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INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE SISTEMAS SOLARES FV TEMA 3.2. INSTALACIONES FV PARA CONEXIÓN A RED.

CAPITULO 3 APLICACIONES FOTOVOLTAICAS

TEMA 3.2: INSTALACIONES FV PARA CONEXIÓN A RED

3.2. INSTALACIONES FV PARA CONEXIÓN A RED.

DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN. 2. CLASIFICACIÓN DE INSTALACIONES POR TAMAÑO Y UBICACIÓN. 3. TOPOLOGÍA DE LAS INSTALACIONES.

3.1. BLOQUE GENERADOR. 3.2. BLOQUE CONVERSOR. 3.3. BLOQUE DE SUMINISTRO.

4. PUNTO DE CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA EXTERIOR. 5. PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN DE UNA CONEXIÓN A RED. 6. CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓN DE CONEXIÓN A RED.

I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 1 / 20

1. INTRODUCCIÓN
“Son aquellas en las que la energía eléctrica generada por el campo fotovoltaico se vierte directamente a una red externa”.

Se han descrito las aplicaciones donde se pueden encontrar instalaciones fotovoltaicas autónomas, que nos resuelven el problema de suministro eléctrico en los casos donde no se dispone de la red. Pero el hecho de disponer de una acometida de red eléctrica, no nos impide poder aprovechar la energía solar FV. Esta energía producida, se inyecta directamente a la red eléctrica, a través de un inversor especial, evitándose el uso de baterías y reguladores, que suponen un alto coste.

Esquema tipo de una instalación FV aislada de la red eléctrica.

Esquema tipo de una instalación FV conectada a la red eléctrica. En las instalaciones autónomas, la energía producida se almacena y la consume el propietario de la instalación. (objetivo: el autoconsumo). En las conectadas a red, la energía se inyecta directamente, sin almacenarla, a una red externa y la consumen todos los usuarios de dicha red. (objetivo: la venta de la energía producida). Tanto en un caso como en otro el propietario de la instalación puede ser un particular o una razón social.



ESQUEMA UNIFILAR DE UNA INSTALACIÓN FV AUTONOMA

ESQUEMA UNIFILAR DE UNA INSTALACIÓN FV DE CONEXIÓN A RED

COMPARATIVA ENTRE INSTALACIONES DE C. A RED Y AUTÓNOMA ELEMENTO RED AUTÓNOMA

GENERADOR FV SI SI PROTECCIÓN GFV SI SI REGULADOR NO SI POSIBILIDAD CONSUMO CC NO SI ACUMULADOR NO SI INVERSOR (*) SI SI PROTECCIONES CA SI SI EL DESTINO DE LA ENERGÍA GENERADA ES:

CONSUMO LOCAL

INYECCIÓN A UNA RED EXTERNA

(*) EN ALGUNOS CASOS, PEQUEÑAS INSTALACIONES AUTÓNOMAS PUEDEN NO NECESITAR INVERSOR, Y ALIMENTAR LOS RECEPTORES CON CC. LOS TIPOS DE INVERSORES AUTÓNOMOS Y DE RED, A PESAR DE REALIZAR LA MISMA FUNCIÓN (CONVERTIR CC EN CA), NO SON COMPATIBLES. Las instalación de conexión a RED, además de producir una energía poco contaminante, permite reducir la dependencia de los sistemas convencionales. El marco legislativo actual, “prima” económicamente la generación de este tipo de energía, siendo considerado como un negocio rentable.

Esta situación ha propiciado que este tipo de instalaciones FV sean las más realizadas en la actualidad.



2. CLASIFICACION DE INSTALACIONES POR EL TAMAÑO (Wp) Y UBICACIÓN

Aunque básicamente todas están constituidas de igual forma, se hace una primera clasificación por la Potencia instalada (Wp) en cada una de ellas:

• Residencial FV (RFV): Entre 1 y 15 kWp • Arquitectónica FV (AFV): Entre 5 y 250 kWp • Centrales FV (CFV) : Entre 100 kWp y 10 MWp

RESIDENCIAL FV ARQUITECTÓNICA FV CENTRAL FV

Se puede hacer otra clasificación, por la Tecnología utilizada y por su ubicación, según se haya utilizado la concentración solar o no, y el entorno donde se encuentra cada una de ellas:

Residencial FV (RFV):

INSTALACION CONECTADA A LA RED EN UNA VIVIENDA



Centrales FV (CFV) :

INSTALACION CONECTADA A RED EN SUELO, CON SEGUIMIENTO

GRANDES PLANTAS FV CON O SIN SEGUIMIENTO: “PARQUES SOLARES”



TIPOS DE INSTALACIONES CON CONCENTRACIÓN SOLAR

INSTALACION CONECTADA A RED CON SISTEMA DE BAJA CONCENTRACIÓN

INSTALACION CONECTADA A RED CON SISTEMA DE ALTA CONCENTRACIÓN



3. TOPOLOGÍA DE LAS INSTALACIONES

En las instalaciones FV conectadas a red se distinguen dos líneas, la de CC y la de CA. La primera comprende el GFV, sus protecciones y el convertidor. Y la segunda el convertidor, sus protecciones y la caja de contadores. En lo que respecta a su función las dividimos en tres bloques:

BLOQUE GENERADOR BLOQUE CONVERSOR BLOQUE DE SUMINISTRO

Unidad de Acondicionamiento

de la Potencia

INVERSORES

Contadores kWh + Interruptor

Generador solar fotovoltaico

MODULOS FV

DIVISIÓN POR BLOQUES DE UNA INSTALACIÓN FV DE CONEXIÓN A RED

3.1. BLOQUE GENERADOR Consta de los módulos FV, las cajas de conexiones, el cableado y las protecciones con magnetotérmicos o fusibles disyuntores. Además llevará una estructura fija o un sistema de seguimiento solar. Una vez elegido el módulo FV, buscaremos sus medidas físicas y sus parámetros eléctricos para implementar el generador.



3.2. BLOQUE CONVERSOR Está constituido por el inversor, o inversores, de conexión a red y sus protecciones: magnetotérmicos, diferencial, etc. Se suele colocar lo más cerca posible del generador FV. La mayoría de las protecciones eléctricas vienen integradas dentro del inversor. Por potencias, se dividen en inversores unitarios y centralizados. Estos últimos requieren una caseta acondicionada. Para más de 5 kW, deben ser trifásicos.

3.3. BLOQUE de SUMINISTRO Es la parte donde se ubican los elementos de medida, contadores, y el interruptor general. Los contadores pueden ser del tipo convencional y se utilizan dos para cada instalación, mientras que los de tarifación electrónica, son bidireccionales, y solo se necesita uno por instalación.

4. PUNTO DE CONEXIÓN A LA RED ELECTRICA EXTERIOR.

Para instalaciones conectadas a red monofásica o trifásica de 230 V / 400 V, la conexión se realizará aguas arriba del contador de suministro que posea dicha red.

ESQUEMA UNIFILAR Y SITUACIÓN DEL PUNTO DE CONEXION

Desde el punto de vista de mantenimiento, estas instalaciones, prácticamente no lo necesitan, limitándose este a periódicas revisiones de las conexiones y a la limpieza, esporádica de los módulos fotovoltaicos.



Técnicamente son instalaciones de una gran seguridad, debido a los sistemas electrónicos de control y regulación de que disponen, no presentando ningún perjuicio para las líneas a las que van conectadas. Llegando incluso a mejorarlas dado el excelente coseno de ϕ que presentan.



5. PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN DE UNA CONEXIÓN A RED

PASO CONCEPTO 1 Recogida y análisis de documentación y datos de interés técnico y del lugar. 2 Cálculo y diseño de la instalación FV 3 Elaboración de la propuesta al titular de la instalación solar fotovoltaica. 4 Asesoramiento técnico del proyecto al titular de la instalación sobre el procedimiento del proyecto. 5 Elaboración de la memoria técnica del proyecto y del resto de la documentación. 6 Solicitud de subvenciones a los programas de apoyo vigentes. 7 Solicitud de condiciones técnicas de conexión a la compañía eléctrica según RD 1663/2000. 8 Respuesta de la compañía eléctrica 9 El titular de la instalación solar y la empresa distribuidora suscribirán un contrato 10 Suministro de componentes y materiales. 11 Montaje del generador solar fotovoltaico. 12 Montaje de unidad de acondicionamiento de potencia: (inversores y protecciones tanto cc como ca).13 Montaje del cuadro de contadores y del interruptor general. 14 Montaje y puesta en marcha (pruebas) del sistema solar fotovoltaico conectado a red. 15 Comprobación del generador solar fotovoltaico. 16 Comprobación de la unidad de acondicionamiento de potencia . 17 Comprobación del cuadro de contadores y del interruptor general. 18 Puesta en marcha de la instalación (pruebas). 19 Comprobación del funcionamiento de la instalación según RD 1663/2000. 20 Solicitud a Industria para la inclusión en el régimen especial, BOPV 12/09/2001 nº. 177. 21 Boletín instalación eléctrica según RD 1663/2000. 22 Certificado de superación de pruebas según BOPV 12/09/2001 nº. 177. 23 Solicitud a la compañía eléctrica para conectar a la red la instalación solar fotovoltaica.. 24 Parada según RD 1663/2000. 25 Asesoramiento técnico del proyecto al titular sobre el funcionamiento de la instalación solar. 26 Entrega del manual de uso y mantenimiento de la instalación. 27 Puesta en marcha por la compañía eléctrica según RD 1663/2000. 28 Entrega de la instalación provisional. 29 Entrega de la instalación definitiva (15 días después de la entrega provisional). 30 Control de seguimiento de la instalación.



6. CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓN DE CONEXIÓN A RED

A la hora de dimensionar un sistema FV de conexión a red, los condicionantes pueden ser de tres tipos:

FISICOS: Superficie disponible para colocar el generador FV. (1 KWp ocupa unos 10 m2 en una instalación con estructura soporte fija), limitándonos la potencia a instalar.

ECONÓMICOS: Disponibilidad económica limitada, obtención de la máxima rentabilidad en un periodo razonable de amortización.

LEGALES: Cumplimiento de las normativas vigentes para las instalaciones fotovoltaicas.

“Vamos a realizar una instalación FV, típica de 5 kW. Utilizaremos dos inversores y un generador FV que esté dimensionado para un aprovechamiento óptimo de la instalación”. Para el Cálculo de una instalación FV de conexión a red, necesitamos saber la potencia del campo a instalar en función de los condicionantes mencionados anteriormente.

POTENCIA del INVERSOR 5 kW POTENCIA PICO DEL CAMPO GENERADOR

6 kWp (Un 20 % más QUE EL INVERSOR)

MODULO SELECCIONADO BP 5170, de 170 Wp Nº DE MÓDULOS 6.000 W / 170 Wp = 36 módulos POTENCIA REAL DEL CAMPO 36 módulos • 170 Wp = 6.120 Wp.

UBICACIÓN

País Vasco, zona costera, con orientación Sur, en cubierta o tejado del edificio y libres de sombras, con inclinación de 30º respecto al plano horizontal. (INSTALACIÓN ORIENTACIÓN FIJA)

6.1. CONDICIONANTES DE LA INSTALACIÓN

6.2. EJEMPLO DE INSTALACIÓN

6.3. PRODUCCIÓN MÁXIMA INCLINACIÓN ÓPTIMA DEL GFV

Para el cálculo teórico de la energía producida lo primero que se debe hacer es buscar la inclinación optima, aquella que más energía nos dé al cabo del año, para lo que recurriremos a unas tablas de radiación solar. Como norma aproximada, la inclinación ideal coincide con la latitud del lugar menos 10º.

EN ESTE CASO, DONDE LA LATITUD DE GUIPÚZCOA ES DE 43º. LA INCLINACIÓN IDEAL SERÁ: 43º - 10º = 33º



6.4. RENDIMIENTO ANUAL DEL SISTEMA ó PR. (Performance Ratio).

El rendimiento ideal es el correspondiente a un sistema hipotético sometido a las condiciones CEM, (Tª = 25º, AM = 1,5 y 1.000 W/m2 de radiación), ausencia de sombras, polvo, suciedad, y rendimiento del inversor, unidad. (C.E.M. = Condiciones Estándar de Medición). En la vida real se juntan varios fenómenos para hacer que el rendimiento real sea siempre inferior al rendimiento ideal. El cálculo de este rendimiento es complejo debido a que los factores que intervienen son difícilmente cuantificables, por lo que se deberían tomar datos empíricos sobre las instalaciones existentes en la zona donde queremos situar la nuestra.

Las pérdidas que se producen son debido a:

• Aumento de temperatura de trabajo de las células: De 5 a 7 %. • Polvo y suciedad que se acumula sobre los módulos: De 4 a 12 %. • Tolerancia de los módulos FV: Hasta el 3 %. • Desviación del factor AM: Hasta el 2 %. • Sombras: Hasta el 2 %. • Conversión de CC a CA: Del 8 al 12 %. • Elevación de baja a media tensión: Entre el 4 y 6 %.

Los datos mensuales del PR para la provincia de Guipúzcoa, son datos empíricos cedidos por los instaladores de la zona. Se observa que durante los meses de verano el rendimiento disminuye, y por el contrario aumenta en los meses de invierno, esto es debido a las temperaturas más altas que se dan en los meses más cálidos.



PRODUCCIÓN ESTIMADA DE LA INSTALACIÓN CONSIDERADA

SEGÚN EL CÁLCULO, LA PRODUCCIÓN ESTIMADA ES DE 5.972,72 kW/h AÑO. ES DECIR, UNA PRODUCCIÓN DE 975,93 kW/h AÑO POR kWp INSTALADO. 6.5. ELECCIÓN DEL INVERSOR Normalmente la configuración eléctrica del generador FV, su conexionado, dependerá del modelo de inversor elegido para la instalación. En particular del valor de la tensión de entrada y de la intensidad máxima admisible.

En este caso, hemos seleccionado DOS inversores Sunny Boy de 2.500 W cada uno. Parámetros funcionales del inversor.

TENSIÓN DE ENTRADA: 250 ÷ 550 VCC. INTENSIDAD DE ENTRADA MÁXIMA : 11,2 A.



6.6. CONFIGURACIÓN DEL CAMPO FV

• Parámetros funcionales del módulo FV. (En este caso el BP 5170)

POTENCIA DE PICO = 170 Wp TENSIÓN MÁXIMA = 36 V INTENSIDAD MÁXIMA = 4,72 A

Configuración de una rama del Generador FV. Distribuyendo los 36 módulos entre los dos inversores, nos quedan 18 módulos para cada uno. Si conectamos los 18 módulos en serie, la tensión resultante sería de 648 V, que supera la Vmax de entrada del inversor. (550 Vcc) Si dividimos los 18 módulos entre 2 ramas, nos quedan 9 módulos por rama o cadena. La tensión de cada rama se obtiene multiplicando el número de módulos conectados en serie, 9, por la tensión de trabajo de cada uno, que es de 36 Vcc. Siendo, 324 Vcc.

Conexión de las ramas de cada inversor. Como la intensidad del módulo es de 4,72 A, y la máxima admitida por el inversor es de 11,2 A, vemos que el número de ramas no puede ser mayor de 2. Con los 18 módulos, conectados en dos ramas de 9, se obtiene una intensidad total de 9,44 A, y una tensión de 324 Vcc. Siendo la potencia aplicada a cada inversor de 3.060 Wp.



Esquema general de la instalación. Como se puede apreciar en este caso hemos construido dos instalaciones iguales. En caso de una avería, se anularía solo la mitad del sistema.

6.7. CÁLCULO DE SECCIÓNES Y ELEMENTOS DE PROTECCIÓN. F1 – F2: Fusibles protección de los GFV. 1 – 2 : Protecciones de inversores (PIA). 3 - 4: Protección de línea de CA. (IGA y Diferencial). 5: Interruptor frontera. (PIA).

Esquema de la instalación diseñada con distancias tipo para poder hacer cálculos.



6.7.1. CÁLCULO DE LAS SECCIONES DE LOS CONDUCTORES Tramo 1. Generador - Inversor: Datos: l = 20 m IPG = 4,72 A (Aplicando la ITC 40, se tomará el 125 %) = 5,9 A ∆V = 1,5 % 324 V • 0,015 = 4,86 V Conductores de cobre: δ = 56 S1 = 2 • IPG • l /δ • ∆V = 2 • 5,9 A • 20 m /56 • 4,86 V = 0,86 mm2 Según el REBT, ITC 40, sobre Instalaciones Generadoras de BT, la sección será de 1,5 mm2. Los elementos de protección para esta línea serán:

Fusibles curva gG de 10 A. (colocar en los dos polos). Tramo 2. Inversor - Contadores: Datos: l = 20 m IPG = 9,44 A (Aplicando la ITC 40, se tomará el 125 %) = 11,8 A ∆V = 1,5 % 230 V • 0,015 = 3,45 V Conductores de cobre: δ = 56

S2 = 2 • IPG • l /δ • ∆V = 2 • 11,8 A • 20 m /56 • 3,45 V = 2,44 mm2 Según el REBT, ITC 40, la sección será de 2,5 mm2. Los elementos de protección para esta línea serán:

PIA de línea de salida para cada inversor de 2 x 16 A. Curva D, y 6 kA. PIA de línea general de 2 x 25 A. Curva C, y 6 kA. Int. Automático Diferencial de 2 x 40 A. S = 30 mA. 6.7.2. PROTECCIONES COMPLEMENTARIAS

Será necesario crear un conductor de protección o toma de tierra, que partiendo del mismo inversor (borna creada a tal efecto), recorrerá todos los circuitos de consumo en CA. Será necesario poner a tierra todas las estructuras metálicas, soportes del generador, etc, mediante la pertinente pica, situada lo mas cerca del elemento a proteger. En zonas sometidas a frecuentes descargas de rayos: Es conveniente colocar unos descargadores de sobretensión para evitar daños en los inversores. También, si la acometida desde el generador FV, es subterránea, de una gran distancia, y a la intemperie, se debería realizar en una canalización metálica con puesta a tierra.



7. CONEXIÓN Y DESCONEXIÓN DE LA INSTALACIÓN FV En caso de ser precisa la desconexión de la instalación es necesario seguir los siguientes pasos para no causar daños en los equipos (VER ESQUEMA)

Para la desconexión:

1º. Desconectar el magnetotérmico general. Nº 5 2º. Desconectar los magnetotérmicos parciales Nº 2 y 4 3º. Abrir el disyuntor fusible Nº 1

Para la reconexión:

1º. Conectar el disyuntor fusible Nº 1 2º. Conectar los magnetotérmicos parciales Nº 2 y 4 3º. Conectar el magnetotérmico general. Nº 5



8. CONEXIÓN A RED CON SEGUIMIENTO SOLAR EN 1 ó 2 EJES. Las conexiones a red con seguimiento solar son más complejas y necesitan un mantenimiento periódico, para los sistemas de desplazamiento de los seguidores. Su rendimiento es entre un 20% y un 45% superior a una instalación fija. En esta foto, se puede apreciar, en un primer plano, el seguidor con la instalación FV de conexión a red, y a la derecha, una pequeña instalación FV autónoma, para disponer de la energía necesaria para mover los motores de los seguidores solares.

En las dos fotos inferiores se ve en detalle la ubicación de los dos inversores, el armario de control de la instalación y la caja de contadores, que en este caso, contiene los aparatos de control de los seguidores, el regulador y las baterías de electrolito gelificado de la instalación FV autónoma.



9. ANEXO: HOJAS DE PRODUCTO.

9.1. DATOS TÉCNICOS DEL MODULO FV SELECCIONADO. BP 5170 S



9.2. DATOS TÉCNICOS DEL INVERSOR SELECCIONADO. SUNNY BOY 2500


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