanecer en su embalaje hasta que se instalen y coloquen en la posición correspondiente, y deben almacenarse en un lugar seguro para evitar que sufran daños o robos.

El instalador debe estar protegido con:

1 Casco.

2 Guantes aislantes.

3 Cinturón o arnés de seguridad.

4 Gafas protectoras (para evitar la entrada de partículas o deslumbramientos por los rayos solares).

No es conveniente el transporte manual de algunos componentes (por ejemplo, las baterías, que son elementos muy pesados). Para el mantenimiento, se deben utilizar herramientas con asilamientos.

Es necesario que los armarios o cajas que contengan equipos y partes activas estén debidamente señalizados, así como las zonas de la instalación en las que se esté realizando alguna tarea de mantenimiento.

Habrá que tener especial precaución con la presencia de canalizaciones de agua, próximas a cualquier elemento que pertenezca a la instalación.