Curso de Energia Solar Fotovoltaica, Replanteo

8/15/2019 Curso de Energia Solar Fotovoltaica, Replanteo

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Montaje y mantenimiento de instalaciones solares fotovoltaicas

ÍNDICE

VOLUMEN 1. Replanteo de instalaciones solares fotovoltaicas

UNIDAD DIDÁCTICA 1.

Electricidad y electromagnetismo


Máquinas eléctricas estáticas y rotativas


Electrónica


Funcionamiento general de las instalaciones solares fotovol-taicas


Componentes que conforman las instalaciones solares foto-voltaicas


Emplazamientos y dimensionado de una instalación solarfotovoltaica


Representación simbólica de instalaciones solares fotovol-taicas


Proyectos y memorias técnicas de instalaciones solaresfotovoltaicas

E_

í n d i c e ( 0 1 ) . d

o t

CER018_V01(01)



2

VOLUMEN 2. Montaje de instalaciones solares fotovoltaicas


Identificación y evaluación de los riesgos profesionales en elmontaje de una instalación


Normativa y protocolo


Equipos de protección individual


Organización y planificación para el montaje mecánico


Montaje mecánico de estructuras en instalaciones solaresfotovoltaicas


Organización y planificación para el montaje de equiposeléctricos y electrónicos


Montaje de equipos eléctricos y electrónicos en instalacio-nes solares fotovoltaicas

VOLUMEN 3.

Mantenimiento de instalaciones solares fotovoltaicas


Prevención de riesgos profesionales y seguridad en el man-tenimiento de instalaciones solares fotovoltaicas


Mantenimiento preventivo de instalaciones solares fotovol-taicas


Mantenimiento correctivo de instalaciones solares fotovol-taicas


Calidad en el mantenimiento de instalaciones solares foto-voltaicas



Replanteo de instalaciones solares fotovoltaicas

1

E_

T e x t o ( 0 1 ) . d o t

Electricidad y

electromagnetismo

D I P 2 7 8_

0 1_

V ( 0 1 )



1

Unidad didáctica 1


ÍNDICE

MOTIVACIÓN ..................................................................................................5

PROPÓSITOS ..................................................................................................6

PREPARACIÓN PARA LA UNIDAD.............................................................................7

1. NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD.......................................................................9

1.1. CONCEPTOS Y LEYES BÁSICAS ........................................................................................... 9

1.2. PROPIEDADES Y APLICACIONES ........................................................................................ 12

1.3. CORRIENTE ELÉCTRICA.................................................................................................. 13

1.4. MAGNITUDES ELÉCTRICAS .............................................................................................. 14 1.4.1. ENERGÍA .................................................................................................................................. 14

1.4.2. POTENCIA ................................................................................................................................. 15

1.4.3. CONSUMO ELÉCTRICO ................................................................................................................... 16

1.4.4. T ENSIÓN ...................................................................................................................................17

1.4.5. INTENSIDAD .............................................................................................................................. 18

1.4.6. F RECUENCIA.............................................................................................................................. 19

1.4.7. F ACTOR DE POTENCIA.................................................................................................................... 21

1.4.8. IMPEDANCIA

..............................................................................................................................22 1.4.9. RESISTENCIA .............................................................................................................................22

1.4.10. REACTANCIA..............................................................................................................................23

1.4.11. RESISTIVIDAD ............................................................................................................................24

2. MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO ...............................................................26

2.1. CONCEPTOS Y LEYES BÁSICAS ..........................................................................................26

2.2. CIRCUITOS MAGNÉTICOS Y CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA ............................................................28

2.3. MAGNITUDES MAGNÉTICAS .............................................................................................32

2.3.1. F LUJO MAGNÉTICO .......................................................................................................................32



Unidad didáctica 1


2

2.3.2. INTENSIDAD MAGNÉTICA ................................................................................................................33

2.3.3. INDUCCIÓN MAGNÉTICA .................................................................................................................34

2.3.4. RELUCTANCIA.............................................................................................................................34

2.3.5. PERMEABILIDAD MAGNÉTICA ...........................................................................................................34 2.3.6. ANALOGÍA ENTRE MAGNITUDES ELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS........................................................................36

3. CIRCUITOS ELÉCTRICOS.................................................................................37

3.1. CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA..................................................................................38

3.2. CIRCUITOS MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA ..................................................39 3.2.1. CIRCUITOS MONOFÁSICOS ............................................................................................................. 40

3.2.1.1. Circuito con resistencia................................................................................................. 40

3.2.1.2. Circuito con bobina ........................................................................................................ 41

3.2.1.3. Circuito con condensador ...............................................................................................44

3.2.2. CIRCUITO TRIFÁSICO.................................................................................................................... 46 3.2.3. CONEXIONES EN ESTRELLA Y TRIÁNGULO............................................................................................. 46

3.2.3.1. Conexión en estrella...................................................................................................... 46

3.2.3.2. Conexión en triángulo .....................................................................................................47

3.3. ESTRUCTURA Y COMPONENTES .........................................................................................48

3.3.1. ASOCIACIÓN EN SERIE...................................................................................................................48

3.3.2. ASOCIACIÓN EN PARALELO............................................................................................................. 49

3.3.3. ASOCIACIÓN MIXTA ......................................................................................................................50

3.4. ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES ..................................................................................... 51 3.4.1. ASOCIACIÓN EN SERIE...................................................................................................................52

3.4.2. ASOCIACIÓN EN PARALELO..............................................................................................................53

3.4.3. ASOCIACIÓN MIXTA ......................................................................................................................53

3.5. SIMBOLOGÍA Y REPRESENTACIÓN GRÁFICA ............................................................................54

3.6. ANÁLISIS DE CIRCUITOS ................................................................................................58 3.6.1. LEYES DE KIRCHHOFF ....................................................................................................................59

4. REDES ELÉCTRICAS DE BT .............................................................................64

4.1. PROPIEDADES Y APLICACIONES ........................................................................................65

4.2. DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES FUNDAMENTALES ..................................................................65

4.2.1. CIRCUITOS DE GENERACIÓN ............................................................................................................65 4.2.2. CIRCUITOS DE CONTROL Y SERVICIOS AUXILIARES ...................................................................................68

4.3. ESQUEMAS ELÉCTRICOS DE BT, DISPOSITIVOS DE MANIOBRA, CORTE Y PROTECCIÓN ............................74

5. CENTROS DE TRANSFORMACIÓN .......................................................................76


5.2. DISPOSICIONES HABITUALES ........................................................................................... 77

5.3. ESQUEMAS ...............................................................................................................79

5.4. T IPOS Y FUNCIONES DE LAS CELDAS DE MT .......................................................................... 81



3

Unidad didáctica 1


5.5. DISPOSITIVOS DE MANIOBRA, CORTE Y PROTECCIÓN .................................................................82

6. PILAS Y ACUMULADORES ...............................................................................84

6.1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN ..............................................................................................84

6.2. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Y TECNOLÓGICOS ........................................................................85


6.4. CLASIFICACIÓN ..........................................................................................................90

6.5. T IPOLOGÍA................................................................................................................ 91

6.6. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS Y TÉCNICAS ....................................................................93

7. MEDIDAS DE MAGNITUDES ELÉCTRICAS...............................................................96

7.1. INSTRUMENTOS DE MEDIDA ............................................................................................96 7.1.1. ÓHMETRO .................................................................................................................................97

7.1.1.1. Procedimientos de medida ..............................................................................................98

7.1.2. VOLTÍMETRO ............................................................................................................................. 101

7.1.2.1. Procedimientos de medida .............................................................................................101

7.1.3. AMPERÍMETRO ......................................................................................................................... 104

7.1.3.1. Procedimientos de medida ............................................................................................ 104

7.2. ERRORES DE MEDIDA.................................................................................................. 106

8. PROTECCIONES DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA ....................................................109

8.1. NORMATIVA ............................................................................................................ 109

8.2. MEDIDAS DE PROTECCIÓN .............................................................................................110

8.2.1. MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA PERSONAS .........................................................................................110

8.2.2. MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA MATERIALES ....................................................................................... 113

9. SEGURIDAD ELÉCTRICA................................................................................ 115

9.1. MEDIDAS GENERALES DE SEGURIDAD ELÉCTRICA.................................................................... 115

9.2. NORMATIVA EN TRABAJOS ELÉCTRICOS SIN TENSIÓN................................................................116 9.2.1. PROCEDIMIENTO PARA LA SUPRESIÓN DE TENSIÓN.................................................................................116

9.2.2. PROCEDIMIENTO PARA LA REPOSICIÓN DE TENSIÓN ................................................................................ 117

9.3. NORMATIVA EN TRABAJOS ELÉCTRICOS CON TENSIÓN ............................................................... 117

10. REGLAMENTO ELECTROTÉCNICO DE BAJA T ENSIÓN ............................................... 119

CONCLUSIONES ............................................................................................ 121

RECAPITULACIÓN ..........................................................................................122

AUTOCOMPROBACIÓN .....................................................................................125

SOLUCIONARIO.............................................................................................129



Unidad didáctica 1


4

PROPUESTAS DE AMPLIACIÓN ........................................................................... 130

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 131



5

Unidad didáctica 1


MOTIVACIÓN

A diario utilizamos un sinfín de aparatos eléctricos. Para nosotros, como usua-rios, simplemente supone pulsar un botón, pero ¿te has parado a pensar porqué funcionan las cosas? Cada vez que pulsas un botón entran en acción multi-tud de fenómenos eléctricos y magnéticos que hacen posibles todas esas apli-caciones a las que ya estamos tan acostumbrados y que consideramos comoalgo normal en nuestras vidas.

Una cosa tan sencilla como encender la luz de nuestra casa lleva detrás unacompleja infraestructura eléctrica. ¿No te pica la curiosidad de saber en qué sebasa todo esto?

Verás como cuando termines esta unidad, el funcionamiento de tus aparatoseléctricos ya no te parecerá cosa de magia.



Unidad didáctica 1


6

PROPÓSITOS

Al finalizar esta unidad habrás aprendido:

Los principios básicos de la electricidad y del magnetismo, así comolas leyes que los rigen y el comportamiento de los materiales ante estosfenómenos.

Qué es un circuito eléctrico, los tipos que existen, de qué constan y lasmagnitudes que los miden.

En qué consisten las redes eléctricas y qué dispositivos las conforman.

Cuál es la utilidad de los centros de transformación, cómo son y en quéconsisten.

Cómo funcionan las pilas y acumuladores, qué tipos existen y para quése utiliza cada uno.

Las protecciones que debe incorporar una instalación eléctrica.

Los procedimientos y medidas necesarias para realizar trabajos eléctri-cos con seguridad.

Dónde puedes consultar las indicaciones eléctricas que establece la le-gislación.



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Unidad didáctica 1


PREPARACIÓN PARA LA UNIDAD

En esta unidad vamos a tratar los siguientes temas:

Naturaleza de la electricidad.

Magnetismo y electromagnetismo.

Circuitos eléctricos.

Redes eléctricas de baja tensión.

Centros de transformación.

Pilas y acumuladores.

Medidas de las magnitudes eléctricas.

Protecciones de la instalación eléctrica.

Seguridad eléctrica.

Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión.



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Unidad didáctica 1


1. NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD

Nuestra sociedad actual vive en una dependencia casi absoluta de la electrici-dad, es un fenómeno al que ya estamos acostumbrados y del que tan apenasnos preguntamos a qué se debe. En esta unidad didáctica analizaremos su na-turaleza y origen, para comprender mejor la base de funcionamiento de equiposeléctricos y electrónicos, así como el fundamento de los diferentes sistemas degeneración eléctrica.

1.1. CONCEPTOS Y LEYES BÁSICAS

Como concepto general podemos decir que la electricidad es una forma de

energía, entendiendo como energía la capacidad para desarrollar trabajo.

La electricidad es el movimiento de electrones de un punto a otro, así como losefectos debidos al exceso o falta de electrones en un material.

Para comprender lo que es la electricidad será necesario conocer primero loque es un electrón, y como este forma parte del átomo, debemos analizar laestructura atómica de la materia.

Imaginemos que partimos en dos una gota de agua miles de veces: obtendre-mos una gota de agua diminuta, tan pequeña que necesitaríamos un potentemicroscopio para verla.

Figura 1. División de una gota de agua muchas veces



Unidad didáctica 1


10

A pesar de lo pequeña que es, continúa conservando todas las propiedades delagua, por tanto desde un punto de vista químico no existe diferencia algunaentre la minúscula gota y un litro de agua. Si seguimos dividiendo la gota, lle-

gará a un punto en el cual, si la seccionamos de nuevo, se perderán las carac-terísticas químicas del agua. En este punto la partícula que tenemos se conocecon el nombre de molécula.

Figura 2. Molécula de agua

Molécula es la parte de la materia más indivisible, sin que

esta pierda sus propiedades. La molécula se puede dividir

en partes más pequeñas denominadas átomos, las cuales

tienen propiedades independientes y diferentes a las de la

molécula.

Si fuésemos capaces de observar dicha molécula de agua veríamos que estácompuesta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Hacien-do zoom sobre estos átomos, podríamos diferenciar cómo cada uno de ellosestá formado por un núcleo y por electrones que orbitan alrededor de él. Obser-vando el núcleo veríamos cómo está compuesto por neutrones (n), cuya cargaes neutra, y protones (+), cuya carga es positiva. Si nos fijamos, todo átomo enequilibrio tiene el mismo número de protones que de electrones.



11

Unidad didáctica 1


Átomos: están formados por una parte central, llamada

núcleo, donde se encuentran los protones (+) —partículas

que poseen carga positiva— y los neutrones (n) —partículas que no tienen carga pero que determinan la

masa del átomo—. La parte que rodea al núcleo se deno-

mina corteza y está formada por capas u órbitas donde se

encuentran los electrones (-) —partículas que poseen car-

ga negativa y que giran alrededor del núcleo—.

Figura 3. Átomo

Una vez conocidas las diferentes partes del átomo, el principio fundamental decargas eléctricas explica cómo son las fuerzas que aparecen entre ellas.

Si las cargas son iguales, se produce una fuerza de repulsión. Si las cargas sondistintas, se produce una fuerza de atracción.

Figura 4. Fuerzas de atracción y repulsión entre cargas



Unidad didáctica 1


12

¿Qué relación tiene todo esto con la electricidad?

Pues bien, los electrones que se encuentran en la órbita más alejada del núcleo

son atraídos por este con menor fuerza, por tanto pueden ser extraídos o expul-sados de sus órbitas con relativa facilidad al aplicarse algún tipo de fuerza ex-terna. Estos electrones reciben el nombre de electrones libres. El paso de elec-trones libres de un átomo a otro es lo que se denomina fluido eléctrico o elec-tricidad. El movimiento que se comunica de un átomo a otro se realiza a una ve-locidad de 300.000 km por segundo, que coincide con la velocidad de la luz.

Por tanto, para obtener electricidad será necesario aplicar una energía externacapaz de poner en movimiento a los electrones.

Bajo ciertas circunstancias, un átomo puede captar un electrón de otro átomo,obteniendo así un número de cargas negativas mayor que el de positivas. A este

átomo se le denomina ión negativo o anión, y al átomo que ha perdido unelectrón, quedando ahora con mayor número de cargas positivas, se le llama ión positivo o catión.

Figura 5. Iones

Principalmente deberemos diferenciar dos tipos de electricidad, la estática y ladinámica. La estática se produce por frotamiento y tiene como consecuencia lacaptación o pérdida de electrones, mientras que la dinámica es el intercambiocontinuo de electrones entre átomos, consecuencia de la cual aparece la co-rriente eléctrica.

1.2. PROPIEDADES Y APLICACIONES

La electricidad, como forma de energía que es, cumple con el principio de con-servación de la energía:

La energía total de un sistema aislado permanece constante, independientemen-te de cualquier cambio interno que pueda tener lugar, ya que la energía que des- aparece de una forma, reaparece bajo otras formas.



13

Unidad didáctica 1


Aunque en toda transformación se considera la energía absorbida (E A ) como laempleada en realizar un trabajo, la energía aprovechada se le llama útil (EU ); lano aprovechada, pero que es necesaria, se le llama perdida (EP ). Siempre se

debe cumplir que la energía absorbida sea la suma de la útil más la perdida.E A = E U + E P

Un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en

energía mecánica, pero la energía eléctrica absorbida por

el motor no es transformada íntegramente en energía

mecánica útil, sino que parte es empleada en vencer ro-

zamientos y pérdidas electromagnéticas.

Pensemos en una aplicación más sencilla, como puede ser

una bombilla: el objetivo es transformar la energía eléctri-

ca (EA) en energía luminosa (EU) pero parte de la energía

eléctrica absorbida es transformada en energía calorífica

no deseada (EP).

Debido a la facilidad de generación y transporte, la electricidad es una de lasprincipales fuentes de energía. Además de la infinidad de aplicaciones que co-nocemos, desde electrodomésticos hasta instrumental médico, pasando por

maquinaria industrial, la electricidad no solo tiene aplicaciones energéticas, sinoque también es utilizada para el transporte de información en el campo de lastelecomunicaciones.

1.3. CORRIENTE ELÉCTRICA

Corriente eléctrica es el flujo ordenado de electrones que

circula a través de un material conductor.

Figura 6. Flujo de electrones



Unidad didáctica 1


14

Para que por un material pueda establecerse una corriente eléctrica, este debeser conductor. Materiales conductores son aquellos cuyos átomos poseen elec-trones libres que son liberados con facilidad. Los metales son un ejemplo de

este tipo de materiales, siendo los mejores la plata y el cobre.Por el contrario, materiales aislantes son aquellos que se oponen al paso decorriente eléctrica. Esto es debido a que los electrones están fuertemente arrai-gos al átomo y no se consigue establecer un movimiento ordenado de ellos.

Se entiende por movimiento o flujo ordenado de electro-

nes aquel en el que todos fluyen en el mismo sentido.

El sentido convencional de la corriente eléctrica es el contrario al del movimien-to de los electrones. Es decir, mientras que los electrones se mueven desde unpunto con carga negativa a otro con carga positiva, diremos que la corrienteeléctrica va del polo positivo al negativo.

1.4. MAGNITUDES ELÉCTRICAS

El fin de las magnitudes eléctricas es poder definir con precisión la electricidad,estableciendo escalas de valores a cada uno de los parámetros y característicasque presenta.

1.4.1. ENERGÍA

Podemos definir la energía eléctrica como el trabajo des-

arrollado en un circuito eléctrico durante un tiempo deter-

minado.



15

Unidad didáctica 1


La fórmula de la misma es la siguiente:

E = P · t (en W.s) = Julios

E = Energía

P = Potencia

t = Tiempo

1 J = 1W · 1s

J = Julio

W = Vatio

s = Segundo

La unidad es el julio.

Esta medida es muy pequeña, por lo que se emplea otra de valor máselevado, el kilovatio hora (kW · h).

El kW · h es la unidad que miden los contadores de energía.

1 kW · h= 1 kW · 1 h = 1.000 W · 3.600 s = 3.600.000 julios

1.4.2. POTENCIA

Potencia eléctrica es la cantidad de energía eléctrica en-

tregada o absorbida por un circuito eléctrico en un tiempo

determinado. Es decir, mayor potencia implica mayorenergía en menor tiempo.

La potencia se obtiene del producto de la corriente que circula a través del cir-cuito y de la tensión eléctrica aplicada entre sus extremos. Se representa por laletra “P”. La unidad de potencia eléctrica es el vatio (W).

P = V · I

P = Potencia

V = Tensión

I = Intensidad

1 W = 1 V · 1 A

W = Vatio

V = Voltio

A = Amperio

Múltiplos del vatio:

Megavatio (MW) = 1.000.000 W

Kilovatio (kW) = 1.000 W

Caballo de vapor (CV) = 736 W



Unidad didáctica 1


16

Submúltiplos:

Milivatio (mW) = 0,001 W

Realiza el siguiente ejercicio.

¿Qué corriente eléctrica circula por los cables de alimen-

tación del horno de nuestra cocina si en la placa de carac-

terísticas indica que es de 1.200 W de potencia y que es

alimentado a 220 V de tensión?

Solución:

I = P/V I = 1.200 W / 220 V = 5,45 A

1.4.3. CONSUMO ELÉCTRICO

El consumo eléctrico es la cantidad de energía absorbida

por un dispositivo, es decir, la potencia que absorbe dicho

dispositivo por el tiempo que permanece absorbiéndola.

Dado que el consumo eléctrico es una energía, podría medirse en julios, pero enel campo de la electricidad resulta una unidad demasiado pequeña y, en conse-cuencia, se utiliza el kilovatio-hora (kWh).


¿Cuál es el coste económico del consumo eléctrico que

supone asar un pollo en nuestro horno de 1.200 W, si es

necesaria una hora para asarlo y la tarifa eléctrica es de

0,15 € el kWh?

Solución:

1,2 kW x 1 h x 0,15 €/kWh = 0,18 €.



17

Unidad didáctica 1


1.4.4. T ENSIÓN

Tensión es la diferencia de nivel eléctrico entre dos puntos

de un circuito.

La magnitud de tensión es conocida por distintos nombres, diferencia de poten-cial (d. d. p.), fuerza electromotriz (f. e. m.) o voltaje (U).

La tensión hace referencia a la fuerza con la que se atraen dos cargas eléctricasdiferentes, o también puede decirse que cuantifica la cantidad de energía po-tencial que posee una carga con respecto a otra. Cuanto mayor sea la diferenciaentre las cargas, mayor será la tensión.

Observa la figura y analiza las diferentes tensiones entre

las cargas.

Una carga eléctrica tiene distinta diferencia de potencial

(tensión) según con qué carga sea referenciada.

La diferencia de potencial entre q1 y q3 es 0 V, puesto que

ambas cargas son idénticas.

Contando el número de electrones y protones de las car-

gas y calculando su diferencia se puede afirmar que la

tensión entre q1 y q2 es igual a la tensión entre q2 y q4.

Figura 7. Diferencia de potencial entre distintas cargas

La tensión se representa por las letras U o V.



Unidad didáctica 1


18

La unidad de medida de la tensión es el voltio designado por la letra V.

Su múltiplo más utilizado es:

Kilovoltio (kV), equivale a 1.000 V.

Sus submúltiplos son:

Milivoltio (mV) = 0,001 V.

Microvoltio ( μV ) = 1 x 10-6 V, (0,000001 V).

1.4.5. INTENSIDAD

Al aplicar tensión entre los extremos de un conductor, las cargas eléctricas, im-pulsadas por la fuerza de atracción, circulan a través de él para compensar eldesequilibrio eléctrico.

Intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga

eléctrica que atraviesa un conductor en la unidad de tiem-

po. Se representa por la letra I.

La unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica es el amperio (A).

Por un conductor circula una intensidad de 1 amperio cuando dicho conductores atravesado por 1 culombio cada segundo:

tQ =I

I = Intensidad

Q = Cantidad de electricidad

t = Tiempo

s1C1 =A1

A = AmperioC = Culombio

s = Segundo

Culombio es la unidad de carga eléctrica se representa por

la letra C y equivale a 6,24 trillones de electrones.



19

Unidad didáctica 1


Hay ocasiones en las que necesitamos utilizar unidades más pequeñas que elamperio, a las que llamaremos submúltiplos del amperio, como son:

Miliamperio (mA) = 0,001 A.

Microamperio ( μ A ) = 0,000001 A.

En otras ocasiones, tenemos valores tan grandes de intensidad que necesita-mos utilizar múltiplos del amperio:

Kiloamperio (kA) = 1.000 A.

1.4.6. F RECUENCIA

La frecuencia es la magnitud eléctrica que mide el número

de veces que se repite una secuencia de valores de ten-

sión o corriente (ciclo) en un segundo. La unidad de me-

dida es el hercio (Hz). Un hercio significa que cada segun-

do se repite un ciclo.

Existe otra magnitud estrechamente relacionada con la frecuencia, el periodo.Es decir, el periodo es el inverso de la frecuencia o viceversa.

T f

f T

11==

En la figura se observa una señal sinusoidal, la cual se repi-

te cuatro veces cada segundo, por tanto su frecuencia

será de 4 hercios. Si se toma como referencia, por ejem-

plo, el valor mínimo de la onda y se calcula el tiempo que

tarda en repetirse, se obtiene el periodo, en este caso se

observa que es de 0,25 segundos. Si comprobamos la re-

lación entre frecuencia y periodo, vemos que se cumple:

sT 25,04

1 ==



Unidad didáctica 1


20

Figura 8. Onda sinusoidal a 4 Hz

Cuando decimos que la frecuencia de la corriente alterna en Europa es de50 Hz, estamos indicando que durante 1 segundo aparecen 50 ciclos. Cadaciclo se compone de una semionda positiva y otra negativa, al igual que semuestra en la figura anterior.


a) ¿Qué periodo (T) tiene la onda cuadrada que se muestra

en la figura?

b) Calcula su frecuencia (f).

Solución:

a) T = 0,01 s.

b) f = 100 Hz.



21

Unidad didáctica 1


1.4.7. F ACTOR DE POTENCIA

En un circuito eléctrico pueden diferenciase dos tipos de potencia dependiendode los componentes que lo forman.

Potencia activa: es la potencia absorbida por las resistencias.

Potencia reactiva: es la absorbida por condensadores e inductancias(bobinas). Los condensadores absorben potencia reactiva negativa ylas inductancias potencia reactiva positiva, por tanto pueden compen-sarse una con la otra.

El factor de potencia (f. d. p.), también conocido como cos

φ (coseno de fi), es una magnitud que relaciona las poten-

cias activa y reactiva consumidas por un circuito o aparato

eléctrico.

El factor de potencia puede tomar valores entre 0 y 1. En el caso de cargas re-sistivas el factor de potencia toma valores muy próximos a 1 y para cargas prin-cipalmente inductivas o capacitivas adquiere valores muy bajos, próximos a 0.

La potencia reactiva no contribuye a desarrollar trabajo

útil, por tanto para conseguir la misma cantidad de energ-

ía útil se requiere mayor corriente eléctrica.

Las compañías eléctricas, con el fin de conseguir una red eficiente, penalizaneconómicamente a los clientes cuyos factores de potencia son inferiores a un

determinado valor límite. Esto cobra especial importancia en el sector industrial,donde máquinas eléctricas como motores, transformadores o aparatos que utili-zan grandes condensadores pueden suponer un consumo de potencia reactivaimportante y por tanto un factor de potencia penalizable. Para evitar esto exis-ten sistemas que compensan la potencia reactiva y consiguen un f. d. p. próxi-mo a la unidad. Por ejemplo, en motores la potencia reactiva consumida es de-bida a sus bobinados, por tanto su f. d. p. puede compensarse con una bateríade condensadores.



Unidad didáctica 1


22

Siempre interesa conseguir factores de potencia próximos

a 1 (cos φ = 1). Es lo más eficiente.

1.4.8. IMPEDANCIA

La impedancia es la oposición que presenta un circuitoeléctrico al paso de la corriente cuando esta es variable en

el tiempo, es decir, corriente alterna.

La impedancia está compuesta de una parte real correspondiente a la resisten-cia y de una parte imaginaria correspondiente a la reactancia causada por lasbobinas y condensadores.

La impedancia se representa por la letra Z y su valor pude ser calculado apli-

cando la siguiente fórmula:

C

X

−

Donde:

R es el valor de resistencia.

XL es el valor de reactancia inductiva.

XC es el valor de reactancia capacitiva.

1.4.9. RESISTENCIA



23

Unidad didáctica 1


Resistencia eléctrica es la magnitud que mide la oposición

que presenta un material al paso de la corriente eléctrica.

Se representa por la letra R.

El símbolo de la resistencia en un circuito eléctrico es el siguiente:

Figura 9. Símbolo resistencia

Si un material presenta poca resistencia al paso de la corriente se dice que elmaterial es conductor. Si por el contrario un material presenta muchísima resis-tencia al paso de la corriente se dice que el material es aislante.

Existen materiales que dependiendo de factores externos pueden cambiar sucomportamiento como conductores o aislantes. Son los llamados semiconduc-tores, el ejemplo mas típico es el silicio (Si).

La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio, que se representa con letra grie-ga omega, Ω.

Múltiplos del ohmio: Megaohmio (MΩ ) = 1.000.000 Ω.

Kiloohmio (kΩ ) = 1.000 Ω.

Submúltiplos del ohmio:

Miliohmio (mΩ )= 0,001 Ω.

1.4.10. REACTANCIA

Existen dos tipos de reactancia:

Reactancia inductiva: es la oposición que presenta una bobina al pasode la corriente eléctrica cuando esta es variable en el tiempo (corrientealterna). Se representa por la letra XL. Su valor es proporcional a la fre-cuencia y al valor inductivo de la bobina.

L f X L ××= π 2



Unidad didáctica 1


24

Reactancia capacitiva: es la oposición que presenta un condensador alpaso de la corriente eléctrica cuando esta es variable en el tiempo. Suvalor viene definido por la frecuencia de la corriente y el valor de la ca-

pacidad. Se representa por las letras Xc. Su valor es inversamente pro-porcional a la frecuencia de la corriente y al valor capacitivo del con-densador.

C f X c

××=

π 2

1

La unidad de medida de la reactancia al igual que el de la resistencia es el oh-mio ( Ω ).

¿Cómo lo llevas? Esperamos que bien.

Si en algún momento te bloqueas o simplemente no en-

tiendes algún término o descripción, ponte en contacto

con tu tutor o tu entrenador. Ellos te pueden ayudar.

1.4.11. RESISTIVIDAD

La resistividad de un material es la resistencia en ohmios de un conductor cilín-drico de dicho material, de un metro de longitud y un milímetro cuadrado desección.

Figura 10. Dimensiones del conductor de referencia

La resistividad se expresa en Ω·mm2 /m y se representa por la letra griega ro ( ρ ).

Para cada material existe un coeficiente determinado.



25

Unidad didáctica 1


MATERIAL RESISTIVIDAD A 20 °C ( Ω ·mm2 /m )

Aluminio (Al) 0,028

Cobre (Cu) 0,017

Hierro (Fe) 0,12

Plata (Ag) 0,016

Constantán 0,5

Niquelina 0,4

Magnanina 0,43

Microohm 1

La resistencia de un conductor es directamente proporcional a la resistividady a la longitud, e inversamente proporcional a la sección. Es decir, un conductorofrecerá más dificultad al paso de la corriente eléctrica cuanto más largo y másestrecho sea. Además de estar en función del tipo de material con que esté fa-bricado.

S

L Rconductor

⋅= ρ

[R ( Ω ), L (m), S (mm2 ), ( Ω ・mm2 /m)]

Cuando tenemos un cable o conductor en las manos, a menudo no somos ca-paces de determinar a simple vista su sección, pero si disponemos de un cali-bre podremos medir su diámetro y, con ello, calcular la sección del conductor

cilíndrico, ayudados por la siguiente fórmula:

4

2 DS

⋅= π

Si conocemos el radio:

2r S ⋅= π


¿Cuál es la resistencia de un cable de cobre de 150 m de

longitud y una sección de 1,5 mm2?

Solución:

1,7Ω.



Unidad didáctica 1


26

2. MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

2.1. CONCEPTOS Y LEYES BÁSICAS

Se llama magnetismo a la propiedad que tienen algunos cuerpos de atraer elhierro y sus derivados. A los cuerpos que tienen esta propiedad se les llamaimanes. También se les conoce como materiales ferromagnéticos, que puedenser metales, como el hierro, cobalto y níquel, o pueden ser cerámicos, como laferrita.

Los imanes están constituidos por partículas muy pequeñas, que pueden consi-derarse como diminutos imanes, que al orientarse en el mismo sentido sumansus fuerzas de atracción, constituyendo así la fuerza que ejerce el imán. A estaspartículas se les llama dipolos magnéticos.

Imán es todo cuerpo capaz de atraer al hierro y sus deri-

vados.

Figura 11. Imán



27

Unidad didáctica 1


Clasificación

Existen dos clases de imanes:

Naturales: los que poseen la propiedad magnética por naturaleza.

Artificiales: los que han adquirido las propiedades magnéticas por me-dios artificiales. Dependiendo de la duración de sus propiedades, pue-den ser:

Permanentes: son aquellos que mantienen las propiedadesmagnéticas después de cesar la causa que las producía.

Temporales: son aquellos en los que desaparecen las propieda-des magnéticas cuando cesa la causa que las producía.

Si una barra de acero se frota siempre en el mismo sentido contra la magnetita(piedra imán formada por hierro y oxígeno) se convierte en un imán y, aunque sedeje de frotar, conserva todas las propiedades de los imanes y se convierte enimán permanente.

Si hacemos la prueba con una barra de hierro dulce, al dejar de frotarla pierdetodas las propiedades magnéticas. Es un imán temporal.

Otras formas de crear un imán son por influencia, acercándolos a otro imán, ypor la acción de una corriente eléctrica, electroimán. Los golpes y la elevaciónde la temperatura disminuyen la propiedad magnética.

Recuerda que, aunque en ocasiones te resulte dura esta

fase del estudio, tu confianza, tu actitud positiva y tu per-

severancia son las claves para el triunfo.

Polos magnéticos

El magnetismo está localizado en los extremos, llamados polos. Todos los ima-nes tienen dos polos inseparables, norte y sur, con carga positiva y negativarespectivamente. Si partimos un imán, en los extremos del mismo aparecerá unpolo norte y un polo sur. Al igual que ocurre con la corriente eléctrica, cargas delmismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen. A diferencia de la elec-tricidad en el magnetismo, no existen los cuerpos aislantes.



Unidad didáctica 1


28

Figura 12. Atracción y repulsión de imanes

Si suspendemos un imán de un hilo, de forma que quede horizontal, podremoscomprobar que se orienta siempre en una dirección, coincidiendo el polo nortedel imán con el polo Norte geográfico de la Tierra. En este efecto está basado el

funcionamiento de las brújulas.

Campo magnético

El campo magnético es el espacio donde se manifiestan las acciones magnéti-cas. Se representa por las líneas de fuerza, las cuales salen del polo norte y en-tran por el polo sur. Toda línea de fuerza es continua e ininterrumpida.

Figura 13. Campo magnético

2.2. CIRCUITOS MAGNÉTICOS Y CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA

Como decíamos anteriormente, existe un flujo de líneas de fuerza que salen alexterior por el polo norte y entran de nuevo por el polo sur. Por otra parte, eserecorrido se cierra en el interior del imán, donde las líneas de fuerza van del polosur al polo norte.

A este bucle de líneas de fuerza se le da el nombre de circuito magnético.



29

Unidad didáctica 1


Figura 14. Circuito magnético

El circuito magnético, a diferencia del eléctrico, no puede abrirse, es decir, laslíneas de fuerza no pueden ser suprimidas ni interrumpidas, dado que no existe

ninguna sustancia capaz de aislar el magnetismo.

Clasificación de los circuitos magnéticos

Los circuitos magnéticos pueden ser:

Homogéneos: son aquellos en que todas las partes del circuito son dela misma naturaleza, misma sección y la inducción no varía a lo largodel circuito.

Heterogéneos: son aquellos en que las partes del circuito varían en na-

turaleza y/o en sección y cuya inducción es variable a lo largo del cir-cuito.

Inducción es el número de líneas de fuerza por unidad de

superficie.

Electromagnetismo

Existe una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo mediante lacual es posible realizar una conversión de energía entre ellos. El estudio de larelación entre ambos fenómenos se conoce como electromagnetismo.

Al hacer circular una corriente eléctrica por un conductor rectilíneo se crea uncampo magnético cuyas líneas de fuerza son circunferencias concéntricas per-pendiculares al conductor.



Unidad didáctica 1


30

Figura 15. Líneas de fuerza del campo magnético creado por la corriente que circula a través de un conductor

Para determinar el sentido de giro del campo magnético se aplica la regla de lamano derecha.

Regla de la mano derecha

La regla de la mano derecha dice que abrazando el conductor con la mano de-recha, colocando el pulgar orientado en el sentido de la corriente eléctrica (I), el

sentido de las líneas de fuerza del campo magnético coincide con el sentido delos dedos al abrazar el conductor.

Figura 16. Regla de la mano derecha

Regla del pulgar

Si ahora arrollamos, en forma helicoidal, un conductor esmaltado (para evitar elcontacto eléctrico entre las espiras) obtendremos un solenoide o bobina, que alhacer circular una corriente eléctrica a través suyo, se convierte en un imán,adoptando todas sus propiedades.



31

Unidad didáctica 1


Para determinar qué extremo es el polo norte, se agarra el solenoide con la ma-no derecha, de modo que los dedos sigan la dirección de la corriente por lasespiras. Así, el pulgar apuntará al polo norte del imán.

Figura 17. Regla del pulgar

Electroimán

Un electroimán es un solenoide o bobina a través de cuyas espiras circula unacorriente eléctrica que genera un campo magnético y en cuyo interior se ha colo-cado un núcleo de hierro dulce. El electroimán es, por tanto, un imán temporal.

Circuitos magnéticos con electroimán

El uso del electroimán proporciona mayor versatilidad para conseguir circuitosmagnéticos heterogéneos adaptados a los requerimientos deseados.

Figura 18. Circuito magnético con electroimán

Modificando los materiales y secciones de los elementos que componen elnúcleo magnético pueden modificarse las magnitudes magnéticas del imán.



Unidad didáctica 1


32

Figura 19. Circuito magnético con núcleo de diferentes materiales y secciones

¿Estás preparado para enfrentarte a este apartado?

Tómatelo en serio, pero sin agobios; se trata de compren-

der, no de memorizar.

2.3. MAGNITUDES MAGNÉTICAS

Las magnitudes magnéticas cuantifican con precisión todas las característicasreferentes al magnetismo, estableciendo escalas de valores a cada parámetro.

Comprobarás que existen claras analogías entre las magnitudes magnéticas ylas magnitudes eléctricas.

2.3.1. F LUJO MAGNÉTICO

Se llama flujo magnético al número de líneas de fuerza que atraviesan una su-perficie colocada dentro de un campo magnético. Se representa por la letragriega fi, ( φ ) y se mide en maxwell (Mx). Otra unidad empleada es el weber (Wb),

que equivale a 10 Mx.



Unidad didáctica 1


34

2.3.3. INDUCCIÓN MAGNÉTICA

La inducción magnética o densidad de flujo es el número de líneas de fuerzaque atraviesan, perpendicularmente, a la unidad de superficie colocada en unpunto específico. Se representa por la letra “B” y su unidad es el tesla (T).

Para su cálculo se aplica la siguiente fórmula:

S B

Φ=

Donde: Ф es el flujo magnético, medido en webers (Wb).

S es la superficie, medida en metros cuadrados (m2 ).

2.3.4. RELUCTANCIA

Reluctancia es la resistencia que presenta un material a verse influido por elcampo magnético. Se representa por la letra R y su unidad es el amperio vuelta

por weber (AV / weber ).

La reluctancia puede calcularse aplicando la siguiente expresión:

A

l R

⋅= µ

Donde:

l es la longitud del circuito, medida en metros (m).

μ es la permeabilidad magnética, medida en henrios por metro (H/m).

A es el área, medida en metros cuadrados (m 2 ).

2.3.5. PERMEABILIDAD MAGNÉTICA

La permeabilidad magnética ( μ ) es la facilidad que presentan los cuerpos alpaso del flujo magnético. Se define como la relación entre la inducción magnéti-ca y el campo magnético:



35

Unidad didáctica 1


H

B= µ

Donde:

B es la inducción magnética.

H es la intensidad de campo magnético.

La permeabilidad magnética es una característica útil y distintiva del comporta-miento magnético de los materiales. Esta depende de cómo se magnetice dichomaterial. Generalmente los materiales magnéticos, que son fácilmente magneti-zables, tienen alto valor de permeabilidad.

Los materiales, dependiendo de su permeabilidad, presentan diferentes com-

portamientos frente al campo magnético:

Comportamiento ferromagnético ( μ > 1). Metales como el acero, elhierro o el cobalto, entre otros, hacen que el flujo magnético se concen-tre al pasar a través de ellos. Estos materiales tienen la propiedad deimantarse fácilmente.

Figura 21. Material ferromagnético

Comportamiento paramagnético ( μ = 1). Metales como el aluminio, elcromo o el litio, entre muchos otros, no provocan ningún cambio en elflujo magnético cuando este los atraviesa. Estos materiales apenas seimantan.

Figura 22. Material paramagnético

Comportamiento diamagnético ( μ

< 1). Metales como la plata, el co-bre, el oro o el bismuto producen la dispersión del flujo magnéticocuando este los atraviesa, por tanto, debilitan la inducción magnética.Estos materiales apenas se imantan.



Unidad didáctica 1


36

Figura 23. Material diamagnético

2.3.6. ANALOGÍA ENTRE MAGNITUDES ELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS

CIRCUITO ELÉCTRICO CIRCUITO M GNÉTICO

E, intensidad del campo eléctrico H, intensidad de campo magnético

J, densidad de corriente B, densidad de flujo

I, corriente eléctrica Ф , flujo magnético

e, fuerza electromotriz F, fuerza magnetomotriz

σ, conductividad μ, permeabilidad

R, resistencia R, reluctancia

Tal vez es el momento de descansar un poco, de tomarte

un respiro.

Te vas a enfrentar a un tema denso pero importante, así

que toma fuerzas.



37

Unidad didáctica 1


3. CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Cuando dos cargas eléctricas distintas se unen mediante un conductor, se esta-blece una corriente eléctrica de la carga positiva a la negativa, que trata de com-pensar el desequilibrio entre las cargas. El bucle queda cerrado en el interior de lafuente de tensión o corriente donde los electrones fluyen de la carga negativa a lapositiva; de esta manera, queda establecido un circuito eléctrico.

Circuito eléctrico es el conjunto de componentes conectados entre sí, a travésde los cuales fluye la corriente eléctrica con salida y retorno del generador, elcual produce la fuerza impulsora de los electrones.

En todo circuito eléctrico con flujo de electrones, circula una corriente, hay unvoltaje y se presenta una resistencia.

Comúnmente, un circuito eléctrico está formado por un generador o fuente dealimentación, un interruptor o elemento de control, un receptor como puede seruna lámpara, un motor, etcétera; y el conductor que une todos los componentes.

Un circuito eléctrico puede presentarse en dos situaciones:

Abierto: no habrá paso de electrones, al estar interrumpido el circuito através del interruptor.

Cerrado: habrá paso de electrones, debido a que el circuito queda co-nectado, cerrado a través del interruptor.

Figura 24. Circuito abierto y circuito cerrado



Unidad didáctica 1


38

El generador mantiene una tensión fija entre sus extremos,

de modo que cuando se le conecta el circuito eléctrico es-

tablece una corriente eléctrica a través de él.

3.1. CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

Los circuitos de corriente continua son aquellos en los que la fuente de tensiónque los alimenta mantiene su valor constante en el tiempo. Un claro ejemplo es

un circuito alimentado por una batería.

Como ya hemos comentado, el circuito más básico consiste en una resistenciaconectada a una fuente de tensión continua.

Figura 25. Circuito resistivo

Para calcular las magnitudes de tensión, intensidad y resistencia del circuito, seaplica la ley de Ohm.

Ley de Ohm

La ley de Ohm es la ley básica de la electricidad, establece la relación entre lasmagnitudes de tensión, resistencia y corriente.

La ley de Ohm formula que la intensidad de corriente que

circula por un circuito es directamente proporcional a la

diferencia de potencial a que está sometido e inversamen-

te proporcional a la resistencia del mismo.

R

V I =



39

Unidad didáctica 1


Despejando de esta fórmula se obtienen las otras magnitudes:

R I V ×=

I V R =

Quizá este triángulo te sirva de ayuda para recordar la re-

lación entre las tres magnitudes que establece la ley de

Ohm. Si quieres calcular la tensión, tapamos V y queda I x

R; si queremos calcular la resistencia, tapamos R y queda

V / I; y si queremos calcular la corriente, tapamos I y que-

da V / R.

3.2. CIRCUITOS MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS DE CORRIENTEALTERNA

La onda senoidal viene descrita por un alternador que, al describir una vuelta degiro en función de los polos magnéticos, describe un ciclo o periodo de la señal,tal y como se observa en la siguiente figura.

Figura 26. Señal senoidal

Al tratarse de una corriente alterna, aparecerán fenómenos que variarán en fun-ción de los receptores que se utilicen, resistencias, condensadores y bobinas.



Unidad didáctica 1


40

3.2.1. CIRCUITOS MONOFÁSICOS

Los circuitos monofásicos se basan en la conexión entre una de las fases y elneutro de la red.

3.2.1.1. Circuito con resistencia

Una señal senoidal aplicada sobre una resistencia pura se comporta como uncircuito en corriente continua, por tanto puede aplicarse la ley de Ohm para elcálculo de sus magnitudes.

Figura 27. Circuito eléctrico con resistencia

En este caso no hay desfase entre la señal de tensión y de corriente por el efec-

to óhmico de la resistencia. Lo podemos apreciar en la siguiente figura.

Figura 28. Tensión e intensidad en fase



41

Unidad didáctica 1


La impedancia (Z) es la oposición que presenta un circuitoeléctrico al paso de la corriente cuando esta es variable en

el tiempo, es decir, corriente alterna.

La impedancia está formada por tres componentes:

Resistencia (R).

Reactancia inductiva (XL).

Reactancia capacitiva (Xc).

El valor de la impedancia se obtiene aplicando la siguiente

fórmula:

C

X

−

En un circuito en continua o en alterna, solo con resistencia, al no producirseretraso entre la tensión y la intensidad, la resistencia y la impedancia coinciden.

R = Z

3.2.1.2. Circuito con bobina

En la industria, los circuitos con bobinas son muy usuales debido a la gran can-tidad de componentes que poseen estos. Piensa en la cantidad de motores,transformadores, bobinas electroválvulas, etcétera, que pueden existir en unaindustria.

Figura 29. Circuito eléctrico con bobina



Unidad didáctica 1


42

No olvides anotar en tu ficha sinóptica las cuestiones másrelevantes que en ella indicamos.

En la guía didáctica te explicamos en qué consiste.

Te será fundamental para el repaso de la unidad y para re-

cordar cuando lo precises.

Cuando se le aplica una corriente alterna a una bobina se genera un campomagnético de tipo alterno. De la misma forma, tenemos que los propios conduc-

tores de la bobina se ven sometidos a ese mismo campo alterno y, por tanto, seinduce en ellos una corriente eléctrica. Esta corriente autoinducida tiene siempresentido opuesto a la corriente que lo generó, pero además con un desfase de90º de la intensidad respecto a la tensión.

Este retraso de la intensidad respecto a la tensión provoca que las dos señalesno empiezan y terminan en el mismo punto, lo cual genera la aparición de unfenómeno llamado reactancia inductiva.

Figura 30. Tensión e intensidad desfasadas

La bobina pura produce un retraso en la corriente de 90ºrespecto de la tensión.



43

Unidad didáctica 1


Para diferenciar este tipo de resistencia con bobinas en alterna, a la resistenciade una bobina se le denomina reactancia inductiva, siendo su unidad de medidaen ohmios y designándose por la letra XL.

XL= 2·π·f·L

Donde:

XL= Reactancia inductiva en Ω.

2·π = Una vuelta completa del alternador.

f = Frecuencia de la señal en Hz.

L = Coeficiente de autoinducción en H.

Aplicando la ley de Ohm a un circuito de corriente alterna:

Valor máximo de intensidad:

Imáx. = V máx. / X L

Valor eficaz de intensidad:

Ief. = V ef. / X L

El valor eficaz de una señal de corriente alterna es la dife-

rencia entre el valor máximo y mínimo divido entre 2 .

( )

2

minmax V V V ef

−=

El valor de tensión o corriente siempre se da en valor efi-

caz. Por ejemplo, los 220 V de la red eléctrica es el valor

eficaz.


Tenemos una bobina conectada a la red eléctrica (230 V y

50 Hz) con un coeficiente de autoinducción de 0,1 H. Cal-

cula la intensidad que circulará por el circuito.

Solución:

7,32 A.



Unidad didáctica 1


44

3.2.1.3. Circuito con condensador

De la misma manera que nos podemos encontrar con circuitos que presentanbobinas en la industria, nos podemos encontrar con circuitos eléctricos quecontengan condensadores. Además, ahora verás que los condensadores tienenun efecto contrario al de las bobinas y en ocasiones se colocan para compen-sarlas.

Figura 31. Circuito eléctrico con condensador

La principal función de los condensadores es la de almacenar energía entre susplacas cuando están conectados a una fuente de alimentación que les ofreceelectrones y, de la misma forma, ellos ofrecen los electrones que poseen dentrocuando se les conecta algún elemento que los requiere. Podríamos decir que uncondensador se comporta como un almacén, acumula cuando hay mercancía yabastece a los cuando se la demandan.

Un condensador almacena tensión y una inductancia o

bobina almacena corriente.

Al tratarse de un circuito en alterna, constantemente está cambiando la polari-dad de la fuente y, por tanto, constantemente el condensador está cargándosepositivamente y negativamente.

Pero al igual que en los almacenes, los condensadores no se cargan y se des-cargan instantáneamente, sino que les cuesta un poco cargarse y lo mismo enla descarga, de forma que hay un retraso entre la señal alterna de alimentación yel ritmo con el que un condensador adquiere tensión entre sus placas.

Este retraso de tensión respecto a intensidad provoca que las dos señales noempiecen y terminen en el mismo punto, lo cual genera la aparición de un fenó-meno llamado reactancia capacitiva.



45

Unidad didáctica 1


Figura 32. Intensidad y tensión desfasadas

El condensador produce un ángulo de retraso de la tensiónrespecto a la corriente de 90°.

En este tipo de circuitos, para diferenciar este tipo de resistencia con conden-sadores en alterna, a la resistencia de un condensador se le denomina reactan-cia capacitiva, siendo su unidad de medida en ohmios y designándose por laletra Xc.

Xc = 1 / (2· π·f·C)

Donde:

Xc es la reactancia capacitiva en Ω.

2·π es una vuelta completa del alternador.

f es la frecuencia de la señal en Hz.

C es la capacidad del condensador en F.

Aplicando la ley de Ohm a un circuito de corriente alterna:

Imáx. = V máx. / X c

Ief. = V ef. / X c



Unidad didáctica 1


46


Tenemos un condensador conectado a la red eléctrica (230 V

y 50 Hz) con una capacidad de 1 μF. Determina la intensidadque circulará por el circuito.

Solución:

0,072 A.

3.2.2. CIRCUITO TRIFÁSICO

Es un conjunto de tres corrientes alternas monofásicas de iguales característi-cas y desfasadas entre sí 120°.

En los circuitos trifásicos hay que distinguir dos tipos de tensiones:

Tensión de línea (VL ) a la tensión existente entre dos de las fases de unared trifásica.

Tensión de fase (Vf ) a la tensión entre una fase y el conductor de neutro.

La relación entre ambas es:

F L V V ⋅= 3

3.2.3. CONEXIONES EN ESTRELLA Y TRIÁNGULO

3.2.3.1. Conexión en estrella

Tanto un receptor como un generador trifásico pueden conectarse en estrella,uniendo un terminal de cada elemento en un punto común, llamado neutro, y losotros tres extremos libres a las fases (L1, L2, L3 ). El punto común puede conec-tarse al conductor neutro (N).



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Unidad didáctica 1


Figura 33. Conexión en estrella

En conexión estrella la carga queda conectado a tensión de fase (V F ), es decir,entre una línea y neutro.

Recuerda que aunque en ocasiones te resulte dura esta fa-

se del estudio, tu confianza, tu actitud positiva y tu perse-

verancia son los argumentos clave para el triunfo.

3.2.3.2. Conexión en triángulo

Tanto un receptor como un generador trifásico pueden conectarse en triángulo,uniendo el final de un elemento con el principio, de modo que formen un triángulo.

Figura 34. Conexión en triángulo



Unidad didáctica 1


48

En conexión triángulo la carga queda conectada a tensión de línea (VL ), es decir,entre una línea y otra.

Si comparamos la conexión estrella y la conexión triángu-

lo observamos que la carga conectada en triángulo es

alimentada a una tensión 3 veces superior que la co-

nectada en estrella.

Así pues, en una red trifásica de 380 V, la carga en estrella

quedará alimentada a 220 V y la carga en triángulo a 380

V.

3.3. ESTRUCTURA Y COMPONENTES

Un circuito puede presentar infinidad de formas pero todas ellas pueden dividir-se en dos tipos de estructuras fundamentales, serie y paralelo. A continuaciónveremos cómo se asocian los componentes básicos de un circuito eléctricosegún cuál sea la estructura de este.

Las principales asociaciones que se dan en los circuitos son las de resistencias

y las de condensadores, aunque no deben olvidarse las de bobinas (la denomi-nada autoinducción ). El caso de asociación de bobinas es semejante al de resis-tencias. La única diferencia es que en el caso de las bobinas se habla de auto- inducción en lugar de hablar de resistencias.

Veamos a continuación más detalladamente las asociaciones de resistencias ycondensadores.

3.3.1. ASOCIACIÓN EN SERIE

Esta asociación se caracteriza porque la misma intensidad atraviesa todas las

resistencias.

Figura 35. Asociación de resistencias en serie

Es el típico caso de un grupo de resistencias colocadas una detrás de la otra.En este caso se pueden sustituir todas ellas por una sola resistencia, la denomi-nada equivalente. Esta resistencia tendrá el mismo efecto sobre el circuito quetodas las anteriores.



49

Unidad didáctica 1


Esta resistencia equivalente es la suma de los valores de las resistencias en serie.

RT = R 1 + R 2 + R 3 + … + R n

En las asociaciones en serie la intensidad que circula por

el circuito permanece constante, es decir, que por todas

las resistencias circula la misma corriente, pero la diferen-

cia de potencial entre los terminales de cada resistencia es

diferente y depende del valor de esta.

Figura 36. Asociación serie. Circuitos equivalentes

3.3.2. ASOCIACIÓN EN PARALELO

De la misma manera que en la asociación en serie, en las resistencias en parale-lo se pretende sustituir todas estas resistencias por una resistencia equivalenteque simplifica toda la resolución de circuitos. En este caso la resolución es unpoco más complicada.

La resistencia equivalente de varias resistencias en paralelo se obtiene de lafórmula:

RT =

n

R

R

R

R

...

.



Unidad didáctica 1


50

Siendo n el número total de resistencias en paralelo que hay.

En la estructura paralelo el voltaje que hay entre los ter-

minales de cada resistencia es el mismo en todas ellas, sin

embargo la intensidad que circula por cada resistencia es

diferente.

Figura 37. Asociación paralelo. Circuitos equivalentes

3.3.3. ASOCIACIÓN MIXTA

La asociación mixta no es en realidad una asociación en sí misma, es una com-binación de las asociaciones serie y paralelo.

Un ejemplo de la asociación mixta, de manera sencilla, sería:

Figura 38. Asociación mixta



51

Unidad didáctica 1


En este caso la resistencia equivalente se calcula con los siguientes pasos:

1.º Se calcula la resistencia equivalente de la estructura paralelo, demodo que queda una resistencia equivalente en serie con el resto.

2.º Se resuelve la estructura serie sumando todas las resistencias.

Ejemplo de resolución de estructura mixta con valores:

1.º Ω==+

=

+

= 22

4

4

11

1

11

1

21

)(

R R

R paraleloeq .

2.º Sustituyendo:

RT = R 1 + R 2 + R 3 =1 + 2 + 3 = 6Ω .

3.4. ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES

El condensador es un componente pasivo que está diseñado con el fin de alma-cenar energía electrostática.

Un condensador está formado por dos placas (armaduras) conductoras separa-das por un material dieléctrico (material aislante con la particularidad de quepuede polarizarse). En su interior se establece un campo eléctrico como conse-

cuencia de la polarización dieléctrica. La capacidad de un condensador depen-de del tamaño de sus placas, de la distancia de separación y del material delque esté formado el dieléctrico.

Figura 39. Estructura de un condensador



Unidad didáctica 1


52

Figura 40. Condensador polarizado

La capacidad de un condensador se mide en faradios (F) y viene determinadapor la relación entre la carga almacenada (en culombios) y la tensión entre lasplacas (en voltios).

V

C F =

El faradio resulta una unidad muy grande, por ello se utilizan los siguientessubmúltiplos:

Milifaradio (mF) = 0,001 F (1 x 10-3 F).

Microfaradio ( μF) = 0,000001 F (1 x 10-6 F).

Nanofaradio (nF) = 0,000000001 F (1 x 10-9 F).

Picofaradio (pF) = 0,000000000001 F (1 x 10-12 F).

Los condensadores, a diferencia de las resistencias y las

bobinas, poseen polaridad, es decir, que a la hora de co-

nectarlos hay que prestar atención a cuál es el terminal

positivo y cuál el negativo.

3.4.1. ASOCIACIÓN EN SERIE

Figura 41. Condensadores en serie



53

Unidad didáctica 1


De la misma manera que las resistencias, interesa encontrar un condensadorequivalente a todos ellos. En este caso la fórmula es similar a la de resistenciasen paralelo:

nC1

...3C1

2C1

1C1

1T

C++++

= .

¿Cómo va tu trabajo respecto al plan fijado al principio?

Si necesitas reajustes habla con tu tutor o tu entrenador.

Recuerda que el objetivo que nos hemos planteado conti-go es una carrera de fondo.

3.4.2. ASOCIACIÓN EN PARALELO

Figura 42. Condensadores en paralelo

La fórmula, en este caso, es similar a la de las resistencias en serie:

CT = C 1 + C 2 + ... + C n.

3.4.3. ASOCIACIÓN MIXTA

Figura 43. Condensadores en mixto



Unidad didáctica 1


54

Se resuelve igual que en el caso de las resistencias: primero se hallan los com-ponentes equivalentes de las estructuras en paralelo y después el de la serieresultante.

Encontrar un condensador con una capacidad equivalente

al siguiente esquema:

1.º Se resuelve la parte en paralelo:

C = 4 + 8 = 12 F

2.º Se resuelve la parte en serie:

C = F43

12

1231

1221

1

61

121

1===

+=

+

Visita el Campus Virtual.

Encontrarás más información sobre esta unidad.

3.5. SIMBOLOGÍA Y REPRESENTACIÓN GRÁFICA

Toda la representación de circuitos eléctricos se basa en normativas internacio-nales, de modo que los planos eléctricos puedan ser entendidos por todos de lamisma forma.

A continuación vamos a desarrollar en forma de tabla los símbolos máscomúnmente empleados en los esquemas eléctricos. Debes prestarles atención,pero no intentes memorizarlos todos.



55

Unidad didáctica 1


Simbología de conductores

Se indica a continuación cómo se representan los tipos de corriente y los

conductores en los esquemas eléctricos.



Unidad didáctica 1


56

Simbología de componentes



57

Unidad didáctica 1


Simbología de pilas y generadores

Representación de la corriente eléctrica

Como hemos visto, los electrones salen del polo negativo, recorren el circuito y

van al polo positivo; los electrones son los únicos elementos dentro de un áto-mo que poseen libertad de movimiento en determinadas circunstancias. A estesentido de corriente se le conoce como sentido real de la corriente.

Sin embargo, si nos fijamos en los circuitos, en estos siempre se representa laintensidad saliendo del polo positivo y entrando por el negativo. A este sentidose le conoce como sentido convencional de la corriente, y es el que utilizare-mos siempre.

Figura 44. Sentidos de la corriente



59

Unidad didáctica 1




tiendes algún término o descripción, ponte en contactocon tu tutor o tu entrenador. Ellos te pueden ayudar.

3.6.1. LEYES DE KIRCHHOFF

Las leyes de Kirchhoff, junto con la de Ohm, son las leyes fundamentales de la

electricidad y electrónica; gracias a ellas es posible calcular tensiones y corrien-tes en cualquier parte de un circuito eléctrico.

Las leyes de Kirchhoff son dos, una que define el comportamiento de las co-rrientes y otra que define el comportamiento de las tensiones en un circuitoeléctrico.

Pero antes de conocerlas es importante tener claros los siguientes conceptos:

Nudo: es la unión de dos o más conductores en un circuito, por tantoes un punto donde confluyen varias corrientes.



Unidad didáctica 1


60

Rama: el es segmento de circuito definido entre dos nudos.

Malla: es el conjunto de ramas que forman un circuito cerrado.

1.ª Ley de Kirchhoff. Ley de corrientes o ley de nudos

La suma de corrientes que entran en un nudo es igual a la suma de corrientesque salen.

= salientesentrantes I I

2.ª Ley de Kirchhoff. Ley de tensiones o ley de mallas

En una malla la suma de todas las caídas de tensión en los componentes es igual a la suma de las tensiones aplicadas (f. e. m.), teniendo en cuenta la polari-dad de los generadores.

= me f V R ..



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Unidad didáctica 1


Veamos cómo se resuelve el circuito del ejemplo aplicando las leyes de Kirch-hoff y la ley de Ohm. El objetivo es obtener la corriente que circula por cadaresistencia del circuito (I1, I2, I3 ).

1. Daremos nombre a los nudos (A y B) y definiremos el sentido de las co-rrientes como queramos, puesto que el resultado nos dirá si el sentidoes el que les hemos dado o es el contrario.

2. Aplicamos la 1.ª ley de Kirchhoff:

= salientesentrantes I I I 1 + I 2 = I 3

Aplicando la ley de Ohm y sustituyendo valores, resulta:

k

V V

k

V

k

V

R

V

R

V

R

V B A A A R R R

1210

15

5

5

321

321 −=

−+

−=+

Sabemos que VB = 0 V, por tanto puede eliminarse de la ecuación.

3. Aplicamos la 2.ª ley de Kirchhoff:

= me f V R ..

Como veíamos anteriormente, el circuito está formado por dos mallas.

Malla 1: 315 R R V V += . Aplicando ley de Ohm queda

33115 I R I R ⋅+⋅= , se sustituyen los valores de R:

5 = 5 k I1 + 12 k I3

Malla 2: 3215 R R V V += aplicando la ley de Ohm queda

332215 I R I R ⋅+⋅= . Se sustituyen los valores de R:

15 = 10 k I2 + 12 k I 3

4. Agrupamos las tres ecuaciones obtenidas y observamos que tenemostres ecuaciones para tres incógnitas, por tanto ya podemos resolver elsistema.



Unidad didáctica 1


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k

V

k

V

k

V A A A

1210

15

5

5=

−+

−

5 = 5 k I1 + 12 k I315 = 10 k I2 + 12 k I 3

Resolviendo la 1.ª ecuación se obtiene el valor de tensión del nudo, V A:

V A = 6,52 V

Conociendo la tensión V A resulta muy sencillo calcular la corriente I 3, no hay másque aplicar la ley de Ohm.

A

k R

V I A

µ 543

12

52,60

3

3 ==−

=

Ahora sustituimos I3 en la segunda ecuación y obtendremos I 1:

A I k I k µ 304000543,01255 11 −=⋅+⋅=

El signo negativo nos indica que el sentido de la corriente

es contrario al que hemos supuesto inicialmente

Por último, calcularemos I2, sustituyendo el valor de I3 en la 3.ª ecuación:

A I k I k µ 848000543,0121015 22 =⋅+⋅=

Representando los resultados e interpretando los signos obtenidos de los quedependen los sentidos de las intensidades, el circuito queda de la siguiente ma-

nera:



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Unidad didáctica 1


Trata de resolver el problema en un cuaderno aparte, sin

mirar el desarrollo; compara los resultados con los obteni-dos. Es la mejor forma de saber si lo has entendido.

Si te surge alguna duda ponte en contacto con tu tutor

para resolverla.


Analiza el circuito de la figura y rellena la tabla con los re-

sultados obtenidos. No olvides indicar las unidades de ca-da valor.

Rotal I 1 V 1 V 2 I 2 V 3 I 3

Valores

Solución:

RTotal = 1.687,5 Ω; I1 = 7,11 mA; V1 = 7,11 V; V2 = 4,89 V; I2 = 4,89 mA; V3 =

4,89 V; I3 = 2,22 mA;



Unidad didáctica 1


64

4. REDES ELÉCTRICAS DE BT

La red de distribución de energía eléctrica está formada por las líneas de altatensión y las de baja tensión. La red de alta tensión tiene como misión transpor-tar la energía a largas distancias. El motivo de utilizar tensiones muy altas parael transporte es minimizar las pérdidas. Las pérdidas son proporcionales al cua-drado de la intensidad, por tanto, cuanto mayor sea la tensión menor corrienteserá necesaria para transportar una misma potencia (P = V x I).

Cuando el transporte energético llega a la industria, se transforma a media ten-sión, y cuando llega a las poblaciones se realiza una transformación a baja ten-

sión, más adaptada al consumo, la cual es distribuida a los consumidores através de las redes de baja tensión.



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Unidad didáctica 1



Se denominan redes eléctricas de baja tensión aquellas redes de transporte deenergía eléctrica cuya tensión es inferior a 1.000 V en corriente alterna, o1.500 V en corriente continua.

La red eléctrica de baja tensión parte de la salida del centro de transformación.En España, la tensión de salida de los centros de transformación que conviertende alta a baja tensión es de 230 / 400 V (tensión de fase y tensión de línea res-pectivamente). Estas tensiones vienen establecidas por el Reglamento Elec-trotécnico de Baja Tensión (REBT).

La aplicación de las redes eléctricas de baja tensión es el suministro eléctrico avivienda y pequeña industria.

Se considera baja tensión (BT) aquella inferior a 1.000 V en

c. a. y 1.500 V en c. c. En España las redes eléctricas de ba-

ja tensión son de 230 / 400 V.

4.2. DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES FUNDAMENTALES

En este apartado analizaremos los distintos dispositivos que componen las re-des eléctricas de baja tensión, los cuales dividiremos según el circuito funcionaldonde se aplican.

4.2.1. CIRCUITOS DE GENERACIÓN

El componente fundamental de los circuitos de generación es el propio genera-dor eléctrico. Basándonos en su fundamento de obtención de energía eléctrica

podemos diferenciar dos tipos: el alternador y paneles fotovoltaicos.

Alternador

A excepción de la energía solar fotovoltaica, todos los demás métodos de gene-ración eléctrica utilizan un alternador, movido mediante una turbina, lo quecambia es la fuente primaria de energía que hace mover la turbina (termoeléctri-ca, hidroeléctrica, eólica…).

Un alternador es una maquina eléctrica cuyo funcionamiento es inverso al delmotor, es decir, transforma la energía mecánica aplicada a su eje en energíaeléctrica en forma de corriente alterna, de ahí su nombre.



Unidad didáctica 1


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El alternador está constituido principalmente por dos partes: el inductor, quees el que crea el campo magnético; y el inducido, que está formado por el bobi-nado, el cual, al ser atravesado por el campo magnético, produce corriente

eléctrica.

Figura 46. Principio básico de funcionamiento del alternador

Los tipos de alternadores más utilizados en redes de baja tensión, dependiendode la energía primaria que hace mover la turbina, son:

Grupos electrógenos: son máquinas que utilizan un motor de combus-tión interna, para hacer mover el eje del alternador. Son muy utilizadoscomo sistemas de apoyo a la red eléctrica de suministro para abasteceren caso de emergencia.

Aerogeneradores de baja potencia: son alternadores movidos por turbi-na eólica, es decir, que aprovechan la energía del viento para mover eleje del alternador. En la figura podemos ver las diferentes partes de lasque está compuesto.

Figura 47. Esquema de un aerogenerador



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Unidad didáctica 1


Generador hidroeléctrico: son alternadores movidos por una turbinaque transmite la energía cinética de una corriente de agua al eje del al-ternador; dicho de otra forma, aprovecha la energía de un salto de agua

para mover el eje del alternador.

Figura 48. Generación hidroeléctrica

Paneles fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos transforman la energía solar en energía eléctrica. Elefecto fotovoltaico aprovecha la energía radiante del Sol, en forma de fotones,para generar electricidad por medio de un semiconductor conectado a un circui-to. Los fotones inciden sobre el semiconductor excitando los electrones delmismo, que se ponen en movimiento generando así una corriente eléctrica.

Figura 49. Generación solar fotovoltaica



Unidad didáctica 1


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Los paneles solares producen energía eléctrica en forma de corriente continua,de modo que es necesario un inversor para poder transformarla a corriente al-terna.

Un inversor es un dispositivo electrónico cuya función

básica es transformar la corriente continua en alterna,

además de adaptar esta corriente en frecuencia y tensión

a los valores típicos de la red eléctrica convencional. Se

representa por el siguiente símbolo eléctrico:

4.2.2. CIRCUITOS DE CONTROL Y SERVICIOS AUXILIARES

Circuitos de control son aquellos cuya función es hacer posible la configuracióny manipulación de la red eléctrica. En este apartado veremos los principalescomponentes que nos podemos encontrar en los circuitos de control y serviciosauxiliares.

La expresión “servicios auxiliares” hace referencia al con-

junto de todos aquellos dispositivos y circuitos cuya utili-

dad es el funcionamiento, control, medida y protección de

la red eléctrica.

Relé

El relé es un dispositivo electromecánico cuya finalidad es la conexión y desco-nexión de un circuito cuya potencia es mucho mayor que la del circuito de con-trol.



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Unidad didáctica 1


En ausencia de excitación eléctrica, el relé se encuentra en su estado estable,permaneciendo sus contactos abiertos sin son del tipo NA (normalmente abier-tos) o cerrados sin de tipo NC (normalmente cerrados). Cuando se le aplica co-

rriente a los terminales de control, esta fluye por la boina creando un campomagnético y, en consecuencia, formando un electroimán que vencerá la resis-tencia del muelle y atraerá la lámina basculante, produciendo la conmutación delos contactos.

Figura 50. Relé en sus dos estados posibles

Contactor

El contactor es un componente electromecánico cuya finalidad es permitir obloquear el paso de corriente eléctrica a un receptor o instalación mediante unaseñal eléctrica de control.

El contactor tiene dos estados posibles: estado estable o de reposo, que es elestado en el que se encuentra en ausencia de excitación eléctrica; y estadoinestable o activo, que es el estado en el que se encuentra mientras se le man-tiene una excitación eléctrica entre sus terminales de alimentación.

Figura 51. Contactor



Unidad didáctica 1


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Entre los diferentes tipos de contactores que existen nos centraremos en los detipo electromagnético, ya que son los más utilizados en instalaciones eléctricas.

Los contactores electromagnéticos están formados principalmente por la bobi-na, el núcleo y la armadura que conforman el circuito magnético y por los contac-tos.

La bobina es un arrollamiento de hilo de cobre esmaltado que, cuandose hace circular una corriente eléctrica por él, se genera un campomagnético en el núcleo, formándose de este modo un electroimán.

El núcleo es una parte metálica de material ferromagnético que va co-locado en el interior de la bobina y cuya finalidad es concentrar el flujomagnético que genera la bobina para que adquiera la intensidad nece-saria para atraer con fuerza la armadura.

La armadura es una parte móvil hecha del mismo material que el núcleoy separada de este bajo la acción de un muelle. Su función es transmitir

el movimiento a los contactos cuando es atraída por el núcleo con lafuerza suficiente como para vencer la resistencia de dicho muelle.

Los contactos son elementos conductores que van unidos a la armaduray, cuando esta es atraída, interrumpen y establecen el paso de corriente asu través. Existen dos tipos de contactos, los principales y los auxiliares.

Los contactos principales permiten o bloquean el paso de co-rriente desde la red eléctrica al aparato de consumo o instalación.

Los contactos auxiliares permiten o bloquean el paso de corrientea los circuitos de control y mando, elementos de señalización, obobinas de otros contactores. Su finalidad es proporcionar infor-mación a otros dispositivos del estado en el que se encuentra elcontactor. Estos contactos están dimensionados para intensida-des muy pequeñas.

Figura 52. Esquema de un contactor electromagnético



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Unidad didáctica 1


Interruptor diferencial

El interruptor diferencial tiene como misión desconectar la instalación eléctrica

de forma rápida cuando existe una fuga a tierra, con lo que la instalación sedesconectará antes de que alguien toque el aparato averiado. En caso de queuna persona toque una parte activa, el interruptor diferencial desconectará lainstalación en un tiempo lo suficientemente corto como para no provocar dañosgraves a la persona.

Los interruptores diferenciales se caracterizan por tener diferentes sensibilida-des. La sensibilidad es el valor que aparece en catálogo y que identifica al mo-delo, sirve para diferenciar el valor de la corriente a la que se quiere que dispareel diferencial.

Los interruptores diferenciales pueden clasificarse dependiendo de su sensibili-

dad en:

Muy alta sensibilidad: 10 mA.

Alta sensibilidad: 30 mA.

Sensibilidad normal: 100 y 300 mA.

Baja sensibilidad: 0,5 y 1 mA.

Figura 53. Interruptor diferencial

Interruptor automático magnetotérmico

Es un dispositivo concebido para la protección de receptores eléctricos contrasobreintensidades. Incorpora un doble sistema de protección:



Unidad didáctica 1


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Protección por efecto magnético. Está basado en el efecto electroimán.Se hace circular la corriente por una bobina, de modo que si esta co-rriente supera un determinado valor se genera el campo magnético su-

ficiente para desplazar al núcleo y abrir el contacto.

Figura 54. Detalle del dispositivo magnético

Protección por efecto térmico. La corriente circula a través de un hilo

arrollado a un elemento bimetálico con diferentes coeficientes de dila-tación. Dado que al calentarse los metales tienden a separarse, cuandose alcanza un determinado valor de corriente la separación entre am-bos metales produce la apertura del circuito.

Figura 55. Detalle del dispositivo térmico



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Unidad didáctica 1


Cortacircuitos fusible

La misión del fusible es la de proteger las líneas de suministro de corriente anteposibles cortocircuitos.

Su principio de funcionamiento se basa en el efecto Joule, cuando dos puntossometidos a tensión (d. d. p.) tienen una resistencia nula (cortocircuito), la inten-sidad que por ellos pasa es máxima. Como consecuencia, la disipación de caloren un conductor es muy grande hasta el punto de llegar a fundirlo. Este fenó-meno es aprovechado para la protección de circuitos mediante la inserción defusibles. Si se produce una sobreintensidad, no dañará a ningún componentedel circuito, puesto que el fusible se fundirá no dejando pasar la corriente a losdemás componentes. Para que el fusible sea efectivo debe elegirse con unacorriente de fusión inferior a la que puede dañar los demás componentes delcircuito, pero superior a la corriente normal de funcionamiento.

Figura 56. Detalle de un fusible fundido




con tu tutor o tu entrenador. Ellos te pueden ayudar.



Unidad didáctica 1


74

4.3. ESQUEMAS ELÉCTRICOS DE BT, DISPOSITIVOS DE MANIOBRA,CORTE Y PROTECCIÓN

Según el REBT, en su ITC-BT-17, los dispositivos de maniobra, corte y protec-ción que debe incorporar una instalación eléctrica de baja tensión serán, comomínimo:

Un interruptor general automático de corte omnipolar, que permita suaccionamiento manual y que esté dotado de elementos de proteccióncontra sobrecarga y cortocircuitos. Este interruptor será independientedel interruptor de control de potencia.

Un interruptor diferencial general, destinado a la protección contra con-

tactos indirectos de todos los circuitos. Dispositivos de corte omnipolar, destinados a la protección contra so-

brecargas y cortocircuitos de cada uno de los circuitos interiores de lavivienda o local.

Dispositivo de protección contra sobretensiones, si fuese necesario.

Descripción e instalación de los dispositivos de maniobra, corte y

protección

El interruptor general automático (IGA) es un interruptor magnetotérmico que

protege la instalación de sobrecargas o cortocircuitos. Se utiliza como dispositi-vo de corte general de toda la instalación, por lo que se instala a la entrada de lamisma.

El interruptor diferencial (ID) tiene como misión desconectar la instalación eléc-trica de forma inmediata cuando existe una fuga de corriente en un aparato deconsumo. En caso de que una persona toque un conductor, el interruptor dife-rencial desconectará la instalación en un tiempo lo suficientemente corto comopara no provocar daños graves a la persona. El interruptor diferencial se insta-lará a continuación del IGA.

Los interruptores automáticos omnipolares (IA) tienen como misión cortar indivi-dualmente cada circuito de la instalación, por tanto serán colocados aguas abajo del ID y habrá uno para cada circuito.

Todos estos elementos deben situarse lo más cerca posible de la entrada de laderivación individual e irán instalados en un cuadro eléctrico.



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Unidad didáctica 1


Figura 57. Cuadro eléctrico de vivienda. Conexión entre dispositivos



Unidad didáctica 1


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5. CENTROS DE TRANSFORMACIÓN

Gracias a las subestaciones transformadoras y centros de transformación esposible disponer de energía eléctrica en nuestras viviendas, puesto que estoshacen posible un transporte eficiente de esta desde los centros de producción

hasta los centros de consumo, separados, en ocasiones, miles de kilómetros.


Los generadores eléctricos proporcionan potencias muy elevadas con voltajesde media y baja tensión (de 3 a 24 kV), lo que supone grandes corrientes. Parael transporte de esta potencia es necesario elevar la tensión a valores de alta(400 kV), con el fin de reducir la corriente y, por consiguiente, las pérdidas pro-ducidas en los cables (Ppérdida = R x I 2 ) y las caídas de tensión en ellos (V cable =R

cable x I). Una vez alcanzados los centros de consumo, la tensión vuelve a ser

reducida en subestaciones de transformación a valores de media para el con-sumo industrial y, posteriormente, reducida en centros de transformación abaja tensión para el consumo urbano.

Figura 58. Generación, transporte y distribución de energía eléctrica



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Unidad didáctica 1


Según el Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad enCentrales Eléctricas, Subestaciones, y Centros de Transformación(RCTGSCESCT), se denomina centro de transformación (CT) “a la instalación

provista de uno o varios transformadores reductores de MT a BT, incluyendo laparamenta y obra necesaria”.

Los CT transforman tensiones de entrada comúnmente de entre 30 y 3 kV atensiones de salida trifásicas de 400/230 V (tensión entre dos fases / tensiónentre una fase y neutro).




5.2. DISPOSICIONES HABITUALES

Habitualmente los centros de trasformación se instalan en las siguientes ubica-ciones:

Centros de transformación de interior. Edificios independientes. Estas construcciones suelen ser casetas

prefabricadas o de obra fija, subterráneas o en superficie. Se hallanen espacios abiertos, urbanizaciones o polígonos industriales.

Figura 59. CT en caseta de obra



Unidad didáctica 1


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Figura 60. CT en caseta prefabricada subterránea

Edificio destinado a otros usos, como puede ser el caso de vi-viendas o locales comerciales. Se hallan en la planta baja o sóta-no, donde el habitáculo debe estar única y específicamente desti-nado a este uso.

Centros de transformación de exterior o intemperie.

Sobre poste. Este tipo de disposición es utilizada para pequeñoscentros de transformación de poca potencia (hasta 160 kVA). Eltransformador y la aparamenta necesaria son instalados sobreapoyos fijados a un poste.

Figura 61. CT sobre poste



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Unidad didáctica 1


5.3. ESQUEMAS

Un centro de transformación está formado por dispositivos de maniobra, corte yprotección, dispositivos de medida, el elemento principal, que es el transforma-dor, y las líneas de entrada y salida. A continuación vamos a ver cómo van in-terconectados todos componentes, para lo cual analizaremos diferentes es-quemas.

Para interpretar los esquemas es necesario conocer de antemano la simbologíautilizada en ellos:

En la siguiente figura se muestra el esquema eléctrico de un centro de transfor-mación de intemperie. Como se observa, la línea de entrada de media tensiónestá protegida contra descarga de rayos. Esta línea puede ser cortada mediante



Unidad didáctica 1


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un interruptor con fusible incorporado que permite dejar sin tensión al transfor-mador y además protege frente a cortocircuitos o sobreintensidades. Las sali-das de baja tensión están protegidas con fusibles para evitar que un cortocircui-

to en las líneas de salida pueda dañar el transformador de potencia.

Figura 62. Esquema de un centro de transformación de intemperie

A continuación podemos analizar el esquema eléctrico de un centro de trans-formación de caseta prefabricada. Este CT es de mayor potencia que el del es-quema anterior, dispone de más dispositivos de control y protección e incorporaelementos de medida.

Figura 63. Esquema eléctrico de un CT de interior



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Unidad didáctica 1


Observa y analiza detenidamente la figura anterior duran-

te unos minutos. Observa la interconexión de los dispositi-vos desde la entrada de la línea de MT (a la izquierda de la

figura) hasta la salida de BT (a la derecha.

Puede observarse como los dispositivos están distribuidos en diferentes celdasfuncionales, las cuales vamos a analizar a continuación.

5.4. TIPOS Y FUNCIONES DE LAS CELDAS DE MTComo hemos visto, los dispositivos, según la función del circuito que confor-man, se distribuyen en celdas. En un centro de transformación pueden existirlos siguientes tipos de celdas:

Celda de entrada de línea. Esta es la celda de recepción del cable delínea de MT que alimenta el CT. Está equipada con un interruptor sec-cionador y un seccionador de puesta a tierra para evitar accidentescuando se trabaja con los cables.

Celda de salida de línea. Esta celda tiene como función cortar el pasode corriente al conductor de salida con destino a otros CT. Al igual quela de entrada está equipada con un interruptor seccionador y un sec-cionador de puesta a tierra.

Tranquilo, el objetivo no es que memorices todos los tipos

de celdas y de qué están compuestas, sino que sepas que

los elementos se agrupan en celdas según la función que

desarrollan y que veas los diferentes tipos que puedes en-

contrarte en un centro de transformación.

Celda de seccionamiento. Tiene la función de cortar el suministro alabonado. La celda está constituida por un seccionador si la potencia esinferior a 1.000 kVA o por un interruptor automático si es superior.

Celdas de protección. Tienen la función de proteger contra sobrecargasy cortocircuitos cada transformador del CT. Deberá haber una celda deprotección para cada transformador y, en el caso de que existamás de uno, será necesaria una celda adicional para la protección ge-



Unidad didáctica 1


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neral de todos los ellos. Estas celdas constan de un interruptor seccio-nador con fusible incorporado y además equipan un relé de proteccióncontra derivaciones a tierra.

Celda de medida. Esta celda contiene los dispositivos de medida delcentro de transformación. Estos dispositivos consisten en tres peque-ños transformadores de corriente para medida de intensidad, tres detensión para la medida de voltaje y contadores de potencia activa, re-activa y aparente.

Celda de transformación. Es la destinada a alojar el transformador depotencia. Deberá estar protegida por muros y dotada de ventilación, yasea natural o artificial.

5.5. DISPOSITIVOS DE MANIOBRA, CORTE Y PROTECCIÓNLos dispositivos de maniobra, corte y protección posibilitan el control los siste-mas eléctricos a voluntad del personal especializado, además de proporcionarmedidas de protección tanto a los equipos como a las personas.

Te recomendamos que retengas bien los conocimientos que

exponemos en este apartado, porque te resultarán útiles en

tu vida laboral.

A continuación vamos a ver cuáles son y en qué consisten los diferentes dispo-sitivos de maniobra, corte y protección, para lo cual utilizaremos las definicionesrecogidas en la instrucción MIE-RAT 01.

Seccionador

Aparato mecánico de conexión que, por razones de seguridad, en posiciónabierto, asegura una distancia de seccionamiento que satisface a condicionesespecificadas.

Un seccionador es capaz de abrir y cerrar un circuito cuando es despreciable lacorriente que hay que interrumpir o establecer. Es decir, es un dispositivo deseguridad sobre el que únicamente se debe actuar cuando el circuito seencuentra en ausencia de tensión. Para cortar la alimentación a una parte dela instalación, primero será necesario abrir el interruptor principal y, posterior-mente, el seccionador; de esta manera, en caso de que el interruptor principalfuese cerrado accidentalmente, el seccionador impediría el paso de corriente alcircuito.



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Unidad didáctica 1


Interruptor

Aparato dotado de poder de corte, destinado a efectuar la apertura y el cierre

de un circuito, que tiene, dos posiciones en las que puede permanecer en au-sencia de acción exterior y que corresponden, una a la apertura y la otra al cie-rre del circuito.

Interruptor-seccionador

Es un interruptor que en condiciones de circuito abierto tienen la misma capaci-dad de aislamiento que un seccionador.

Interruptor automático

Interruptor capaz de establecer, mantener e interrumpir la intensidad de la co-rriente de servicio, o de interrumpir automáticamente o establecer, en condicio-nes predeterminadas, intensidades de corriente anormalmente elevadas, talescomo las corrientes de cortocircuito.

Seccionadores de puesta a tierra

Son dispositivos mecánicos de conexión utilizados para poner a tierra un circui-to eléctrico o parte de una instalación.

Autoválvulas

Son dispositivos de protección frente a rayos y sobretensiones. Podría decirseque son pararrayos de resistencia variable. La finalidad de las autoválvulas esproteger a los transformadores de sobretensiones.



Unidad didáctica 1


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6. PILAS Y ACUMULADORES

En todo circuito eléctrico es necesaria una fuente de energía que sea capaz deponer en movimiento a los electrones. A esta fuente la llamamos generador. Siexisten dos tipos de corriente, continua y alterna, es porque existen dos tiposde generadores —alternadores y pilas o acumuladores—.

6.1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN

Una pila es un generador eléctrico que utiliza la energía

que se produce en el proceso químico que tiene lugar en-

tre los compuestos de los que está formada para producir

energía eléctrica.

Las pilas se componen de un número variable de celdas electroquímicas. Cada

celda está compuesta de dos electrodos, uno positivo y otro negativo. Mientrasla batería se está descargando se produce un cambio electroquímico entre losdistintos materiales y los dos electrodos. Los electrones son transportados en-tre el electrodo positivo y el negativo a través del circuito eléctrico externo.

Las pilas pueden ser de dos tipos, primarias o secundarias.

Las primarias no son recargables, es decir, que al consumirse la sus-tancia química (electrolito sólido) que provoca la reacción entre loselectrodos, no existe posibilidad de que vuelva a producir energía eléc-trica. Las más conocidas son las salinas, las alcalinas y de las debotón.



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Unidad didáctica 1


Las secundarias, también conocidas como acumuladores, una vezagotada la sustancia que provoca la reacción química, pueden recar-garse haciendo pasar a través de ellas una corriente eléctrica continua.

La conexión de estas pilas en serie da lugar a una batería de acumula-dores, de ahí el nombre de batería.

A partir de ahora, cuando hablemos de pilas nos referire-

mos a elementos no recargables y cuando hablemos de

acumuladores nos referiremos a elementos recargables.

6.2. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Y TECNOLÓGICOS

Veamos las diferentes partes de las que está formada una batería:

Placas positivas: el material activo contiene óxido de plomo, y las reji-llas son de aleación plomo-estaño-calcio.

Placas negativas: el material activo contiene plomo esponjoso y las rejillas son de aleación plomo-estaño-calcio.

Electrolitos: se utiliza ácido sulfúrico diluido para la conducción de io-nes en la reacción electroquímica que sucede dentro de la batería.

Separadores: los separadores conservan el electrolito. También impi-den cortocircuitos entre las placas positivas y negativas. Son muy po-rosos, por lo que consiguen conservar el electrolito para la reacción demateriales activos en las placas.

Válvula (unidireccional): está construida de un material parecido al neopreno. Al generarse gas en la batería, cuando funciona en condicio-nes extremas de carga, mal funcionamiento del cargador u otras ano-malías, se abre un respiradero que libera la sobrepresión en la batería ymantiene la presión del gas dentro del rango adecuado (0,07 a

0,43 kPa, o 1 a 6 psi). Durante el uso normal de la batería, el respirade-ro de la válvula está cerrado para que no penetre aire del exterior y asíse impide que el oxígeno del aire pueda reaccionar con el material acti-vo en los electrodos negativos.

Terminales positivos y negativos del electrodo: pueden ser de tipoFaston, de tipo cerradura empernada, de alambre de plomo y de cabe-zal embutido. El sellado del terminal se consigue por medio de una es-tructura que se asegura con un parche adhesivo recubierto y reforzadopor un poderoso adhesivo epóxido.



Unidad didáctica 1


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Figura 64. Estructura de una batería

Materiales de la carcasa de la batería: normalmente el cuerpo y lacubierta de la carcasa; se hacen con resinas ABS.

Vaso: elemento o celda electroquímica básica que forma parte de labatería, cuya tensión nominal es aproximadamente 2 V.


Vamos a ver las propiedades que presentan las pilas y acumuladores y cómopueden asociarse. Para ello es necesario conocer los siguientes conceptos:

Fuerza electromotriz (f. e. m.): es la diferencia de potencial que pre-senta la pila o acumulador entre sus terminales. Si los terminales no

están conectados a un circuito, coincide con la tensión en vacío. Laf. e. m. varía si se modifica la densidad del electrolito. Una batería pre-senta su valor máximo cuando está cargada.

Resistencia interna: es la resistencia que presentan las placas, lospuentes de unión entre los vasos y el electrolito. En una batería de unautomóvil, viene a ser del orden de 1,2 ohmios; cuanto menor sea suresistencia interna, mejor será su calidad.

Capacidad: es la posibilidad de almacenar cargas. Depende del tama-ño, número de placas y cantidad de electrolito. Viene determinada enamperios⋅hora (Ah). Por tanto, capacidad puede definirse como la co-



87

Unidad didáctica 1


rriente que es capaz de suministrar una batería en un tiempo determi-nado. Una batería de 60 Ah puede suministrar:

1 A durante 60 h.

2 A durante 30 h.

60 A durante 1 h.

En la práctica esto no se cumple estrictamente, puesto que influyen elritmo de descarga y la temperatura del electrolito. Si se descarga másrápidamente, también la tensión desciende más rápido.

Asociación en serie

Se dice que están asociados en serie cuando el polo negativo de una va conec-tado al positivo de la siguiente y así sucesivamente, quedando libres un terminalpositivo y otro negativo.

Figura 65. Asociación serie de baterías

Aunque este tipo de conexión de pilas o baterías te pueda pa-

recer extraña, probablemente tú mismo la has efectuado en

numerosas ocasiones.

¿Recuerdas cuándo?

Seguro que has tenido que poner dos o tres pilas en un

mando de televisión, en un reproductor de sonido, etc.

Entonces estabas efectuando una conexión serie de bater-

ías.

En el acoplamiento serie, la f. e. m. entre los extremos será igual a la suma detodas las fuerzas electromotrices de cada una de las baterías.

ET = E 1 + E 2 + E 3...+ En



Unidad didáctica 1


88

A su vez, la resistencia total, interna, que ofrecen todas las baterías, será la su-ma de las resistencias internas de cada batería.

RT = r 1 + r 2 + r 3... + rn

Y la capacidad máxima en Ah que será capaz de suministrar el sistema seráaproximadamente la capacidad máxima que puede suministrar una sola batería.

AhT = Ah1 = Ah2 = Ah3… = Ahn

Asociación en paralelo

Se dice que están asociados en paralelo cuando todos los terminales positivosestán unidos entre sí y todos los terminales negativos también.

Figura 66. Asociación en paralelo de baterías

Al ser una conexión en paralelo, las fuerzas electromotrices de todas las bate-rías serán iguales, por lo tanto, la fuerza electromotriz resultante también será la

misma.

ET = E 1 = E 2 = E 3... = En

La resistencia total de dicho acoplamiento será la inversa de la suma de las in-versas de cada una de las resistencias de cada batería. Vendrá determinada porla fórmula:

RT = 1/ (1/r 1 + 1/r 2 + 1/r 3... + 1/rn )



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Unidad didáctica 1


Y la capacidad total del sistema en Ah será la suma de capacidades de todaslas baterías.

AhT = Ah1 + Ah2 + Ah3… + Ahn

En conexión en serie de baterías la tensión total del sistema es la

suma de tensión de todas las baterías, pero la capacidad del

sistema es igual a la capacidad de una.

En conexión en paralelo, la capacidad total del sistema es la

suma de las capacidades de todas las baterías, pero la ten-

sión del sistema será igual a la tensión de una.

Aplicaciones

Como sabemos, las aplicaciones de pilas y acumuladores son incontables, sonutilizadas en todo tipo de aparatos eléctricos y electrónicos, en medios detransporte, aplicaciones industriales, etcétera.

Una de las aplicaciones en la que los acumuladores juegan un papel fundamen-

tal es en el campo de las energías renovables, concretamente en energía solarfotovoltaica.

Un acumulador se encargará de cubrir las demandas energéticas de las cargasdel sistema. Sin tener en cuenta la electricidad que está generando en el mo-mento el campo fotovoltaico, esto supone:

En los periodos de nula o baja insolación, los acumuladores se encar-garán del suministro eléctrico, pudiendo ser estos periodos de horas odías.

Suministrar una potencia instantánea, o durante un tiempo limitado,

mayor que la que podría generar el campo generador fotovoltaico in-cluso en los momentos más favorables. Tal es el caso, por ejemplo, delos arranques de motores que durante unos segundos requieren unapotencia varias veces superior a la nominal en funcionamiento normal.

Mantener junto con el regulador un nivel de tensión estable de funcio-namiento de la instalación. Recordemos que la tensión de salida de unmódulo fotovoltaico varía en función de la intensidad de la radiación in-cidente, lo que no es adecuado para el funcionamiento de las cargas. Elacumulador se encarga de proporcionar una tensión estable y constan-te, dentro de un cierto rango, independientemente de las condicionesde radiación.



Unidad didáctica 1


90

6.4. CLASIFICACIÓN

La clasificación fundamental que puede hacerse es en función de la posibilidado no de recarga. Como hemos visto al inicio de la unidad didáctica, las pilaspueden ser:

Pilas primarias: son aquellas que no son recargables, por tanto no pue-den volver a utilizarse una vez se ha agotado su energía química.

Pilas secundarias: son las que conocemos como acumuladores. Pue-den recargarse haciendo pasar corriente eléctrica a través de ellas.

Otro criterio por el que pueden clasificarse es por su capacidad, lo cual es de-terminante para su utilización en diferentes aplicaciones.

Pequeña capacidad. En esta clasificación entrarían todas aquellas ba-terías utilizadas para alimentar aparatos electrónicos de pequeño con-sumo como relojes, cámaras fotográficas, reproductores de audio, lin-ternas, teléfonos móviles… A este rango pertenecen los siguientes ti-pos de pilas y baterías:

Pilas de botón.

Pilas salinas.

Pilas alcalinas.

Baterías Ni-Cd (níquel - cadmio). Baterías Ni-Mh (níquel - metal hidruro).

Baterías Li-ion (ión de litio).

Gran capacidad. A esta clasificación pertenecen todos aquellos tiposde acumuladores utilizados en aparatos o sistemas de gran consumo,como medios de transporte, acumuladores para energía solar fotovol-taica, arrancadores de motores, máquinas herramienta… A este rangopertenecen los siguientes tipos de acumuladores:

Acumuladores de plomo.

Acumuladores de plomo-calcio.

A su vez, este tipo de acumuladores de gran capacidad pueden clasificarsesegún la aplicación para la que están destinados:

Baterías de tracción: se utilizan para carretillas elevadoras, automóvileseléctricos y sillas de ruedas eléctricas.

Baterías estacionarias: muy comunes en fuentes de alimentación deemergencia y para fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) usa-das para informática.



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Unidad didáctica 1


Baterías de arranque: usadas para el arranque de automóviles y otrosvehículos a motor.

No se trata de que memorices, sino de que conozcas los

diferentes tipos que puedes encontrarte. Recuerda que si

algún término no lo entiendes puedes preguntar a tu tu-

tor.

6.5.

TIPOLOGÍA A continuación vamos a ver los diferentes tipos de pilas, baterías y acumulado-res más comunes que podemos encontrar.

Pilas salinas

Cada pila proporciona una tensión de 1,5 V. Para conseguir tensiones superio-res es necesario conectar varias pilas en serie. Son pilas de poca capacidad, loque hace que sean poco duraderas. Las pilas salinas han sido muy utilizadas

pero poco a poco están siendo reemplazadas por las alcalinas.

Pilas alcalinas

Al igual que las salinas, este tipo de pilas proporcionan una tensión de 1,5 V ysu forma es similar a las anteriores. Tienen larga duración, tensión muy establey pueden permanecer largo tiempo sin perder carga. Son capaces de propor-cionar corrientes elevadas en instantes cortos de tiempo, lo que las hace idealespara motores, flashes, etcétera.

Pilas botón

De tamaño muy reducido, como el de un botón, poco peso y tensión elevada encomparación al tamaño con las anteriores. Pueden ser de:

Mercurio. Pila de cinc y óxido de mercurio. Dentro de un recipiente deacero que forma el polo positivo, el polo negativo es de zinc y se en-cuentra en el centro. El electrolito es cincado de potasio. Tienen largaduración y proporcionan una tensión constante de 1,35 V.



Unidad didáctica 1


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Óxido de plata: similar a la de mercurio, el ánodo es de óxido de plata,el cátodo es de cinc y el electrolito es hidróxido de potasio. La tensiónque proporcionan es de 1,55 V.

Litio: de constitución similar a las anteriores, proporcionan una tensiónde 3 V y tienen larga duración.

Ahora que conoces los componentes que llevan estas pilas,entenderás por qué es imprescindible no tirarlas a la basura,sino que hay que depositarlas en los lugares específicos paraello, dado su gran poder de contaminación.

Baterías Ni-Cd

Son pilas recargables que mantienen el mismo formato que las alcalinas. A dife-rencia de estas, su tensión es de 1,2 V y su capacidad no es muy alta. Este tipode baterías sufren el efecto memoria, por el cual se reduce de manera importan-te la capacidad de la batería cuando se le realiza una carga incompleta. Por tan-to, para conseguir un óptimo funcionamiento debe realizarse una carga comple-ta cuando la batería está completamente descargada.

Baterías Ni-Mh

Al igual que las anteriores, mantienen los formatos de las pilas alcalinas o sali-nas, son recargables y su tensión es de 1,2 V. Su capacidad es mayor que lasde Ni-Cd y no se ven tan influidas por el efecto memoria.

Baterías Li-ión

Las baterías de ión de litio tienen un formato diferente a las anteriores y la ten-sión nominal de cada elemento de de 3,7 V. Tienen alta capacidad y pueden

proporcionar elevadas corrientes. No resultan afectadas por el efecto memoria,con lo que pueden ser cargadas en cualquier momento sin que esto afecte a suvida útil. Sin embargo, una descarga completa puede dañarlas, por eso suelenllevar incorporados circuitos electrónicos de protección; además, requierenunas características muy precisas de carga, ya que de lo contrario pueden in-cendiarse o explotar. El desarrollo de este tipo de baterías es más reciente y yaha reemplazado a las anteriores en gran número de aplicaciones.



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Unidad didáctica 1


Acumulador de plomo-ácido

Está formado por una serie de elementos (pilas) sumergidos en electrolito, mez-

cla de ácido sulfúrico y agua destilada. Cada elemento suministra aproximada-mente 2,4 V, cuando está completamente cargado. Por tanto, para proporcionarlos 12 voltios característicos de estas baterías, se conectan 6 elementos en se-rie. Son baterías voluminosas y pesadas pero de muy alta capacidad. Según suformato y características, son las utilizadas en multitud de aplicaciones de au-tomoción, energías renovables, etcétera.

Acumulador de plomo-calcio

Son las baterías llamadas sin mantenimiento. Las rejillas de sus placas estánconstituidas por una aleación de plomo-calcio, que alarga la vida de la batería y

reduce la autodescarga. Además, sufre menor evaporación de agua, por lo que,teóricamente, no hay que completarlas. Otra característica importante es que elnivel de corrosión en los bornes es muchísimo menor, pues no tiene evapora-ción del ácido, son utilizadas en las mismas aplicaciones que las anteriores.

6.6. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS Y TÉCNICAS

A continuación se explican los diferentes parámetros que definen las caracterís-ticas físico/químicas y técnicas de las pilas y acumuladores.

Carga/descarga

La carga de la batería conlleva la transformación de energía eléctrica en químicapara poder acumularla en una batería, mientras que la descarga de la bateríacorresponde a la transformación de energía química en eléctrica para permitirsuministrar electricidad a los consumos correspondientes.

Capacidad

La capacidad de una batería cargada completamente es la

cantidad de electricidad que puede suministrar durante un

proceso de descarga.



Unidad didáctica 1


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La capacidad depende del material activo con que están hechas las placas, elrégimen de descarga y la temperatura de la batería.

Capacidad nominal C100: cantidad de carga que es posible extraer deuna batería en 100 horas, medida a una temperatura de 20 ºC, hastaque la tensión entre sus terminales llegue a 1,8 V/vaso. Es la que apa-rece en las hojas de características de los fabricantes.

Capacidad útil: capacidad utilizable de la batería. Se define como elproducto de la capacidad nominal y la profundidad de descarga permi-tida, PDmáx.

Capacidad disponible: es la capacidad que se obtiene con unas condi-ciones generales de trabajo de la misma, como son el régimen de des-carga, temperatura, estado de carga y tensión de consumos o descarga.

Régimen de carga (o descarga)

Parámetro que relaciona la capacidad nominal de la batería y el valor de la co-rriente a la cual realiza su carga (o la descarga). Se expresa normalmente enhoras y se representa como un subíndice en el símbolo de la capacidad y de lacorriente a la cual se realiza la carga (o la descarga). Por ejemplo, si una bateríade 400 Ah se descarga en 100 horas a una corriente de 4 A, se dice que elrégimen de descarga es de 100 horas (C100 = 400 Ah) y la corriente se expresacomo I100 = 4 A.

Profundidad de descarga (PD)

Expresado generalmente en tanto por ciento, es el cociente entre lo extraído y lacapacidad nominal de una batería.

Estado de carga (SOC)

Como la PD, también se expresa en tanto por ciento, y es el cociente entre lacapacidad residual de la batería y la nominal.

Por definición, PD + SOC = 100%.

Vaso

Elemento o celda electroquímica básica que forma parte de la batería, cuya ten-sión nominal es aproximadamente 2 V.



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Unidad didáctica 1


Voltaje de corte

Es el valor de tensión al que se considera agotada la carga de una batería, de-

pende del régimen de descarga y del modelo y tipo de batería.Autodescarga

Cuando la batería permanece en circuito abierto se produce una pequeñapérdida de carga (esto se denomina autodescarga de una batería ). Suele expre-sarse como un tanto por ciento de la capacidad nominal en periodos de un mesy a una temperatura constante de 20 ºC.

Ciclo

Dada una profundidad y régimen de descarga determinados, es el número decargas y descargas conseguido por la batería.

Ciclo de vida

Bajo unas determinadas condiciones, es el número de ciclos que aguantará unabatería.

Rendimiento faradaico

Es el cociente entre la carga suministrada por la batería (en Ah) durante la des-carga y la carga total necesaria (en Ah) para alcanzar el estado inicial de la ba-tería.

Rendimiento energético

Relación entre energía extraída y energía total aportada para la carga de la ba-tería, todo ello medido en Wh.

En el Campus Virtual tendrás la posibilidad de enviarnos

una encuesta para valorar nuestra labor y tu grado de sa-

tisfacción. Te pedimos que la rellenes y nos la envíes, ya

que tu opinión cuenta mucho para nosotros.

Quizá sea el momento de tomarte un descanso. Lo que

viene a continuación es de gran importancia, y casi todos

los conceptos que aparecen los pondrás en práctica en tu

futuro profesional. Así que presta mucha atención y…

¡vamos a por ello!



Unidad didáctica 1


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7. MEDIDAS DE MAGNITUDES ELÉCTRICAS

La medida de las magnitudes eléctricas de un circuito o instalación resulta im-prescindible en todos los procesos, bien sea en su montaje, bien en su modifi-cación o bien en su reparación. Para realizar todas las mediciones necesariasexiste un aparato de medida específico para cada magnitud eléctrica. En esteapartado veremos los instrumentos de medida más comunes, cuáles son suscaracterísticas, cómo debe realizarse su conexión y cómo interpretar las medi-das que nos dan.

7.1. INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Vamos a analizar cada instrumento de medida en función de la magnitud eléc-trica que cuantifican. Como hemos dicho, cada magnitud eléctrica dispone desu propio instrumento, pero además existe un aparato que unifica en uno sololos instrumentos de uso más común: se trata del polímetro, también conocidocomo téster.

Los principales instrumentos de medida son:

Óhmetro. Voltímetro.

Amperímetro.

Polímetro: principalmente puede realizar las funciones de un óhmetro,un voltímetro y un amperímetro, así que explicaremos cada una de ellasen el correspondiente instrumento de medida.



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Unidad didáctica 1


El polímetro es el mejor amigo del técnico, así que presta

mucha atención en este apartado.

Los instrumentos de medida pueden ser analógicos, en los que una aguja marcael valor obtenido sobre una escala representada en la pantalla, o digitales, enlos que el valor es mostrado directamente en una pantalla digital.

Actualmente, la práctica totalidad de los instrumentos de medida son de tipodigital, pero no es raro encontrar instrumentos analógicos.

7.1.1. ÓHMETRO

El óhmetro es el instrumento utilizado para medir la resistencia que presenta uncomponente, material o circuito al paso de la corriente eléctrica. Como funciónadicional también es utilizado para comprobar la continuidad de un conductor.

Su funcionamiento se basa en la aplicación de una tensión continua al dispositi-vo que se desea medir; a partir de esa tensión analiza la corriente producida y,aplicando la ley de Ohm, se obtiene el valor de resistencia. Para ello, el instru-

mento necesita una batería interna.

Figura 67. Funcionamiento del óhmetro



Unidad didáctica 1


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7.1.1.1. Procedimientos de medida

Para realizar la medida de resistencia de un componente o circuito, debes teneren cuenta las siguientes indicaciones:

La conexión del óhmetro se realiza en paralelo a la resistencia, es decir,conectándolo entre los terminales del elemento o circuito a medir.

Figura 68. Conexión para medir resistencia

El elemento que se va a comprobar debe estar siempre sin alimenta-ción (tensión eléctrica).

El elemento que se va a medir deberá desconectarse del circuito donde

se encuentra. De lo contrario, mediremos la resistencia del circuito, nola del componente.

Figura 69. Conexión incorrecta si se desea medir solamente una resistencia



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Unidad didáctica 1


Figura 70. Si desconectamos uno de los terminales del componente evitamos el error de la figura anterior

No tocar con los dedos las puntas de prueba, ya que estaríamos mi-diendo la resistencia del componente en paralelo a nuestro cuerpo, queen definitiva es una resistencia.

Para realizar la medida con el polímetro, habrá que colocar la rueda de selec-ción en el indicativo de resistencia en la escala que creamos que va a ser el re-sultado. Si no lo sabemos, lo colocaremos en la escala más alta e iremos bajan-do hasta obtener la precisión deseada. Si seleccionamos una escala demasiadobaja, en la pantalla aparecerá un mensaje de error que indica que el valor medi-do se encuentra fuera de escala.

Los cables de conexión del polímetro deberán ser colocados en los conectoresque indiquen resistencia.

En la figura siguiente mostramos cómo mediríamos una

resistencia. Como se trata de una resistencia de 330 Ω, co-

locaremos la rueda de selección en 2 K y las sondas de

medición las colocaremos una en cada extremo de la re-

sistencia.



Unidad didáctica 1


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Figura 71. Medida de resistencia con polímetro digital

Cabe reseñar que, a efectos eléctricos, medir una resistencia es lo mismo quemedir la continuidad de nuestro circuito, solo que en la medida de la resistenciabuscamos el valor de dicho elemento y, en la medida de la continuidad, busca-mos el valor infinito para un circuito cortado y el próximo al cero para uno queno presenta ningún tipo de daño.

Figura 72. Comprobación de continuidad

Por regla general, casi todos los polímetros de hoy en día presentan una posi-ción dentro del sector de la ruleta dedicado a la medida de resistencia, que espara medida de continuidad, con un avisador acústico, que emite una señal so-nora en caso de continuidad.



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Unidad didáctica 1


Figura 73. Indicativo de medida de continuidad con avisador acústico

7.1.2. VOLTÍMETRO

El voltímetro es el instrumento que mide la diferencia de potencial entre dospuntos de un circuito eléctrico o entre los terminales de un componente.

Como ya sabes, existen dos tipos de tensión y corriente:

Alterna, designada por las siglas AC o por el símbolo “~”. Correspondea la red de suministro eléctrico. En Europa su valor eficaz es de 220 V ysu frecuencia de 50 Hz.

Continua, designada por las siglas DC o por el símbolo “ ”. Es el tipo

de corriente suministrada por baterías u obtenida a la salida de un recti-ficador de corriente alterna.


Para realizar mediciones de tensión (voltaje) deberemos conectar el polímetro enparalelo con el circuito, es decir, tocando con las puntas de prueba en ambosterminales del componente a medir. A esta conexión se la denomina conexiónen paralelo.



Unidad didáctica 1


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Cuando vayas a medir tensiones de un voltaje considera-

ble, debes seguir las medidas de seguridad oportunas te-niendo precaución de no tocar ninguno de los terminales

que se encuentran alimentados.

Antes de realizar la conexión de las puntas de prueba con los extremos delcomponente deberemos seleccionar en el polímetro la función de voltímetro enla posición que corresponda al tipo de tensión a medir, continua (DC) o alterna(AC).

Figura 74. Conexión para medir tensión

Como en el caso de la resistencia, habrá que colocar los cables de prueba enlos conectores adecuados para la medida que vayamos a realizar y la ruleta deselección en corriente continua, o en corriente alterna dependiendo del tipo amedir; ya solo queda posicionar la ruleta en un valor acorde con el tamaño dela magnitud que vamos a medir.

En la figura siguiente medimos la tensión alterna que le

llega un interruptor. Al medir tensión de red de 220 V en

alterna, colocaremos la rueda de selección en la posición

750 de “V~”. Las sondas de medición las colocaremos en

paralelo con el circuito.



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Unidad didáctica 1


Figura 75. Medida de tensión alterna con polímetro digital

Cabe recordar que, en cualquiera de los polímetros digitales, en la medición encorriente continua, si la polaridad está invertida en la pantalla aparecerá un sig-no menos (-), delante del valor medido.

En la figura siguiente medimos la tensión en continua. Al

medir la tensión de una fuente de alimentación de 26 V en

continua, colocaremos la rueda de selección en la posi-

ción 200 de “V ”. Las sondas de medición las coloca-

remos en paralelo con el circuito, pero como la medición

es en continua habrá que prestar atención en conectar la

sonda de color rojo en VCC y la de color negro en masa.



Unidad didáctica 1


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Figura 76. Medición con polaridad invertida

7.1.3. AMPERÍMETRO

El amperímetro es el instrumento utilizado para obtener la medida de la corrienteque circula por un componente o un circuito.

Al igual que en el voltímetro, el amperímetro dispone de dos opciones en fun-ción de si la corriente a medir es alterna o continua.


Para realizar la medida de corriente el amperímetro se conectará en serie con

el componente o circuito que se desea medir, es decir, intercalaremos el apartode medida en el circuito. Recordemos que intensidad es el paso de electrones.Si queremos medir los electrones que atraviesan un circuito, deberemos intro-ducir el aparato de medición en el camino de circulación, de este modo, loselectrones que atraviesan el circuito también atravesaran el amperímetro.



Unidad didáctica 1


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Su funcionamiento está basado en la medida indirecta de los campos magnéti-cos que genera la circulación de corriente a través de un conductor; rodeandoeste con la pinza se obtiene la medida de intensidad del campo magnético ge-

nerado en el conductor, y a partir de esa medida se calcula la corriente eléctricaque circula.

Las principales ventajas de este instrumento son, por un lado, que no es nece-sario insertar el amperímetro en el circuito, con lo que ahorramos tiempo y evi-tamos posibles problemas derivados de cortar y volver a empalmar el circuito ocable, y por otro lado ganamos en seguridad, puesto que no hay contacto direc-to con el conductor.

El óhmetro se conecta en paralelo y con el circuito sin

alimentación.

El voltímetro se conecta en paralelo.

El amperímetro se conecta en serie.

La pinza amperimétrica abraza el conductor.

7.2. ERRORES DE MEDIDA

Por muy bueno que sea un el aparato de medida o por muy bien que se hayarealizado el proceso de medición, es imposible obtener el valor exacto de unamagnitud. Siempre existe una desviación respecto del valor real, por pequeñaque esta sea.

Hay que tener en cuenta que un instrumento de medida obtiene su resultadocomparando la magnitud medida con un patrón y efectuando una serie decálculos. Por ejemplo, la potencia puede obtenerse realizando el producto delvalor medido de intensidad por el valor medido de tensión, por tanto el valormostrado de potencia acumula los errores de la medida de V, de la medida de Iy de la aproximación del valor obtenido de los cálculos.

Por tanto, una medida no puede considerarse completa si no se sabe el errorque lleva asociado.

Existen dos modos, fundamentalmente, para cuantificar el error de una medida:

Error absoluto: es la diferencia entre el valor medido y el valor real de lamedida.

eabs = Vm - V r



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Unidad didáctica 1


Se considera valor real al valor obtenido de la media de las

medidas tomadas varias veces seguidas.

n

VmVmVmVmVr n+++

=...321

Pero no es lo mismo un error de 5 V al medir una tensión de 15.300 Vque al medir una de 100 V, por tanto el error absoluto en ocasiones noresulta muy representativo. Para estos casos se indica el error relativo.

Error relativo: es la relación entre el valor medido y el valor real, expre-sado en tanto por ciento (%).

100×−

=r

r mrelativo

v

vve

Los errores pueden deberse a diferentes factores, por tanto podemos clasificar-los de las siguientes formas:

Errores humanos: son errores debidos a despistes, falta de conoci-

mientos o mala interpretación del resultado. Para minimizarlos es re-comendable tomar la medida tres veces seguidas.

Errores sistemáticos: son errores debidos a la mala calibración del apa-rato de medida, o porque la magnitud a medir esta fuera de la escaladel aparato. La característica de estos errores es que siempre se repi-ten por muchas veces que tomemos la medida. Se corrigen utilizandoel instrumental adecuado a la medida.

Errores de resolución: son aquellos debidos a la capacidad que tiene elinstrumento de detectar pequeños cambios en la magnitud media. Noes posible obtener una medida con un error menor que la resolución del

aparato.

Resolución es el menor cambio en el valor de la magnitud

que puede detectar un aparato de medida.



Unidad didáctica 1


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Errores por efecto de carga: estos errores son causados por la influencia quesupone el propio aparato de medida al conectarlo en el circuito. Los aparatos demedida, como cualquier dispositivo, poseen una pequeña resistencia, capaci-

dad e inductancia internas que implican una modificación del circuito original enel que se va a medir, lo que supone un pequeño cambio de las magnitudes (o enocasiones no tan pequeño).

Vamos a medir la corriente que circula por el circuito de la

figura, para ello introducimos nuestro amperímetro en se-

rie con el circuito. La resistencia interna del amperímetro

es de 1,5 Ω.

Como vemos, en este caso la influencia del amperímetro

es inapreciable, la corriente en ausencia del amperímetro

sería de 1 mA y la medida que obtendríamos, teóricamen-

te, sería de 0,99990001 mA, por tanto el error sería des-

preciable.

Ahora bien, supongamos que los valores de las resisten-

cias del circuito son mucho más pequeños, 10 Ω y 5 Ω. La

corriente que circula por el circuito será de 1 A pero cuan-

do conectemos el amperímetro la corriente será 15

V/16,5 Ω = 0,909 A, lo que supone un importante error re-

lativo del 9,1%.



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Unidad didáctica 1


8. PROTECCIONES DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA

Las protecciones de la instalación eléctrica tienen dos propósitos diferentes:

Proteger a las personas contra los riesgos eléctricos, los cuales puedenser producidos por:

Contacto directo.

Contacto indirecto.

Proteger los materiales de la instalación, lo que supone protección con-

tra: Sobreintensidad, que pueden ser debidas a:

Sobrecarga.

Cortocircuito.

Descargas eléctricas atmosféricas.

Sobretensión.

8.1. NORMATIVA

El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión recoge toda la normativa referen-te a protección de las instalaciones eléctricas. A continuación se enumeran lasdiferentes instrucciones técnicas complementarias:

ITC-BT-22 del REBT. En esta instrucción se recogen las medidas deprotección referentes a protección contra sobreintensidades.

ITC-BT-23 del REBT. En esta instrucción se recogen las medidas deprotección referentes a protección contra sobretensiones.



Unidad didáctica 1


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ITC-BT-24 del REBT. La instrucción establece las protecciones contracontactos directos e indirectos.

En la ITC-BT-08 e ITC-BT-18 se establecen los diferentes sistemas deconexión de neutro en las redes de distribución, así como las instala-ciones de puesta a tierra.



severancia son los argumentos clave para el triunfo.

8.2. MEDIDAS DE PROTECCIÓN

Siguiendo el esquema presentado al principio del apartado, vamos a exponercuáles son las medidas y dispositivos de protección de que debe constar unainstalación eléctrica de acuerdo con la normativa indicada anteriormente.

8.2.1. MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA PERSONAS

Para comprender la necesidad de las medidas de protección es necesario co-nocer cuáles son los riesgos eléctricos a los que estamos expuestos.

La exposición a una fuente eléctrica puede causar daños irreparables, por esohas de saber que:

Cuanto mayor sea la duración del contacto, mayor será el riesgo.

Cuanta más intensidad circule por tu cuerpo, mayores serán los dañospara el mismo.

Por tanto, es necesario que las instalaciones eléctricas incorporen me-didas de protección frente a dos tipos de contactos diferentes:

Contactos directos: son aquellos en los que una persona hacecontacto con partes activas de la instalación, entendiendo comopartes activas todos aquellos elementos de una instalación eléc-trica que se encuentran bajo tensión en servicio normal.



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Unidad didáctica 1


Figura 79. Contacto directo

Contactos indirectos: son aquellos en los que la persona hacecontacto con masas metálicas, no destinadas a la conduccióneléctrica pero que, debido un fallo en el aislamiento de algún ele-mento o conductor de la instalación, quedan sometidas a tensióneléctrica, de modo que la persona es atravesada por la corriente.

Figura 80. Contacto indirecto

Una vez conocido cuál es el riesgo, veamos las medidas de protección que es-tablece el REBT en su ITC-BT 24:

Medidas de protección para contactos directos

1. Protección por aislamiento de las partes activas.

2. Protección por medio de barreras o envolventes.

3. Protección por medio de obstáculos.

4. Protección por puesta fuera de alcance por alejamiento.

5. Protección complementaria por dispositivos de corriente diferencial re-sidual.

Las cuatro primeras medidas son medidas pasivas, están destinadas a evitarque la persona pueda llegar a tocar la parte activa.



Unidad didáctica 1


112

La quinta medida es una medida activa, es decir, en caso de que se llegue aproducir el contacto directo entre la persona y la parte activa, se producirá elcorte eléctrico de la instalación por medio de un dispositivo llamado interruptor

diferencial.

Interruptor diferencial es un dispositivo de apertura de cir-

cuito, que actúa cuando detecta una diferencia entre la

corriente entrante y la corriente saliente del circuito supe-

rior a su valor característico de sensibilidad.

Medidas de protección para contactos indirectos

1. Protección por corte automático de la alimentación.

2. Protección por empleo de equipos de la clase II (aislamiento doble) opor aislamiento equivalente.

3. Protección mediante conexiones equipotenciales locales no conecta-das a tierra.

4. Protección por separación eléctrica.

La primera medida hace referencia a la adecuada conexión a tierra de la instala-

ción y a la utilización del interruptor diferencial.

La segunda medida tiene como finalidad evitar que se produzca el contactoentre una parte activa y una parte metálica de la instalación, utilizando dobleaislamiento en ciertas partes de ella.

La tercera medida se aplica en aquellas situaciones donde no es posible unacorrecta conexión a tierra debido a que el suelo es conductor. Esta consiste enconectar todas las masas entre sí sin conectar estas a tierra; de este modo, noexiste diferencia de potencial entre ellas.

La cuarta medida propone la conexión del circuito a través de un transformadorde aislamiento.

Si necesitas más información sobre las medidas de pro-

tección contra contactos directos e indirectos no tienes

más que buscar en el Reglamento Electrotécnico de Baja

Tensión (REBT) en su ITC-BT 24. Lo puedes encontrar in-

troduciendo estas referencias en tu buscador de Internet.



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Unidad didáctica 1


8.2.2. MEDIDAS DE PROTECCIÓN PARA MATERIALES

Los materiales de una instalación eléctrica hacen referencia a todos los elemen-tos de que está formada, tanto sean dispositivos de control como receptores,medidores, etcétera, así como los cables conductores de esta.

Los materiales de una instalación pueden resultar dañados cuando se les some-te a intensidades o tensiones superiores a las que están capacitados a soportar.Por tanto, es necesario protegerlos frente a estos fenómenos fortuitos.

A continuación analizaremos cuáles son los riesgos y qué medidas de protec-ción se adoptan para evitar daños.

Sobreintensidad

La sobreintensidad hace referencia a un valor de intensidad superior al valormáximo al que la inhalación eléctrica está dimensionada. Este valor anormal-mente alto de corriente puede ser debido a los siguientes factores:

Sobrecarga: es debida a un consumo excepcionalmente alto del apara-to conectado, normalmente se debe a una avería en este.

Cortocircuito: es causado cuando dos o más líneas de la instalaciónhacen contacto directo entre ellas o a través de una resistencia prácti-camente nula.

Descargas eléctricas atmosféricas: son debidas a que la instalacióneléctrica ha sido alcanzada o influenciada por un rayo.

Figura 81. Descargas eléctricas atmosféricas



Unidad didáctica 1


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El REBT, en su ITC-BT-22, establece las medidas de protección necesarias paracada caso de sobreintensidad:

Protección contra sobrecargas. El límite de corriente admisible en unconductor ha de quedar garantizado por el dispositivo de protecciónutilizado. El dispositivo podrá ser un interruptor automático o un fusible,ambos calibrados a las características de funcionamiento adecuadas.

Protección contra cortocircuitos. En el origen de todo circuito deberáexistir un dispositivo de protección contra cortocircuitos cuya capaci-dad de corte estará de acuerdo con la intensidad de cortocircuito quepueda presentarse en el punto de su conexión. Estos dispositivos pue-den ser fusibles o interruptores automáticos con sistema de corte om-nipolar.

Sobretensión

Se entiende por sobretensión el voltaje anormalmente alto al que es sometidauna instalación eléctrica en ocasiones excepcionales. Las sobretensiones setransmiten por las redes de distribución y se originan como consecuencia dedescargas atmosféricas, conmutaciones de redes y defectos en las mismas.

El REBT, en su ITC-BT-23, contiene las indicaciones a considerar para la pro-tección frente a sobretensiones, dependiendo de las múltiples condiciones ycaracterísticas que pueden darse en una instalación eléctrica.



115

Unidad didáctica 1


9. SEGURIDAD ELÉCTRICA

El trabajo de montaje y manipulación de instalaciones eléctricas conlleva unosriesgos importantes para la seguridad de los trabajadores, por tanto es de vitalimportancia conocer cuáles son esos riesgos y adoptar las medidas preventivasoportunas con el fin de minimizarlos y, si es posible, anularlos.

En cuanto a seguridad eléctrica existen dos normas básicas: el Real Decre-to 614/2001, de 8 de junio, y el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. La primera de ellas y más importante, establece unos procedimientos de actua-ción para la protección y seguridad de los trabajadores frente a riegos eléctri-cos.

En este apartado resumiremos de forma clara y concisa los procedimientos de

operación que impone la normativa, estableciendo unas rutinas que deberemosseguir siempre que vayamos a realizar trabajos eléctricos.

9.1. MEDIDAS GENERALES DE SEGURIDAD ELÉCTRICA

En cuanto a las medidas generales, para evitar accidentes eléctricos caben des-tacar las siguientes:

Los trabajos eléctricos serán siempre realizados por personal capacita-do y autorizado al efecto.

Utilizaremos siempre los equipos de protección individual convenien-temente certificados y en buen estado.

Señalizaremos y delimitaremos la zona de trabajo manera que sea se-gura para ti y para los que te rodean.

Los trabajos eléctricos deberán interrumpirse en caso de tormenta.

Todo trabajo en una instalación eléctrica o en su proximidad que su-ponga un riesgo eléctrico deberá realizarse sin tensión, a excepción dealgunos casos que vemos.



Unidad didáctica 1


116

9.2. NORMATIVA EN TRABAJOS ELÉCTRICOS SIN TENSIÓN

El Real Decreto 614/2001 establece las técnicas y procedimientos que debenseguirse para realizar de manera segura los trabajos eléctricos, indicándonos lospasos a seguir para llevar a cabo la supresión de tensión de la instalación y lareposición de la misma una vez terminado el trabajo.

9.2.1. PROCEDIMIENTO PARA LA SUPRESIÓN DE TENSIÓN

Los pasos marcados por la normativa son los siguientes:

1. Desconectar las partes donde se van a realizar los trabajos, garantizan-

do que estén adecuadamente aisladas de la fuente de alimentación.Cabe reseñar que los elementos que puedan almacenar potenciales,como el caso de los condensadores, deberán ser descargados median-te dispositivos al efecto.

2. Bloquear la manipulación de los dispositivos de desconexión de la ali-mentación y señalizarlo al efecto con una prohibición de uso.

3. Verificar mediante sistemas de medición segura que cada conductor oelemento de la instalación con el que se vaya a trabajar se encuentra enausencia de tensión.

4. Conectar a tierra y poner en cortocircuito las partes de la instalación

con las que se vaya a trabajar, a fin de evitar la aparición de tensionesproducidas por diferentes fenómenos difíciles de controlar.

5. Delimitar y señalizar el área de trabajo.

Figura 82. Las cinco reglas de oro de seguridad eléctrica



117

Unidad didáctica 1


Recuerda siempre estas cinco reglas a la hora de trabajar

con equipos y máquinas eléctricas, pueden salvarte la vi-da:

1. Cortar todas las fuentes de tensión.

2. Bloquear los aparatos de corte.

3. Verificar el corte de tensión.

4. Poner a tierra y en cortocircuito la parte con la que se va-

ya a trabajar.

5. Delimitar y señalizar la zona de trabajo.

9.2.2. PROCEDIMIENTO PARA LA REPOSICIÓN DE TENSIÓN

Una vez terminados los trabajos eléctricos y todo el personal se encuentre fuerade la zona de peligro, seguiremos los siguientes pasos marcados por la norma-tiva para proceder a la reposición de la tensión:

1. Retirar de protecciones adicionales y de señalizaciones que limitan lazona de trabajo.

2. Retirar de las puestas a tierra y cortocircuitos realizados en el procesode supresión de tensión.

3. Desbloquear los dispositivos de desconexión y retirar la señalizaciónutilizados para evitar el acceso. Este paso deberá realizarlo la mismapersona que bloqueó el dispositivo y colocó la señalización.

4. Cerrar de los dispositivos de desconexión para restablecer la tensión.

9.3. NORMATIVA EN TRABAJOS ELÉCTRICOS CON TENSIÓN

Como hemos dicho antes, existen casos excepcionales en los que los trabajoseléctricos tienen que realizarse con tensión, estos son:

Mediciones, ensayos y verificaciones.

Operaciones elementales en instalaciones de baja tensión, como co-nexión y desconexión de material eléctrico, cambio de fusibles…

En plantas o instalaciones en las que se requiera una continuidad desuministro, de modo que un corte de este supondría importantes pro-blemas y pérdidas.



Unidad didáctica 1


118

Para llevar a cabo trabajos eléctricos con tensión deberán seguirse estrictamen-te las siguientes indicaciones:

1. Utilizaremos todos los equipos de protección individual dispuestos, pa-ra evitar el contacto accidental con cualquier otro punto de potencialdistinto al nuestro:

Equipos de protección individual como cascos, guantes aislantespara trabajos en tensión, gafas, calzado de seguridad con suelaaislante y antideslizante, y ropa de trabajo no inflamable con arcoeléctrico.

Herramientas recubiertas de aislante.

Banquetas o alfombrillas aislantes.

2. Señalizaremos y delimitaremos la zona para evitar que personas ajenasa la operación puedan acceder ella.

3. Nos quitaremos todos los objetos conductores que llevemos, comopulseras, collares, anillos…

4. Iluminaremos el área de trabajo si es necesario.

5. Estudiaremos las condiciones ambientales si el trabajo lo precisa, evi-tando trabajar en condiciones de humedad extrema, atmósferas explo-sivas, si hay tormentas…

Es de vital importancia que recuerdes todos los procesos e

indicaciones que marca la normativa de seguridad. Antes

de realizar cualquier trabajo eléctrico, vuelve a repasar es-

tos procedimientos, debes conseguir realizarlos de forma

rutinaria. Recuerda que tu vida puede depender de ello.



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Unidad didáctica 1


10. REGLAMENTO ELECTROTÉCNICO DE BAJA TENSIÓN

El Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión, REBT, es un reglamento espa-ñol de obligado cumplimiento que prescribe las condiciones de montaje, explo-tación y mantenimiento de instalaciones de baja tensión.

El REBT está formado por dos partes bien diferenciadas:

La primera de ellas consta de 29 artículos donde se recogen las cues-tiones legales y administrativas de las instalaciones eléctricas.

La segunda parte, compuesta por 51 instrucciones técnicas comple-mentarias, ITC, se centra en los aspectos técnicos de las instalaciones.

Como el propio Reglamento dice en su artículo 1:

“El Reglamento tiene por objeto establecer las condiciones técnicas y garantíasque deben reunir las instalaciones eléctricas conectadas a una fuente de suministro en los límites de baja tensión, con la finalidad de:

a) Preservar la seguridad de las personas y los bienes.

b) Asegurar el normal funcionamiento de dichas instalaciones y prevenir las perturbaciones en otras instalaciones y servicios.

c) Contribuir a la fiabilidad técnica y a la eficiencia económica de las instalaciones”.

Siempre que en tu futuro laboral tengas que realizar una

nueva instalación eléctrica, modificar alguna ya existente

o simplemente tengas dudas sobre qué dispositivos tienes

que utilizar, consulta el REBT.



121

Unidad didáctica 1


CONCLUSIONES

Seguro que durante el estudio de esta unidad has encontrado respuesta a mu-chas incógnitas que tenías sobre la electricidad y el magnetismo. Aunque algu-na parte te haya parecido dura y costosa, ahora ya tienes una buena base gene-ral que te proporcionará capacidad de deducción y comprensión en siguientesunidades. De este modo, el aprendizaje te resultará más sencillo e intuitivo.



Unidad didáctica 1


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RECAPITULACIÓN

La electricidad es el movimiento de electrones de un punto a otro. La elec-tricidad es una forma de energía. Entendiendo como energía la capacidadpara desarrollar trabajo.

Los electrones que se encuentran en la órbita más alejada del núcleo sonatraídos por este con menor fuerza. Estos electrones reciben el nombre deelectrones libres.

Cuando un átomo tiene más cargas negativas que positivas se denominaanión; en caso contrario, se denomina catión.

La corriente eléctrica es el flujo ordenado de electrones que circula através de un material conductor.

La tensión es la diferencia de nivel eléctrico entre dos puntos deun circuito.

La potencia se obtiene del producto de la corriente que circula a través delcircuito y de la tensión eléctrica aplicada entre sus extremos (P = V x I).

Intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica queatraviesa un conductor en la unidad de tiempo.

Se llama magnetismo a la propiedad que tienen algunos cuerpos de atraer

el hierro y sus derivados. En un campo magnético, polos del mismo signo se repelen y polos de dis-

tinto signo se atraen.

Un electroimán es una bobina a través de cuyas espiras circula una co-rriente eléctrica que genera un campo magnético y en cuyo interior se hacolocado un núcleo de hierro dulce.



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Unidad didáctica 1


La ley de Ohm es la ley básica de la electricidad. Establece la relación en-tre las magnitudes de tensión, resistencia y corriente.

RV I =

La bobina produce un ángulo de retraso de la corriente respecto a la ten-sión de 90º.

El condensador produce un ángulo de retraso de la tensión respecto a lacorriente de 90º.

La impedancia es la oposición que presenta un circuito al paso de la co-rriente alterna.

En los circuitos trifásicos hay que distinguir entre: tensión de línea (VL ), quees la existente entre dos de las fases de una red trifásica; y tensión de fase(VF ), que es la tensión entre una fase y el conductor de neutro. La relación

entre ambas es F L V V ⋅= 3 .

En un circuito trifásico, la carga conectada en triángulo es alimentada atensión de línea y la carga conectada en estrella es alimentada a tensiónde fase. Por tanto, la carga conectada en triángulo es alimentada a una

tensión 3 veces superior que la conectada en estrella.

El sentido de la corriente que se utiliza para todos los circuitos eléctricos

es el convencional. Es decir, sale del positivo y entra por el negativo. 1.ª ley de Kirchhoff: la suma de corrientes que entran en un nudo es igual

a la suma de corrientes que salen.

2.ª ley de Kirchhoff: en una malla, la suma de todas las caídas de tensiónen los componentes es igual a la suma de las tensiones aplicadas(f. e. m.), teniendo en cuenta la polaridad de los generadores.

Se considera baja tensión (BT) aquella inferior a 1.000 V en c. a. y 1.500 Ven c. c. En España las redes eléctricas de baja tensión son de 230 / 400 V.

El relé es un dispositivo electromecánico cuya finalidad es la conexión y

desconexión de un circuito cuya potencia es mucho mayor que la del cir-cuito de control.

El contactor es un componente electromecánico cuya finalidad es permitiro bloquear el paso de corriente eléctrica a un receptor o instalación me-diante una señal eléctrica de control.

El interruptor diferencial tiene como misión desconectar la instalacióneléctrica de forma rápida cuando existe una fuga a tierra. Protege frente acontactos directos e indirectos.



Unidad didáctica 1


124

El interruptor automático magnetotérmico, al igual que el fusible, es undispositivo concebido para la protección de receptores eléctricos contrasobreintensidades.

Un seccionador es un dispositivo de seguridad sobre el que únicamentese debe actuar cuando el circuito se encuentra en ausencia de tensión.

En conexión serie de baterías la tensión total del sistema es la suma detensión de todas las baterías, pero la capacidad del sistema es igual a lacapacidad de una.

En conexión paralelo de baterías, la capacidad total del sistema es la su-ma de las capacidades de todas las baterías, pero la tensión del sistemaserá igual a la tensión de una.

El óhmetro se conecta en paralelo al igual que el voltímetro pero con el

circuito sin alimentación. El amperímetro se conecta en serie. La pinzaamperimétrica abraza el conductor.

Las cinco reglas de oro para trabajar con equipos y máquinas eléctricasson:

1. Cortar todas las fuentes de tensión.

2. Bloquear los aparatos de corte.

3. Verificar el corte de tensión.

4. Poner a tierra y en cortocircuito la parte con la que se vaya a tra-bajar.

5. Delimitar y señalizar la zona de trabajo.



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Unidad didáctica 1


AUTOCOMPROBACIÓN

1. Si un átomo en equilibrio tiene 8 protones, ¿cuántos electrones tendrá?

a) 4.

b) 14.

c) 8.

d) 0.

2. ¿Cómo se denomina el átomo que ha perdido un electrón y por tantotiene carga positiva?

a) Ión positivo.

b) Ión negativo.

c) Neutrón.

d) Anión.

3. Si decimos que por un conductor circulan 2,5 culombios por segundo,¿qué significa?

a) Que hay una tensión de 2,5 V.

b) Que circula una corriente de 2,5 A.

c) Que circula una corriente de 5 A.

d) Que tiene conectado un condensador de 2,5 culombios.



Unidad didáctica 1


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4. ¿Qué tipo de potencia absorben las bobinas y condensadores?

a) Activa.

b) Reactiva.c) Resistiva.

d) Química.

5. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre electricidad y electromag-netismo es falsa?

a) Un circuito magnético no pude interrumpirse.

b) Un circuito eléctrico puede interrumpirse.

c)

Existen materiales aislantes de campo magnético.d) Existen materiales aislantes de campo eléctrico.

6. ¿Para qué se utiliza la regla de la mano derecha?

a) Para determinar el sentido de giro del campo magnético producido por lacorriente al circular por un conductor.

b) Para determinar el sentido de circulación de la corriente en un conductor.

c) Para determinar la resistencia que presenta un conductor al paso de lacorriente.

d) Para evitar que el campo magnético afecte a otros circuitos próximos.

7. ¿Como se denomina el comportamiento que presentan algunos mate-riales que hacen que el flujo magnético se concentre al pasar porellos?

a) Diamagnético.

b) Paramagnético.

c) Electromagnético.

d) Ferromagnético.

8. ¿Qué impedancia presenta una inductancia de 0,01 H conectada a unared de 230 V a 50 Hz de frecuencia?

a) 1,57 Ω.

b) 3,14 Ω.

c) 0,318 Ω.

d) 115 Ω.



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Unidad didáctica 1


9. ¿Qué componente eléctrico es capaz de almacenar tensión?

a) La bobina.

b) La resistencia.

c) El condensador.

d) Un conductor.

10. Si dispones de 3 baterías de 12 V cada una y quieres alimentar unacarga que funciona a 24 V, ¿cómo las conectarías?

a) Todas en serie.

b) Dos en serie y una en paralelo con la serie.

c) Dos en paralelo y una en serie con el paralelo.

d) Todas en paralelo.



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Unidad didáctica 1


SOLUCIONARIO

1. c 2. a 3. b 4. b 5. c

6. a 7. d 8. b 9. c 10. c



Unidad didáctica 1


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PROPUESTAS DE AMPLIACIÓN

Con lo tratado en esta unidad didáctica tienes una visión global de los concep-tos tratados; no obstante, indagando por la Red encontrarás mucha informaciónde aquello que mas curiosidad te cause. Un buen ejemplo es la siguiente web:

http://www.unesa.net/index.htm.

Como ya te hemos recomendado en alguna ocasión, puedes consultar el REBTpara profundizar más en algunos de los temas tratados.

Además, y aunque parezca una tontería, puedes encontrar temas relacionados

con lo tratado en esta unidad cerca de tu entorno, en tu vida cotidiana, en casa,en la calle, en todo el ámbito que te rodea.

Prueba a descubrir ese mundo.



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Unidad didáctica 1


BIBLIOGRAFÍA

SANZ SERRANO, J. L. Instalaciones eléctricas de enlace y centros detransformación. Madrid: Paraninfo, 2008.

PARDINA CARRERA, A. Tecnología eléctrica. Zaragoza: DL, 2007.

HERMOSA DONATE, A. Principios de electricidad y electrónica. Barce-lona: Marcombo, 1998.

COLMENAR SANTOS, A. Instalaciones eléctricas en baja tensión. Ma-drid: RA-MA, 2008.




2

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T e x t o ( 0 1 ) . d o t

Máquinas eléctricasestáticas y rotativas

D I P 2 7 8_

0 2_

V ( 0 1 )



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Unidad didáctica 2


ÍNDICE

MOTIVACIÓN ..................................................................................................3

PROPÓSITOS ..................................................................................................4


1. GENERADORES .............................................................................................7

1.1. T IPOS DE GENERADORES (DINAMOS Y ALTERNADORES)................................................................7

1.2. DINAMOS.................................................................................................................. 9

1.2.1. DINAMOS DE IMANES PERMANENTES Y DE EXCITACIÓN .............................................................................. 9 1.2.1.1. Principio de operación..................................................................................................... 9

1.2.1.2. Aspectos constructivos y tecnológicos ............................................................................. 13

1.3. MÁQUINA ASÍNCRONA................................................................................................... 16 1.3.1. GENERADOR ASÍNCRONO CONVENCIONAL Y DE DOBLE DEVANADO ..................................................................17

1.3.1.1. Principio de operación.....................................................................................................17

1.3.1.2. Aspectos constructivos y tecnológicos ............................................................................. 18

1.3.1.3. Generador asíncrono de doble devanado ...........................................................................20

1.4. MÁQUINA SÍNCRONA .................................................................................................... 21

1.4.1. GENERADOR SÍNCRONO CONVENCIONAL DE ROTOR DEVANADO Y GENERADOR SÍNCRONO DE IMANES

PERMANENTES ........................................................................................................................... 21

1.4.1.1. Principio de operación.................................................................................................... 21

1.4.1.2. Aspectos constructivos y tecnológicos .............................................................................22

1.5. PROTECCIÓN DE GENERADORES ........................................................................................24

2. T RANSFORMADORES .................................................................................... 27

2.1. T RANSFORMADORES DE TENSIÓN ......................................................................................28 2.1.1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN ..............................................................................................................28

2.1.2. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS ............................................................................................................ 31



Unidad didáctica 2


2

2.2. T RANSFORMADORES DE MEDIDA .......................................................................................32

3. MOTORES ELÉCTRICOS..................................................................................34

3.1. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA ...................................................................................36 3.1.1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN ..............................................................................................................37


3.2. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA.....................................................................................40

3.2.1. MÁQUINA SÍNCRONA ....................................................................................................................41

3.2.1.1. Motores síncronos monofásicos y trifásicos......................................................................42 3.2.1.1.1. Aspectos constructivos y tecnológicos......................................................................................42 3.2.1.1.2. Principio de operación ............................................................................................................42

3.2.2. MÁQUINA ASÍNCRONA ...................................................................................................................43

3.2.2.1. Motores asíncronos trifásicos de rotor bobinado y de jaula de ardilla ..................................45

3.2.2.1.1. Aspectos constructivos y tecnológicos......................................................................................45 3.2.2.1.2. Principio de operación ...............................................................................................47 3.2.2.2. Motores asíncronos monofásicos de rotor bobinado y de jaula de ardilla..............................47

CONCLUSIONES .............................................................................................49

RECAPITULACIÓN ...........................................................................................50

AUTOCOMPROBACIÓN ......................................................................................53

SOLUCIONARIO ..............................................................................................57

PROPUESTAS DE AMPLIACIÓN .............................................................................58

BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................59



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Unidad didáctica 2


MOTIVACIÓN

Las máquinas eléctricas son los cimientos del mundo de la energía eléctrica.Son creadoras, transformadoras y consumidoras. La energía eléctrica se produ-ce por medio de generadores, se modifican sus características mediante trans-formadores y, finalmente, es consumida por los motores.

Si te das cuenta, conocer y entender las máquinas eléctricas supone abarcaruna parte muy importante de la electricidad y, como tal, va a ser fundamental entu futuro laboral.

Seguro que has oído hablar de términos como dinamo, alternador, transforma-dor, motor asíncrono… ¿No crees que ya es el momento de conocerlos a fondoy de eliminar todas esas dudas que tienes sobre ellos?



Unidad didáctica 2


4

PROPÓSITOS

Conforme avances en esta unidad podrás:

Entender los principios de funcionamiento de los generadores, trans-formadores y alternadores.

Conocer cómo están construidas las máquinas eléctricas.

Aprender cómo trabajan, cuáles son sus características y sus limitacio-nes.

Ser capaz de distinguir entre los diferentes tipos de generadores, trans-

formadores y motores.

Saber qué problemas y averías pueden afectar a los generadores y quéprotecciones aplicar para evitarlos.



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Unidad didáctica 2



En esta unidad vamos a profundizar en los siguientes temas:

Tipos de generadores eléctricos, principios de operación y aspectosconstructivos y tecnológicos de cada uno.

Protección frente a diferentes problemas y averías de los generadores.

Fundamentos de los transformadores, características y constitución

Tipos de motores eléctricos, principios de operación y aspectos cons-tructivos y tecnológicos de cada uno.



7

Unidad didáctica 2


1.

GENERADORES

A principios del XVII, Michael Faraday construyo el primer generador electro-

magnético. Este primer generador, movido manualmente, solamente era capazde producir una pequeña corriente continua, pero supuso el inicio de una nuevaera tecnológica. El rápido desarrollo y mejora de este invento pronto posibilitópoder utilizar recursos naturales para hacer mover el eje del generador y, deeste modo, producir energía eléctrica.

Un generador eléctrico es una máquina rotativa cuya fina-lidad es transformar la energía mecánica en energía eléc-trica.

1.1. TIPOS DE GENERADORES (DINAMOS Y ALTERNADORES)

Existen dos tipos de generadores eléctricos, ambos basados en el mismo prin-cipio electromagnético, pero capaces de producir tipos diferentes de corrienteeléctrica.

Por tanto, en función del tipo de corriente que producen los generadores existen

dos tipos:

Dinamos: generan corriente continua.

La dinamo es una máquina eléctrica que aprovecha elfenómeno de inducción electromagnética para transfor-mar la energía mecánica aplicada en su eje, en energíaeléctrica en forma de corriente continua.



Unidad didáctica 2


8

El uso de la dinamo con fines de generación de energía eléctrica se re-duce a aplicaciones de muy baja potencia. Su aplicación más comúnes la conocida como dinamo tacométrica, utilizada en controles de

velocidad, ya que proporciona una tensión directamente proporcional ala velocidad de giro del eje.

Actualmente, la corriente continua se obtiene bien a través de pilas yacumuladores, o bien mediante la rectificación de la corriente alterna.

Alternadores: generan corriente alterna.

El alternador es una máquina eléctrica que aprovecha elfenómeno de inducción electromagnética para transfor-

mar la energía mecánica aplicada en su eje en energíaeléctrica en forma de corriente alterna.

Desde su aparición, fueron desbancando a los generadores de tipo di-namo para la producción de energía eléctrica, dado que es mucho masfácil elevar y reducir el valor de tensión de la corriente alterna, factor degran importancia para el transporte energético. Es por esto que hoy endía, la práctica totalidad de la energía eléctrica generada se obtiene dealternadores.

En los siguientes apartados veremos en profundidad ambos tipos de generado-res.


Una dinamo es un generador eléctrico que produce co-rriente __________1 y su principal aplicación es como di-namo __________2. Un alternador es un generador eléctri-co que produce corriente __________3. El tipo de genera-dor más utilizado para la producción de energía eléctricaes __________4.

Solución:1 Continua.

2 Tacométrica.3 Alterna.

4 El alternador.



9

Unidad didáctica 2


1.2.

DINAMOS

Como decíamos, las dinamos son máquinas eléctricas rotatorias capaces detransformar la energía mecánica aplicada a su eje en energía eléctrica en formade corriente continua.

A continuación vamos a analizar el principio de operación y constitución de losdiferentes tipos de dinamos que podemos encontrar.

1.2.1.

DINAMOS DE IMANES PERMANENTES Y DE EXCITACIÓN

El campo magnético en una dinamo puede ser generado mediante imanes per-manentes o mediante excitación de bobinados (electroimán). El principio deoperación es el mismo para ambos tipos de dinamos, únicamente encontrare-mos diferencias en los aspectos contractivos de la máquina.

1.2.1.1.

Principio de operación

Si se hace girar una espira en el interior de un campo magnético aparece unafuerza electromotriz (f. e. m.) inducida en los conductores de la espira, la cual

supone la aparición de una tensión en los terminales.Esta tensión es de tipo senoidal, dado que el conductor cuanto más próximo seencuentra al polo norte del imán mayor diferencia de potencial aparece en susbornes, y conforme se aleja de este, va decreciendo su valor, alcanzando elmínimo cuando está más próximo al polo sur.

Fuerza electromotriz (f. e. m.) es la fuerza necesaria paratrasladar los electrones del polo positivo al polo negativo.

Observa en las siguientes figuras cuál es el punto de la onda sinusoidal corres-pondiente a cada posición de la espira.



Unidad didáctica 2


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Figura 1. Formación de la onda senoidal



11

Unidad didáctica 2


Observa en la figura que la tensión en extremos de la espi-

ra puede ser tomada referenciando el positivo en “a”, encuyo caso se obtiene Vab; o referenciando el positivo en“b”, en cuyo caso se obtiene Vba. Es importante que te descuenta de que los puntos a y b siempre tienen el mismovalor pero con signo contrario, cuando uno es positivo elotro es negativo, pero tienen el mismo valor absoluto.

Seguramente te estarás preguntando “¿cómo puede ser que una dinamo generecorriente continua si una espira girando en un campo magnético genera siempre

corriente alterna sinusoidal?”.

Pues bien, conectamos un circuito entre los terminales de la espira, de modoque la tensión en él sea Vab durante la media vuelta que el conductor “a” estámás próximo al polo norte. Cuando el punto “a” pase por 0, invertimos los ter-minales, quedando el circuito alimentado a Vba durante la otra media vuelta enla que el conductor “b” está más próximo al polo norte. De este modo, se obtie-ne una señal resultante de superponer ambas ondas (Vab y Vba) y eliminar lossemiciclos negativos. La onda resultante es la mostrada en la figura.

Figura 2. Onda resultante a la que es alimentado el circuito

En vez de tener que invertir manualmente los terminales de la espira para ali-mentar el circuito (lo que obviamente sería imposible, ya que gira a una veloci-dad considerable), lo que se hace es conectar los terminales a un anillo, divididoen dos partes aisladas entre sí, que gira solidario al eje de la espira. Los termi-nales del circuito a alimentar permanecen fijos, de modo que rozan con los con-tactos del anillo. En la siguiente figura se ilustra el sistema.



Unidad didáctica 2


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Figura 3. Conmutación de polaridad cada media vuelta para rectificación de señal

Aun así, la señal obtenida dista mucho de ser continua, como puede verse en lafigura 2; aunque ya no tiene valor negativo, llega a ser cero en algunos instan-tes. Para conseguir una señal más similar a una continua, lo que se hace esañadir espiras. Si se introduce otra espira, el anillo contactor habrá que dividirloen cuatro partes iguales, aisladas entre sí, y la señal resultante será la que semuestra a continuación:

Figura 4. Señal de salida de una dinamo de dos espiras

Observa en la figura cómo ahora la señal tiene muchamenos ondulación y cómo en ningún momento se hacecero. Esta señal ya está más cerca de ser corriente conti-nua.



13

Unidad didáctica 2


Utilizando cuatro espiras, la señal resultante quedaría de la siguiente forma:

Figura 5. Señal de salida de una dinamo de cuatro espiras

Una dinamo convencional está formada por multitud de espiras, por lo tantopuede decirse que la corriente obtenida es corriente continua.

El anillo donde van conectados los terminales de las espi-ras se denomina colector de delgas.

Cada una de las partes, aisladas entre sí, en la que está di-vido el anillo se le denomina delga.

1.2.1.2.

Aspectos constructivos y tecnológicos

Una vez comprendido el principio de operación de una dinamo, es posible intuirde qué va a estar compuesta.

Por el momento sabemos que se necesita:

Una parte fija, formada por imanes, para producir el campo magnético.

Una parte móvil, solidaria al eje donde se aplica la fuerza externa, queestará formada por:

Espiras o bobinas que cortan al campo magnético.

Un colector de delgas que recoge los contactos de todas las es-piras.

Un sistema fijo capaz de hacer contacto eléctrico con las delgas que seencuentran en movimiento rotatorio.



Unidad didáctica 2


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Por lo tanto, las partes y piezas fundamentales que constituyen una dinamo sonlas siguientes:

Estátor

El estátor es la parte estática de la máquina y es el encargado de generar elcampo magnético, por tanto también puede ser llamado inductor. Comodecíamos al principio del apartado, existen dos posibilidades para generar elcampo magnético:

Generación de campo magnético mediante imanes permanentes. Eneste caso se conoce al generador como dinamo de imanes perma-

nentes. Suele emplearse solamente en dinamos de pequeña potencia.

Generación del campo magnético mediante electroimán. En este caso

al generador se le denomina dinamo de excitación, ya que el campomagnético es generado aplicando excitación eléctrica a un bobinado.Por lo tanto, este tipo de dinamos requieren alimentación eléctrica parasu funcionamiento; para solventar este problema, existen técnicas queconsiguen dicha alimentación de la propia electricidad generada.

Un electroimán es una bobina a través de cuyas espirascircula una corriente eléctrica que genera un campomagnético y en cuyo interior se ha colocado un núcleo dehierro dulce para concentrar el campo. Por tanto, el cam-po magnético puede ser controlado mediante corrienteeléctrica.

Independientemente del tipo de estátor que sea, este puede estar formado porun solo par de polos (máquinas bipolares) o por varios pares de polos (máqui-nas multipolares).

Figura 6. Inductor bipolar



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Unidad didáctica 2


Rotor

El rotor o inducido es la parte móvil de la máquina, va ubicado en el interior del

estátor y separado de este por el entrehierro.

Entrehierro es el espacio de separación entre el estátor y elrotor.

El rotor está compuesto por:

Corona rotórica: consiste en un núcleo magnético de forma cilíndricaque constituye el circuito magnético rotórico. Está formado por chapasmetálicas apiladas sobre un eje cuyos extremos van apoyados en ro-damientos o cojinetes fijados a la carcasa. Dispone de un ranuradodestinado a alojar al devanado rotórico.

Devanado rotórico: está constituido por un conjunto de bobinas de co-bre que forman el circuito eléctrico rotórico. Va ubicado en las ranurasde la corona rotórica. Sobre estas bobinas es inducida la corriente eléc-trica que produce el generador.

Colector de delgas

Es el elemento característico de la máquina de corriente continua, ya que sufunción es convertir la corriente alterna en corriente continua. Podría decirse quees un rectificador mecánico. Está situado en el eje del rotor y gira solidario aeste. Está formado por un determinado número determinado de láminas de co-bre, llamadas delgas. Cada una de ellas va conectada a uno de los terminalesdel bobinado. Las delgas están aisladas entre sí y del eje rotórico por láminasde mica.

La mica es un mineral aislante de la electricidad. Por elloes utilizado en multitud de aplicaciones eléctricas yelectrónicas.



Unidad didáctica 2


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Figura 7. El rotor de corriente continua y sus partes

Escobillas

Las escobillas son un tipo de contactos con los que se consigue transferir lacorriente eléctrica del bobinado rotórico (en movimiento giratorio) al exterior.Esto se realiza a través del rozamiento de una pieza de grafito sobre las delgas.

1.3.

MÁQUINA ASÍNCRONA

Al inicio veíamos que existen dos tipos de generadores dependiendo de si pro-ducen corriente continua, dinamos, o corriente alterna, alternadores. Ahora noscentraremos en estos últimos y para ello los analizaremos en función de si setrata de máquinas asíncronas o máquinas síncronas. Esta clasificación hacereferencia a la relación entre la velocidad de cambio del campo magnético y lavelocidad de giro del rotor. Dependiendo del tipo, la tecnología utilizada es dife-rente.

Una máquina asíncrona, o también llamada de inducción, es

aquella cuya velocidad de giro del rotor es diferente a la velo-

cidad del campo magnético rotatorio.

Aunque ahora no te diga mucho esta definición, quédatecon la idea. En los siguientes apartados la explicaremos enprofundidad.



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Unidad didáctica 2


Recuerda que las máquinas eléctricas rotatorias, sean de corriente continua ode corriente alterna, son reversibles, es decir, pueden funcionar como motor ocomo generador.

1.3.1. GENERADOR ASÍNCRONO CONVENCIONAL Y DE DOBLE DEVANADO

A continuación vamos a analizar en qué consiste y de qué consta un generadorasíncrono convencional y, además, conoceremos las ventajas que presenta elde doble devanado.

1.3.1.1.


Al igual que las dinamos, el principio de funcionamiento de los alternadores estábasado en la inducción electromagnética. Pero en este caso se aplica de dife-rente forma.

Su funcionamiento consiste en hacer girar el rotor, en el mismo sentido y a unavelocidad superior a la que gira el campo magnético del devanado estatórico,llamada velocidad de sincronismo, la cual depende de la frecuencia de la redque lo alimenta y del número de polos por fase que tenga.

p

f nS

60

s

: velocidad de sincronismo en la unidad de revoluciones por mi-nuto (r. p. m.).

: frecuencia de la red que alimenta el devanado estatórico.

p: número de pares de polo por fase. (1 p = 1 polo N y 1 un poloS por cada fase).

Mientras el rotor no alcance la velocidad del campo magnético del bobinadoestatórico, este último induce una tensión en el rotor que genera un campo

magnético rotativo en él, cuando la velocidad del rotor es superior a la del cam-po magnético del estátor (velocidad de sincronismo), es el rotor el que inducetensión en el bobinado estatórico. Como la tensión en bornes del devanado es-tatórico es impuesta por la red a la que está conectado, se genera una corrientecon sentido de salida.

Por tanto, los generadores asíncronos absorben de la red potencia reactiva,necesaria para alimentar el devanado estatórico que genera el campo magnéti-co, y ceden potencia activa.



Unidad didáctica 2


18

Es posible la autoexcitación del generador, es decir, que

no requiere alimentación externa, si se le conecta unaadecuada batería de condensadores en los terminales delestátor.

Como hemos visto, para que la máquina asíncrona trabaje como generador esnecesario que la velocidad del rotor sea superior a la velocidad de sincronismo.La relación existente entre ambas velocidades se denomina deslizamiento (s),suele venir dado en porcentaje y se calcula de la siguiente forma:

100(%)

S

rotor S

n

nns

Si el deslizamiento tiene un valor negativo, significa que lamáquina asíncrona está trabajando como generador.

Si el deslizamiento tiene un valor positivo, significa que la

máquina asíncrona está trabajando como motor.

1.3.1.2. Aspectos constructivos y tecnológicos

Un generador asíncrono está formado principalmente por el rotor y por el está-tor, como cualquier máquina eléctrica rotatoria. Su particularidad radica en laconstitución del rotor.

Rotor

El rotor de una máquina asíncrona puede ser de dos tipos:

Rotor de jaula de ardilla: consiste en una serie de barras conductorascortocircuitadas por unos anillos laterales, las cuales van insertadassobre el ranurado del núcleo ferromagnético. Se dice que el devanadorotórico no es accesible, puesto que no presenta ninguna conexión conel exterior. Su peculiar nombre viene de la forma que presenta.



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Figura 8. Rotor de jaula de ardilla

Rotor bobinado: las bobinas van alojadas en las ranuras del núcleo fe-rromagnético y son cortocircuitadas en el exterior a través de los termi-nales de las escobillas, por tanto este devanado rotórico es accesible yse puede manipular para modificar sus características. Al disponer deescobillas y anillos rozantes, requiere mayor mantenimiento que el de jaula de ardilla, además es más caro y más voluminoso.

El rotor de una máquina asíncrona tiene sus conductorescortocircuitados o, en el caso de rotor bobinado, tambiénpuede tenerlos unidos a través de resistencias.

Estátor

El estátor está constituido por el devanado estatórico formado al menos portantas bobinas como fases tenga la máquina, las bobinas están distribuidas demodo equidistante entre ellas y cada bobina crea un par de polos. Es decir, sise trata de un generador trifásico, al menos tendrá tres bobinados distribuidosuniformemente cada 120º y en total el estátor tendrá tres pares de polos, esdecir, un par de polos por fase (1p).



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20

Figura 9. Estátor de generador asíncrono trifásico con los bobinados conectados en estrella

1.3.1.3.

Generador asíncrono de doble devanado

Como ya sabemos, un generador asíncrono necesita que la velocidad en su ejesea superior a la velocidad de sincronismo. Por otro lado, sabemos que la velo-cidad de sincronismo depende la frecuencia y del número de pares de polo de

cada fase, relacionados de la siguiente manera:

p

f nS

60

Según esta fórmula, si aumentamos el número de pares de polo, la velocidad desincronismo se reducirá y, en consecuencia, la máquina podrá funcionar comogenerador con una velocidad menor en su eje. ¿Y cómo podemos cambiar elnúmero de pares de polo?

Pues bien si colocamos dos devanados estatóricos de diferente cantidad depares de polos, conmutando uno u otro conseguiremos modificar el numero depolos de la máquina. De este modo, se conecta el devanado con menor númerode polos cuando la velocidad en el eje sea alta y se conecta el devanado conmenor número de polos cuando la velocidad en el eje sea baja.

Esta técnica es muy utilizada en aerogeneradores donde las velocidades deviento son muy variables, de este modo se consigue generar tanto con vientosflojos como con vientos fuertes.



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Unidad didáctica 2


La máxima velocidad en el eje que puede soportar un genera-dor asíncrono, sin que se dañe, es de un 5% a un 10% superior

a la velocidad de sincronismo (dependiendo de la máquina).

1.4.

MÁQUINA SÍNCRONA

A continuación analizaremos en profundidad la máquina síncrona. Recuerda quetoda máquina eléctrica rotatoria es reversible, es decir, que puede funcionarcomo generador y como motor. En este apartado veremos los principios de

operación desde el punto de vista de su funcionamiento como generador.

Máquina síncrona es aquella en la que la frecuencia de lacorriente por los bobinados estatóricos está en sincronis-mo con la velocidad de giro del rotor.

1.4.1.

GENERADOR SÍNCRONO CONVENCIONAL DE ROTOR DEVANADO YGENERADOR SÍNCRONO DE IMANES PERMANENTES

Al igual que en las dinamos, los generadores síncronos pueden generar el cam-po magnético, bien por imanes permanentes, bien por excitación de devanados.El principio de operación es el mismo para ambos tipos de generadores síncro-nos, únicamente encontraremos diferencias en los aspectos contractivos de lamáquina.

1.4.1.1.


Al igual que las máquinas anteriores, el generador síncrono está basado en elefecto de inducción electromagnética: al hacer girar una espira en el interior deun campo magnético, aparece una fuerza electromotriz (f. e. m.) inducida en losconductores de la espira, la cual supone la aparición de una tensión de tipo se-noidal en sus terminales. El modo de operación del generador síncrono no esexactamente como se describe, sino que es el campo magnético el que gira enel interior de un bobinado; el resultado es el mismo pero, como iremos viendo,tiene una serie de ventajas.



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22

En el generador síncrono, como su nombre indica, existe una relación directa,un sincronismo, entre frecuencia de la tensión generada y la velocidad de girodel rotor, sin que exista deslizamiento. Por tanto, en la máquina síncrona no

existe otra velocidad que la velocidad de sincronismo, la cual, como ya sabe-mos, queda definida por la expresión:

p

f nS

60


Si en algún momento te bloqueas o simplemente no en-tiendes algún término o descripción, ponte en contactocon tu tutor o tu entrenador. Ellos te pueden ayudar.


El generador síncrono es el más utilizado en generación eléctrica. Esto es debi-do a que la extracción de la corriente generada se realiza por los terminales delos bobinados del estátor (parte fija), por tanto se evitan problemas derivadosdel uso de escobillas y anillos rozantes para altas potencias. Esta técnica va adeterminar la constitución y características del rotor, del estátor y de las demáspartes que componen la máquina síncrona.

Rotor

El rotor es el encargado de generar el campo magnético, según el origen deeste pueden distinguirse dos tipos de rotores:

Rotor de imanes permanentes: el campo magnético es creado por ima-nes permanentes. La principal ventaja de este tipo de motores es queno necesitan escobillas. Por ello son conocidos como “máquinas

brushless”. Son utilizados en aplicaciones de poca potencia.

Rotor bobinado: el campo magnético es generado por medio de elec-troimanes, por tanto, necesita alimentación externa en corriente conti-nua para excitar los devanados rotóricos, lo que implica la necesidaddel uso de escobillas y anillos rozantes.



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Figura 10. Partes del generador síncrono de rotor bobinado

Dependiendo de la forma que presentan los polos, los rotores bobina-dos pueden ser de dos tipos:

Rotor de polos salientes: es adecuado para generación con bajavelocidad en la turbina. Se utiliza en la generación eólica e hidráu-lica.

Figura 11. Rotor de polos salientes

Rotor liso: es adecuado para generación con alta velocidad en laturbina. Utilizado en generación termoeléctrica.



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Figura 12. Rotor liso

Estátor

Aunque su modo de operación es diferente, el estátor de la máquina síncrona essimilar al de la máquina asíncrona. Está constituido, principalmente, por el de-vanado estatórico formado, al menos, por tantas bobinas como fases tenga lamáquina, es decir, una máquina trifásica tendrá al menos tres bobinas en elestátor. Para conseguir un sistema de tensiones equilibrado, las bobinas debenestar distribuidas de modo equidistante entre ellas.

Tal vez es el momento de descansar un poco, de tomarteun respiro.

Te estás enfrentando a un tema denso pero importante,toma fuerzas.

1.5. PROTECCIÓN DE GENERADORES

El generador es un elemento muy costoso y expuesto a múltiples peligros yaverías. Además, un fallo en él puede extenderse a toda la red si no se tomanmedidas oportunas para evitarlo. A continuación analizaremos los problemas yaverías que puede sufrir un generador y las medidas de protección que debentomarse para evitar o minimizar los daños.



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Unidad didáctica 2


Este apartado no es para que lo memorices, sino para quecomprendas los problemas que pueden aparecen en los

generadores y tengas noción de qué técnicas se utilizanpara solventarlos.

Los problemas pueden ser de origen interno o de origen externo al generador,por ello, para su análisis, los dividiremos en estos dos tipos.

Fallos de origen interno

Los fallos de origen interno pueden localizarse en el estátor o en el rotor.

Estátor:

Cortocircuito entre fases: es producido al entrar en contacto eléc-trico dos fases, se debe a un fallo en el aislamiento entre ellas.Supone la aparición de corrientes muy altas que pueden dañarseriamente los bobinados. Para proteger el generador ante estaavería se utilizan relés diferenciales, los cuales comparan la co-rriente entre las fases y el neutro; al producirse un cortocircuitoentre dos de ellas, se detecta una diferencia que hace disparar elrelé desconectando el generador del sistema.

Cortocircuito entre fase y tierra: al igual que el anterior, se debe a

un fallo en el aislamiento. En este caso, una de las fases hacecontacto con la carcasa de la máquina, la cual está conectada atierra. Para detectar esta avería y evitar daños, pueden utilizarsediferentes sistemas de protección. Uno de los más utilizados esconectar el neutro a tierra a través de una resistencia y en parale-lo a ella colocar un relé de sobretensión, de modo que al produ-cirse el contacto entre una de las fases y tierra se detecte la so-bretensión que origina y detenga la producción eléctrica del ge-nerador para evitar daños mayores.

Cortocircuito entre espiras: una vez más, la avería se produce por

fallo de aislamiento, esta vez entre las espiras de una misma fase.Esto puede originar importantes sobrecorrientes que pueden da-ñar seriamente el generador, por tanto es fundamental su detec-ción y protección. Para ello el método mas utilizado es compararlas corrientes entre dos devanados de la misma fase. En condi-ciones normales ambas corrientes son iguales; cuando se produ-ce el fallo, la corriente por uno de los devanados es muy superiora la del otro.



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Rotor:

Cortocircuito a tierra de los devanados rotóricos: este fallo puedesuponer un desequilibrio del flujo en el entrehierro y en conse-cuencia de las fuerzas magnéticas, lo que podría torcer el eje delrotor y hacerlo excéntrico. Para su protección se emplea un reléque, al detectar la desviación de corriente del devanado rotóricohacia masa, desconecta el generador del sistema.

Perdida de excitación: en caso de pérdida de excitación, el gene-rador pasa a comportarse como un generador asíncrono, es de-cir, que la velocidad en el rotor es superior a la de sincronismo, loque supondría un sobrecalentamiento peligroso de la máquina.Esto puede evitarse mediante un relé de subcorriente conectadoen serie al devanado rotórico. De este modo, en caso de detec-tarse una corriente inferior a la de funcionamiento normal de lamáquina, se desconectará el generador del sistema.

Fallos de origen externo

Motorización: se produce cuando la potencia mecánica aplicada al ejedel generador es menor que las pérdidas en vacío de la máquina; eneste caso, el generador pasa a comportarse como motor, suponiendoque la excitación sea suficiente para mover la turbina. El generador nosufrirá daños pero sí la turbina. Para evitar este problema se utiliza unrelé direccional de potencia, el cual, al detectar que la potencia es con-sumida en vez de generada, hace desconectar la excitación y el gene-rador del sistema.

Sobrecargas: se producen al conectar a la salida del generador unacarga de potencia superior a la generada; esta carga solicita más co-rriente de la que puede suministrar el generador, lo que supone un so-brecalentamiento del estátor. Por tanto, para su detección se utili-zan sensores térmicos embebidos en varios puntos del devanado es-tatórico.

Sobrevoltaje: la causa más común de tensiones anormalmente altas ala salida del generador es una sobrevelocidad en el eje de la máquina.Para detectarlas se conectan relés de sobretensión en los terminales de

salida del generador. Estos elementos de protección dan orden deapertura al interruptor del generador y al de excitación rotórica.



27

Unidad didáctica 2


2.

TRANSFORMADORES

Los transformadores son la pieza clave del transporte de energía eléctrica desdelas centrales generadoras hasta la industria y nuestros hogares.

Un transformador o trafo es una máquina eléctrica estáti-ca capaz de convertir un nivel de tensión alterna en otrodiferente, sin modificar la potencia de suministro.

Si un transformador no varía la potencia, significa que sí aumenta la tensión,

disminuye la corriente en la misma medida y viceversa. Este es el motivo por elque resulta tan importante en el trasporte de energía. Elevando la tensión desalida de la central generadora se reduce la corriente, lo que implica menorespérdidas en el transporte, puesto que las pérdidas son proporcionales al cua-drado de la corriente (Ppérdida = I2 x R), por tanto, si aumentamos en 10 veces latensión reducimos en 100 veces las pérdidas.

Figura 13. Transporte de energía eléctrica



Unidad didáctica 2


28

Estamos aproximadamente en la mitad de esta unidad.


Si necesitas reajustes, habla con tu entrenador.

Recuerda que el objetivo que nos hemos planteado conti-go es una carrera de fondo.

2.1. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN

La finalidad de los transformadores de tensión es elevar o reducir un valor detensión en otro, aunque ello implica reducir o elevar la corriente en la mismamedida. A continuación, veremos cómo es posible esta transformación, en quéprincipios está basada y cuáles son los aspectos constructivos de un transfor-mador.

2.1.1.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN

Un trasformador está formado por dos devanados arrollados sobre un mismonúcleo ferromagnético del modo que se muestra en la siguiente figura.

Figura 14. Transformador reductor

Por uno de los devanaos se introduce la energía eléctrica con unos valores detensión y corriente determinados; esta energía es convertida a energía magnéti-ca y, posteriormente, convertida a energía eléctrica con unos valores de tensióny corriente diferentes a los originales.



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Unidad didáctica 2


El devanado de entrada de la energía eléctrica se denomi-na primario, y el de salida secundario.

Al aplicar una tensión sinusoidal al bobinado primario se crea una corriente eléc-trica que circula por él y que induce un flujo magnético variable en el núcleo.Dicho flujo se distribuye por todo el núcleo y corta los conductores del secunda-rio, generando un pequeña f. e. m. en cada espira. El sumatorio de las fuerzaselectromotrices de todas las espiras del secundario da como resultado la ten-sión de salida del transformador.

No existen transformadores de corriente continua. Única-mente funcionan con corriente alterna.

No lo olvides.

Un devanado puede utilizarse como primario o como secundario dependiendode si lo que se desea es aumentar o reducir la tensión. Por tanto, podemos decirque el transformador es una máquina reversible.

Supongamos que tenemos un transformador que convier-te de 220 V a 110 V para alimentar un antiguo electro-doméstico. Para ello conectaremos la red al devanado de220 V y diremos que este es el primario; el electrodomés-tico lo conectaremos al otro devanado, el de 110 V, y di-remos que este es el secundario.

Ahora bien, supongamos que tenemos una antigua insta-lación eléctrica a 110 V y queremos alimentar un electro-doméstico nuevo. En este caso, conectaremos la red aldevanado de 110 V, que ahora será el primario, y el elec-trodoméstico al devanado de 220 V, que en este caso seráel secundario.



Unidad didáctica 2


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Si un transformador es utilizado para aumentar la tensión se dice que es untransformador elevador; por el contrario, si se utiliza para reducirla se dice quees un transformador reductor.

La relación entre el número de espiras del primario y el número de espiras delsecundario determina la relación entre la tensión de entrada y la de salida. Esteparámetro característico del transformador se denomina relación de transfor-

mación (m) y cumple con la siguiente expresión:

N1: número de espiras del primario

N2: número de espiras del secundario

V1: tensión en el primario2

1

2

1

V

V

N

N m

V2: tensión en el secundario

Por tanto, un transformador elevador tendrá una relación de transformación me-nor que 1 y un transformador reductor mayor que 1.

Como anteriormente decíamos, si la tensión aumenta, la corriente se reduce yviceversa, puesto que la potencia se mantiene constante. Por tanto, la relaciónentre las corrientes de primario y secundario y la relación de transformaciónserá:

1

2

I

I m

Si un transformador tiene una relación de transformaciónde 0,1 y la tensión aplicada en el primario es de 10 V:

a) ¿Cuál será la tensión en el secundario?

b)

¿Cuál será la corriente por el secundario si por el primarioes de 20 A?

Solución:

a)V2 = 100 V. b)I2 = 2 A



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Unidad didáctica 2


2.1.2.

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

De acuerdo con los principios de operación, un transformador está formadoprincipalmente por los siguientes elementos:

Núcleo: constituye el circuito magnético del transformador, está forma-do por láminas de acero al silicio asiladas en entre ellas, y agrupadasformando columnas y culatas.

Figura 15. Núcleo del transformador

Devanados: son bobinados de cobre arrollados sobre el núcleo magné-tico. Conforman el circuito eléctrico del transformador y, como ya sa-

bes, son dos: el devanado primario —por donde entra la energía eléc-trica— y el devanado secundario —por donde sale—.

Sistema de refrigeración: en todo transformador, por alto que tenga elrendimiento, siempre existen pérdidas que se presentan en forma decalor. Para evitar que estas pérdidas puedan suponer un calentamientoexcesivo de la máquina, se equipa al transformador con un sistema quedisipe el calor.

El aislante de los devanados es el elemento del transfor-

mador más sensible al calor, por tanto un calentamientoexcesivo de la máquina puede deteriorarlo, causando uncortocircuito entre las espiras de los bobinados.

Según el sistema de refrigeración utilizado, pueden distinguirse dos ti-pos de transformador:

Trasformador seco: es un transformador de pequeña potencia ybasta con equipar la carcasa con aletas disipadoras de calor.



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32

Transformador en baño de aceite: es un transformador de mediay alta potencia, que puede generar gran cantidad de calor; es porello que requiere un sistema de disipación efectivo. Este sistema

consiste en sumergir en aceite el núcleo y los devanados. Así, elaceite cumple con la doble misión de refrigerar el transformador yde aislar los elementos de la carcasa. Estos transformadores sonfáciles de identificar por el depósito de expansión colocado en laparte superior de este. Su función es permitir la expansión delaceite al calentarse y, de este modo, evitar sobrepresiones.

Figura 16. Transformador de baño en aceite

2.2. TRANSFORMADORES DE MEDIDA

La finalidad de los transformadores de medida es obtener a su salida una propor-ción exacta de la tensión o intensidad de un circuito de gran potencia. De este

modo, se evita la conexión directa de aparatos de medida a los circuitos de altatensión, facilitando y proporcionando seguridad al operario en las tareas de medi-da. Por otro lado, se reducen los requerimientos constitutivos de los aparatos demedida, lo que implica una importante reducción del coste de los mismos.

Para obtener el valor correcto de la magnitud que se des-ea medir, debe configurarse y calibrarse el aparato de me-dida en función la relación de transformación del trafo.



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Unidad didáctica 2


Los transformadores de medida pueden ser de dos tipos:

Transformadores de tensión: son transformadores reductores en losque el primario se conecta en paralelo al circuito de media o alta ten-sión que se desea medir, y el secundario al voltímetro.

Figura 17. Conexión para medida con transformador de tensión

Transformadores de intensidad: son transformadores reductores.Su constitución y modo de operación son similares a los de tensión,siendo la diferencia más significativa que su devanado primario estáformado por pocas espiras, en ocasiones solamente por una —así se

consigue reducir la resistencia del primario y, de esta manera, minimi-zar su influencia en el circuito a medir—. El primario se conecta en serieal circuito a medir y el secundario directamente al amperímetro.

Figura 18. Conexión para medida con transformador de intensidad



Unidad didáctica 2


34

3.

MOTORES ELÉCTRICOS

En este apartado veremos conceptos ya explicados anteriormente (recuerda,que una misma máquina eléctrica rotatoria puede funcionar tanto como motorcomo generador). Ahora el enfoque será desde el punto de vista de la máquinacomo motor.

Te aconsejamos que conforme vayas aprendiendo el fun-

cionamiento de cada tipo de motor, trates de recordar sufuncionamiento como generador. De este modo, habráscomprendido perfectamente cómo funciona cada máqui-na eléctrica.

Para comprender el funcionamiento general de un motor eléctrico, vamos ahacer un pequeño repaso a los fundamentos electromagnéticos que ya cono-ces.

Una carga eléctrica circulando por un conductor que está en el seno de uncampo magnético está sometida a una fuerza producida por la interacción deese campo magnético sobre la carga.



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Unidad didáctica 2


Figura 19. Influencia del campo magnético sobre una carga eléctrica

Si hacemos que la corriente entre y salga a través de una espira en el campomagnético, como indica la figura siguiente, originaremos dos fuerzas de sentidocontrario que producirán un par de fuerzas que harán girar la espira. Ya tene-mos nuestro motor.

Figura 20. Giro de una espira en un campo magnético



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A partir de aquí, la especialización tecnológica es tal y la cuestión ha sido tanestudiada que los motores han evolucionado alcanzando cotas de precisión yrendimiento muy altas, pasando a ser, como ya hemos dicho, los sistemas de

accionamiento más usados en la industria.

Un motor eléctrico es una máquina capaz de transformarenergía eléctrica en energía mecánica a través de proce-sos electromagnéticos.

3.1.

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

La máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria.Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores selecciones en aplicaciones de control y automatización de procesos.

La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad deregulación de su velocidad desde vacío a plena carga.

Con el avance de la electrónica han caído en desuso, ya que los motores de

corriente alterna del tipo asíncrono pueden ser controlados de igual forma aprecios más asequibles para el consumidor. A pesar de esto, actualmente lasmáquinas de corriente continua siguen empleándose en aplicaciones de lami-nadoras, trenes o tranvías.

La importancia de este tipo de motores radica en su sua-vidad de movimientos y su precisión; en la actualidad, es-to se consigue también para motores de corriente alternaincorporando un variador de frecuencia que aproxima

bastante el funcionamiento de estos al de los motores decorriente continua.



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Unidad didáctica 2


3.1.1.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN

Como veíamos, si se coloca en el interior de un campo magnético fijo una espirapor la que se hace circular corriente constante, aparecen en ella un par de fuer-zas que se superponen y que hacen girar la espira hasta posicionarla de modoque el conductor de la espira sobre el que se genera un polo sur queda lo máspróximo al polo norte del imán fijo y viceversa con el conductor sobre el que segenera un polo norte. En este punto, para mantener el giro de la espira será ne-cesario invertir el sentido de la corriente, de modo que el conductor que teníapolaridad sur ahora tendrá polaridad norte y se orientará hacia el polo norte delimán fijo y viceversa con el otro conductor.

Por lo tanto, para conseguir un giro completo de la espira es necesario invertir el

sentido de la corriente cada media vuelta. Esto se consigue conectando losterminales a un anillo, dividido en dos partes aisladas entre sí, que gira solida-rio al eje de la espira. Los terminales de alimentación permanecen fijos, de mo-do que rozan con los contactos del anillo. En la siguiente figura se ilustra el sis-tema.

Figura 21. Principio y partes fundamentales del motor de corriente continua

Si en vez de utilizar una espira utilizamos una bobina conseguiremos mayor in-tensidad de campo magnético y, por lo tanto, mayor fuerza. Y si en vez de utili-

zar una sola bobina utilizamos varias y las conectamos a un anillo con tantasdivisiones como terminales de bobina tengamos, conseguiremos un movimientomás suave y continuo. De este modo, quedaría constituido un motor de corrien-te continua.

La velocidad de giro de un motor de corriente continuadepende de la tensión aplicada. A mayor tensión, mayorvelocidad.



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38

3.1.1.1.

Aspectos constructivos y tecnológicos

Como hemos visto en la operación como generador de la máquina eléctrica decorriente continua, esta está formada por las siguientes partes:

Estátor: es la parte fija de la máquina. Sobre ella se sujetan todos loselementos que la componen y está formado principalmente por:

Carcasa: es la envoltura externa de la máquina y su finalidad esservir de sujeción de los elementos, de protección contra impac-tos y cuerpos extraños, y como disipador de calor.

Polos principales: están formados por chapas de acero magnéti-co sobre las que irá alojado el bobinado inductor. Constituyen lospolos del campo magnético.

Bobinado inductor: son bobinas de cobre, sobre las que se gene-ra el campo magnético al circular por ellas corriente eléctrica.

En motores de corriente continua de baja potencia, el estátor estáformado por imanes permanentes.

Rotor: es la parte móvil de la máquina, está alojado en el interior delestátor y separado de este por el entrehierro. Está formado por:

Corona rotórica: es el núcleo magnético sobre el que va alojado eldevanado rotórico.

Devanado rotórico: está constituido por bobinas interconectadasentre sí mediante delgas, su función es crear el campo magnéticodel rotor, el cual será dependiente de las características de ali-

mentación a la que sea conectado.

Colector de delgas: es el elemento característico de la máquina de co-rriente continua, su función es invertir el sentido de la corriente por ca-da bobina de modo sincronizado para conseguir el par de fuerzas queproducen el movimiento del rotor.

Escobillas: son los contactos con los que se consigue transferir la co-rriente eléctrica de alimentación al bobinado. Esto se realiza a travésdel rozamiento de una pieza de grafito sobre las delgas.

Figura 22. Diferentes ejemplos de rotor con colector de delgas



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Unidad didáctica 2



Si en algún momento te bloqueas o simplemente no en-tiendes algún término o descripción, ponte en contactocon tu tutor o tu entrenador. Ellos te pueden ayudar.

El efecto de la fuerza contraelectromotriz (f. c. e. m.)

Debido a que es reversible, el fenómeno por el cual una corriente al circular por

un conductor crea un campo magnético (caso del rotor) que, al estar bajo laacción de otro campo magnético exterior (el del estátor), genera movimientocircular. Tenemos que el movimiento de giro del rotor induce en las bobinas unvoltaje de signo opuesto al voltaje exterior aplicado, el cual se conoce con elnombre de fuerza contraelectromotriz (f. c. e. m.).

La f. c. e. m. es proporcional a la velocidad del motor y a laintensidad del campo magnético.

Cuanto más rápido gira el motor, mayor es el voltaje inducido, hasta un puntoque casi llega igualar el voltaje de alimentación. En ese momento la corriente esmínima, puesto que es proporcional a la diferencia de tensiones, y la velocidaddel motor permanecerá constante siempre que no esté bajo carga y tenga querealizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover el rotor.

Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en el rotor,deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente conti-

nua. Cuando el rotor está parado, este no tiene apenas resistencia, y si se aplicael voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente que podríadañar el conmutador y las bobinas del rotor.

Si no consigues entender bien por qué se produce la f. c. e.m. no te preocupes, lo importante es que sepas que existey que comprendas por qué no debe arrancarse directa-mente un motor de corriente continua.



Unidad didáctica 2


40

El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de arran-que conectada en serie con el rotor para disminuir la corriente hasta que el mo-tor consiga desarrollar la f. c. e. m. adecuada. Conforme el motor acelera, la

resistencia de arranque se va reduciendo gradualmente, bien sea de forma ma-nual o automática.

Un motor de corriente continua puede ser alimentado tan-to a corriente continua como a corriente alterna realizandounas pequeñas modificaciones. A este tipo de motores seles conoce como motores universales. Son ampliamente uti-lizados en pequeños electrodomésticos y máquinas herra-mientas como taladradoras, caladoras, etcétera.

3.2. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Con el desarrollo de la electrónica, los motores de corriente alterna y especial-mente los asíncronos han ido ganando terreno a los de corriente continua, debi-do especialmente a que el control de los asíncronos es más económico anteprácticamente las mismas características de operación del motor.

Tal es la importancia que hoy en día tienen los motores eléctricos de c. a., quealrededor del 70% del consumo de la energía generada se debe al funciona-miento de estos. Incontables ejemplos de su aplicación se tienen en la industria,el comercio, los servicios y el hogar.

Figura 23. Motor eléctrico de corriente alterna



41

Unidad didáctica 2


La diferencia fundamental entre los motores de corriente alterna y los de conti-nua es que en estos últimos el campo magnético permanece constante, ya quese debe o bien a imanes permanentes o a bobinados alimentados a corriente

continua. Sin embargo, en los motores de corriente alterna el campo magnéticose produce al alimentar los bobinados con corriente alterna, por tanto dichocampo es variable en intensidad y polaridad.

En los motores de corriente alterna, al igual que en los generadores, podemosdiferenciar dos tipos de máquinas dependiendo de la relación entre la velocidadde cambio del campo magnético y la velocidad de giro del rotor: motoressíncronos y motores asíncronos.

3.2.1. MÁQUINA SÍNCRONA

Se basa en el principio de funcionamiento de una brújula, es decir, el motor si-gue a los campos magnéticos al mismo ritmo que estos giran, por tanto su ve-locidad es síncrona.

Para entender el funcionamiento de un motor síncrono podemos pensar en elsiguiente ejemplo.

El campo magnético interior de una aguja se orienta de acuerdo a la polaridadque adopta en cada momento el campo magnético giratorio en que se halla in-mersa y siempre el polo S de la aguja se enfrenta al polo N de posición cam-biante según el campo giratorio. La aguja sigue cambiando con la misma velo-cidad con que lo hace el campo giratorio, es decir, se produce un perfecto sin-

cronismo entre la velocidad de giro del campo y la de la aguja.

Los motores síncronos están fundamentados en la reversi-bilidad de un alternador, es decir, este tipo de motores songeneradores trabajando en función inversa. Por tanto, lapráctica totalidad de los conceptos ya vistos en generado-res síncronos son aplicables en este apartado.

Dependiendo del tipo de alimentación que utilice el motor podemos diferenciarentre motores síncronos monofásicos y motores síncronos trifásicos. Están ba-sados en el mismo principio y, como veremos, únicamente se diferencian enalgunos factores.



43

Unidad didáctica 2


Si al mismo tiempo a las bobinas del rotor les aplicamos una c. c., estas crearánun campo magnético N-S, de forma que el rotor girará hasta llegar a sincroni-zarse con la velocidad del campo giratorio del estátor, de tal manera que se

enfrentan simultáneamente polos de signos diferentes. Este motor no puedegirar a velocidades superiores a las de sincronismo, por lo que será un motor develocidad constante.

La velocidad del campo y la del rotor dependerán del número de pares de polosmagnéticos que tenga la máquina y de la velocidad de la señal de red, es decir,de la frecuencia de la corriente eléctrica. Como ya hemos visto en varias oca-siones, la velocidad de giro del motor correspondiente con la velocidad de sin-cronismo puede calcularse mediante la siguiente fórmula.

p

f nS

60

ns: velocidad de sincronismo en la unidad de revolucio-

nes por minuto (r. p. m.).f: frecuencia de la red que alimenta el devanado estató-rico.

p: número de pares de polo por fase (1 p = 1 polo N y1 polo S por cada fase).

Para España la frecuencia es, como sabes, de 50 Hz, es decir, 50 veces en 1 se-gundo cambia de polaridad; por ello, los polos magnéticos cambian de polaridadN-S 50 veces en 1 segundo.

En este tipo de motores la regulación de la velocidad por parte del operario va adepender exclusivamente del valor de la frecuencia; por ello, si se varía la fre-cuencia, la velocidad de giro variará proporcionalmente.

Para variar la frecuencia se utilizan los variadores de frecuencia electrónicos,basados en componentes electrónicos como los triacs y tiristores.

3.2.2.

MÁQUINA ASÍNCRONA

Al igual que el resto de motores, su principio de funcionamiento se basa en losfenómenos de inducción electromagnética, pero en los motores asíncronos es-tos fenómenos se aplican de forma diferente.

Para comprender el funcionamiento, supongamos que tenemos un imán en for-ma de herradura que se hace girar mediante una manivela; debajo de él, bajo elinflujo de su campo magnético, se coloca un disco de cobre, colocado sobre uneje que le permita girar libremente, de la manera que se observa en la figura.



Unidad didáctica 2


44

Figura 24. Giro de un disco conductor por efecto de inducción electromagnética

Al girar la manivela, hacemos girar el imán y podríamos observar que el discogira a una velocidad ligeramente inferior. Como bien sabes, el cobre no esun material magnético, es simplemente un conductor. Entonces, ¿por qué semueve?

Se mueve por el principio de inducción electromagnética, es decir, cuando unconductor corta las líneas de campo se induce en él una fuerza electromotriz.Dicha f. e. m. supone la aparición de corrientes eléctricas en el disco, las cualesquedan bajo la influencia del campo magnético del imán generándose, de estemodo, fuerzas que ponen en movimiento al disco. Podría decirse que el disco esarrastrado por la acción del campo magnético del imán. El disco nunca podráalcanzar la velocidad de giro del imán, puesto que en tal caso la velocidad rela-tiva entre ambos sería cero, no se produciría el corte de las líneas de campo y,en consecuencia, desaparecería la f. e. m. inducida.

Una máquina asíncrona, o también llamada de inducción,es aquella cuya velocidad de giro del rotor es diferente a la

velocidad del campo magnético rotatorio.

Una vez comprendido el principio de funcionamiento en el que están basadoslos motores asíncronos vamos a analizar los diferentes tipos que existen, cómofuncionan y cómo están construidos.

En función del tipo de alimentación que utilice la máquina podemos diferenciar-los en motores asíncronos trifásicos y motores asíncronos monofásicos. Comoveremos, su principio de funcionamiento es el mismo, su constitución es muysimilar pero su modo de operación tiene diferencias importantes.



45

Unidad didáctica 2


3.2.2.1.

Motores asíncronos trifásicos de rotor bobinado y de jaula deardilla

Este tipo de motores son los más utilizados en la industria, especialmente los derotor de jaula de ardilla, ya que apenas requieren mantenimiento, son robustos yeconómicos.

Como ya vimos en los generadores asíncronos, existen dos tipos de máquinasasíncronas dependiendo de la constitución de su rotor. Estas pueden ser derotor bobinado o de rotor de jaula de ardilla.

3.2.2.1.1. Aspectos constructivos y tecnológicos

La constitución de los motores asíncronos es similar a la de los síncronos, conla diferencia de que los asíncronos tienen el rotor cortocircuitado y, en conse-cuencia, no requieren alimentación exterior.

Estátor

El estátor realiza la función de inductor, su constitución es idéntica a la de lamáquina síncrona. Sobre el núcleo que forma el circuito magnético estatóricovan alojadas las bobinas encargadas de producir el campo magnético rotatorio. Al tratarse de un motor trifásico, el devanado lo forman tres bobinas distribuidasuniformemente con 120º de separación entre ellas, ángulo que corresponde aldesfase entre las fases de alimentación. Los terminales de las bobinas son con-ducidos hasta la caja de conexiones del motor para que posteriormente puedarealizarse la conexión estrella o triángulo.

Rotor

El rotor es la parte diferenciadora de la máquina asíncrona. Su característicamás importante es que se encuentra en cortocircuito. De este modo, la f. e. m.

inducida por el estátor genera una corriente en él que interactúa con el campomagnético, produciendo el movimiento del rotor.

Como ya se ha comentado, existen dos tipos de motores dependiendo de laconstitución del rotor:

Motor de rotor bobinado: consta de un núcleo de acero en forma cilín-drica que constituye el circuito magnético del rotor. Sobre él va alojadoel devanado trifásico rotórico, el cual es cortocircuitado a través de co-nexionado exterior, lo que permite, mediante la conexión de resisten-cias, limitar la corriente de arranque, así como modificar las caracterís-



Unidad didáctica 2


46

ticas de par y velocidad. Este tipo de rotor supone la necesidad de es-cobillas y anillos rozantes para sacar sus conexiones al exterior.

Figura 25. Rotor bobinado con su conexión externa mediante anillos rozantes

La gran desventaja que presentan los motores de rotorbobinado frente a los de jaula de ardilla es la necesidad deescobillas y anillos rozantes. Estos elementos sufren des-gaste y requieren mantenimiento.

Motor de rotor de jaula de ardilla: consiste en una serie de barras con-ductoras cortocircuitadas por unos anillos laterales, las cuales van inser-tadas sobre el ranurado del núcleo ferromagnético. Se dice que el deva-nado rotórico no es accesible, puesto que no presenta ninguna conexióncon el exterior. Su peculiar nombre viene de la forma que presenta.

Figura 26. Sección de un motor asíncrono



47

Unidad didáctica 2


3.2.2.1.2. Principio de operación

El estátor está formado al menos por un bobinado por cada fase de la corrientealterna de alimentación. Estos bobinados están uniformemente distribuidos a lolargo de la circunferencia que forma el estátor. Por tanto, el campo magnéticoformado por el estátor será rotatorio y su velocidad vendrá impuesta por la fre-cuencia de la corriente (50 Hz).

Este campo magnético rotatorio induce una f. e. m. que, al estar el rotor corto-circuitado, supone la aparición de corrientes en sus barras. Bajo la acción delcampo magnético se generan fuerzas que provocan que el rotor comience a serarrastrado una velocidad diferente a la del campo magnético del estátor.

La relación existente entre ambas velocidades se conoce con el nombre de

deslizamiento (S) y queda definido por la siguiente expresión:

sn : velocidad de sincronismo, es decir, la velocidad del

campo eléctrico del estátor

s

ms

n

nnS

mn : velocidad del motor o velocidad de giro del rotor

3.2.2.2. Motores asíncronos monofásicos de rotor bobinado y de jaula deardilla

Al igual que los trifásicos, están formados por un estátor donde se alojan losdevanados inductores que en este caso estará formado por un solo devanado yun rotor cortocircuitado, bien sea de tipo bobinado o de jaula de ardilla. Además, su principio de funcionamiento es idéntico al de los trifásicos. Obvia-mente, la diferencia está en que los motores asíncronos monofásicos son ali-mentados entre una fase y neutro.

La mayoría de motores asíncronos monofásicos son deltipo jaula de ardilla.

Al disponer de un solo devanado rotórico no es posible crear un campo magné-tico rotatorio, lo que se crea es un campo magnético intermitente que cambiade polaridad a la velocidad de la frecuencia de red. El comportamiento del mo-



Unidad didáctica 2


48

tor es similar al de un transformador, puesto que se induce una f. e. m. en losconductores del rotor que produce la aparición de corriente y de fuerzas, perolos sentidos de estas fuerzas no contribuyen a poner en movimiento el rotor.

Para conseguir arrancar el motor sería necesario hacerlo girar manualmente yasí comenzaría a girar hasta alcanzar su velocidad nominal.

Evidentemente, si no existiera otra forma de arrancarlos que manualmente, es-tos motores no tendrían sentido alguno. A continuación veremos las principalestécnicas para conseguir que el motor arranque automáticamente:

Motor monofásico de fase partida. Consiste en insertar en el estátor unsegundo bobinado auxiliar, el cual produce un flujo adelantado conrespecto al principal consiguiendo crear un campo magnético rotatorio.

Motor monofásico de fase partida con condensador de arranque. Latécnica consiste en lo mismo que la anterior y además se añade un

condensador en serie al bobinado auxiliar. De este modo, se consigueun desfase del flujo cercano a 90º y así es posible conseguir mayor paren el arranque

Motor trifásico como monofásico. Es posible alimentar un motor asín-crono trifásico con una red monofásica siempre y cuando este tengaacceso completo a sus devanados estatóricos. Para ello se conecta uncondensador entre una de las fases y uno de los bobinados estatóricosdel modo que muestra la siguiente figura.

Figura 27. Conexión de motor trifásico para funcionar con alimentación monofásica

El objetivo es que sepas que existen técnicas para conse-guir arrancar automáticamente un motor asíncrono trifá-sico y que tengas una ligera noción de ellas. Así, si tienesque aplicarlas en tu futuro profesional te resultará muchomás fácil estudiarlas en profundidad.



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Unidad didáctica 2


CONCLUSIONES

Seguro que has despejado muchas de las dudas que tenías. Ahora ya eres ca-paz de ver las máquinas eléctricas desde una perspectiva más analítica. Cuandodesmontes un taladro o un electrodoméstico y veas su motor, serás capaz desaber de qué tipo es, diferenciar todas sus partes e incluso, conociendo su fun-cionamiento, puedes llegar a detectar algunas averías.

Por otro lado, aunque ahora no seas muy consciente de ello, toda esta informa-ción te será de enorme utilidad en tu futuro profesional, así que no dudes enconsultar esta unidad didáctica siempre que lo necesites.



Unidad didáctica 2


50

RECAPITULACIÓN

Existen dos tipos de generadores: las dinamos, que generan corrientecontinua, y los alternadores, que generan corriente alterna.

La dinamo tacométrica es la aplicación más utilizada de la dinamo.Proporciona una tensión directamente proporcional a la velocidad degiro del eje, por lo que es utilizada en controles de velocidad.

La máquina de corriente continua se caracteriza por el colector de del-

gas, cuya función es rectificar la señal sinusoidal.

Toda máquina eléctrica rotativa está formada por estátor —parte fija—

y rotor —parte móvil—.

El campo magnético en una máquina eléctrica rotativa puede ser crea-do por imanes permanentes o por excitación de bobinados (elec-troimán).

Las escobillas son un tipo de contactos con los que se consigue trans-ferir la corriente eléctrica del bobinado rotórico (en movimiento girato-rio) al exterior y viceversa.

Una máquina síncrona es aquella cuya velocidad de giro del rotor esidéntica a la velocidad de giro del campo magnético rotatorio.

Una máquina asíncrona, o también llamada de inducción, es aquella

cuya velocidad de giro del rotor es diferente a la velocidad del campomagnético rotatorio.

La velocidad de sincronismo depende de la frecuencia de la red quealimenta el inductor y del número de polos por fase que tenga.

p

f nS

60.

La relación existente entre la velocidad del campo magnético rotatorio yla velocidad de giro del rotor se denomina deslizamiento (s).



51

Unidad didáctica 2


Para que la máquina asíncrona trabaje como generador es necesariauna velocidad de rotor superior a la de sincronismo.

Si el deslizamiento tiene un valor negativo significa que la máquinaasíncrona está trabajando como generador.

Si el deslizamiento tiene un valor positivo significa que la máquina asín-crona está trabajando como motor.

La máquina asíncrona se caracteriza por tener los bobinados del rotoren cortocircuito.

Con un generador asíncrono de doble devanado pueden conseguirsedos velocidades de sincronismo diferentes, pudiendo conseguirsela generación tanto a velocidades bajas como altas, dentro de ciertorango.

Los motores brushless son aquellos que no llevan escobillas.

Un transformador, o trafo, es una máquina eléctrica estática capaz deconvertir un nivel de tensión alterna en otro diferente, sin modificar lapotencia de suministro.

Los transformadores son maquinas reversibles, es decir pueden utili-zarse como elevadores o como reductores dependiendo de qué bobi-nado se utilice como primario y secundario.

No existen transformadores de corriente continua. Únicamente fun-cionan con corriente alterna.

La relación entre el número de espiras del primario y el número de espi-

ras del secundario determina la relación entre la tensión de entrada y lade salida. Este parámetro característico del transformado se denominarelación de transformación (m).

La velocidad de giro de un motor de corriente continua depende de latensión aplicada. A mayor tensión, mayor velocidad.

La velocidad de giro de un motor de corriente alterna depende de lafrecuencia de la señal de alimentación aplicada. A mayor frecuencia,mayor velocidad.

Un motor de corriente continua no puede arrancarse directamente,pues la ausencia de fuerza contraelectromotriz supondría una corrientemuy elevada por sus devanados, que dañaría seriamente el motor.

Un motor de corriente continua puede ser alimentado tanto a corrientecontinua como a corriente alterna, realizando unas pequeñas modifica-ciones. A este tipo de motores se les conoce como motores universa-

les.



53

Unidad didáctica 2


AUTOCOMPROBACIÓN

1.

En una dinamo, ¿cuál es la función del colector de delgas?

a)

Producir el campo magnético.

b)

Es el punto de aplicación de la fuerza mecánica.

c)

Rectificar la corriente alterna sinusoidal.

d)

Sujetar los devanados estatóricos.

2.

Cuantas más bobinas rotóricas tenga una dinamo:

a)

Mayor rizado tendrá la señal generada.

b)

Menor rizado tendrá la señal generada, tendiendo a aproximarse a co-rriente continua.

c)

Menor velocidad será necesaria en el rotor para generar corriente.

d)

Mayor velocidad será necesaria en el rotor para generar corriente.

3.

¿Cómo se denomina al espacio de separación entre el rotor y el está-

tor?

a)

Escobilla.

b)

Corona rotórica.

c)

Devanado.

d)

Entrehierro.



Unidad didáctica 2


54

4.

¿De qué depende la velocidad de sincronismo de una máquina eléctri-

ca de corriente alterna?

a)

De la frecuencia a la que se alimenta el inductor y del numero de polospor fase.

b)

De la tensión de alimentación.

c)

De la corriente de alimentación.

d)

Del número de bobinados rotóricos y del número de fases de la máquina.

5.

¿Cuántos pares de polos tiene una máquina síncrona si sabemos que

su velocidad nominal es de 1.500 r. p. m. y se alimenta a una red eléc-

trica de 50 Hz?

a)

3 pares de polos.

b)

30 pares de polos.

c)

2 pares de polos.

d)

20 pares de polos.

6.

Si nos dicen que el deslizamiento de una máquina asíncrona es positi-

vo, significa que:

a)

Funciona como generador.

b)

Funciona como motor.

c)

Se está alimentando con corriente continua.

d)

El rotor no se mueve porque patina.

7.

¿Como se denomina a la relación entre el número de espiras del prima-

rio y el número de espiras del secundario de un transformador?

a)

Deslizamiento.

b)

Relación de reversibilidad.c)

Relación de transformación.

d)

Relación de bobinados.



55

Unidad didáctica 2


8.

¿Por qué no puede hacerse un arranque directo en un motor de co-

rriente continua?

a)

Porque no tiene suficiente par para arrancar.

b)

Porque no crea un campo magnético rotatorio.

c)

Porque al estar parado no existe fuerza contraelectromotriz y al aplicar latensión de alimentación la corriente por los devanados sería demasiadoelevada.

d)

Sí que puede hacerse, no existe ningún problema.

9.

¿Qué peculiaridad tiene el rotor de las máquinas asíncronas?

a)

Que siempre es de jaula de ardilla.

b)

Que tiene sus conductores cortocircuitados.

c)

Que es de imanes permanentes.

d)

Que necesita escobillas para su excitación.

10.

Un transformador elevador tiene una relación de transformación:

a)

Menor que 1.

b)

Igual a 1.

c)

Mayor que 1.

d)

Menor que 0.



57

Unidad didáctica 2


SOLUCIONARIO

1.

c 2.

b 3.

d 4.

a 5.

c

6.

b 7.

c 8.

c 9.

b 10.

a



Unidad didáctica 2


58


Puedes profundizar más en los diferentes sistemas de excitación de las dina-mos, así como en sistemas de autoarranque de motores asíncronos monofási-cos.

Para ello, existe enorme cantidad de información sobre máquinas eléctricas enla Red, solo tienes que introducir en tu buscador el tipo de máquina de la quie-res obtener más información. Para familiarizarte con los motores, te recomen-damos que pruebes a introducir en tu buscador de imágenes “motor eléctrico”.Puedes utilizar, por ejemplo, el buscador Google imágenes.



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Unidad didáctica 2


BIBLIOGRAFÍA

BAYOD RÚJULA, A. A. Energías renovables. Fundamentos de sistemaseléctricos. Zaragoza: Prensas Universitarias de Zaragoza, 2008.

ALCALDE SAN MIGUEL, P. Electrotecnia. Equipos e instalaciones elec-trotécnicas. Madrid: Tomson Paraninfo, 2005.

SANZ, J. F. Máquinas eléctricas. Máquinas de corriente continua, trans-formadores y máquinas de corriente alterna. Zaragoza: Copy Center,2008.




3

E_

T e x t o ( 0 1 ) . d o t

Electrónica

D I P 2 7 8_

0 3_

V ( 0 1 ) .



1

Unidad didáctica 3

Electrónica

ÍNDICE

MOTIVACIÓN ..................................................................................................3

PROPÓSITOS ..................................................................................................4


1. ELECTRÓNICA BÁSICA .....................................................................................7

1.1. ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTES BÁSICOS.................................................7 1.1.1. RESISTENCIAS..............................................................................................................................8

1.1.1.1. Potencia máxima y disipación en la resistencia ................................................................. 12 1.1.2. CONDENSADORES........................................................................................................................ 12

1.1.2.1. Carga y descarga de condensadores................................................................................. 14

1.1.3. BOBINAS O INDUCTANCIAS ............................................................................................................. 16

1.1.4. DIODOS.................................................................................................................................... 18

1.1.4.1. Semiconductores ........................................................................................................... 18

1.1.4.2. Unión P-N ..................................................................................................................... 19

1.1.5. T RANSISTORES BIPOLARES .............................................................................................................24

1.1.6. CIRCUITOS INTEGRADOS ................................................................................................................30

1.1.7. AMPLIFICADORES OPERACIONALES ....................................................................................................32

1.1.8. CONVERTIDORES ANALÓGICOS Y DIGITALES...........................................................................................37 1.2. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA .....................................................................46

1.2.1. DIODOS....................................................................................................................................46

1.2.1.1. Principio de operación....................................................................................................46

1.2.1.2. Aspectos constructivos y tecnológicos.............................................................................48

1.2.2. T IRISTORES ...............................................................................................................................48

1.2.2.1. Principio de operación....................................................................................................49


1.2.2.3. Tiristores GTO................................................................................................................52



Unidad didáctica 3


2

1.2.3. T RANSISTORES MOSFET ...............................................................................................................52

1.2.3.1. Principio de operación y aspectos constructivos y tecnológicos ..........................................53

1.2.4. T RANSISTORES IGBT ....................................................................................................................58

1.2.4.1. Principio de operación y aspectos constructivos y tecnológicos ..........................................59

2. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ............................................................................. 61

2.1. T EORÍA DE FUNCIONAMIENTO DE CIRCUITOS ANALÓGICOS BÁSICOS ................................................ 61

2.2. T EORÍA DE FUNCIONAMIENTO DE CIRCUITOS DIGITALES BÁSICOS ...................................................63 2.2.1. OPERACIONES BÁSICAS DEL ÁLGEBRA DE BOOLE ....................................................................................63

2.2.2. PUERTAS LÓGICAS ...................................................................................................................... 66

2.3. ESQUEMAS DE REPRESENTACIÓN ..................................................................................... 69

3. CIRCUITOS CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA CONVENCIONALES....................72

3.1. RECTIFICADOR MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO NO CONTROLADO .........................................................72 3.1.1. RECTIFICADOR MONOFÁSICO ...........................................................................................................73

3.1.1.1. Rectificador monofásico en media onda............................................................................ 73

3.1.1.2. Rectificador monofásico en onda completa .......................................................................75

3.1.2. RECTIFICADOR TRIFÁSICO ...............................................................................................................78

3.2. RECTIFICADOR MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO CONTROLADO ............................................................. 81 3.2.1. RECTIFICADOR CONTROLADO POR TIRISTORES........................................................................................82

3.2.1.1. Rectificador monofásico controlado de media onda............................................................82

3.2.1.2. Rectificador monofásico totalmente controlado ................................................................84

3.2.1.3. Rectificador trifásico totalmente controlado.....................................................................86

3.2.2. RECTIFICADOR PWM CON IGBT.......................................................................................................88

3.3. INVERSOR MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO ..................................................................................92

3.3.1. INVERSOR MONOFÁSICO EN PUENTE COMPLETO......................................................................................92

3.3.2. INVERSOR PWM........................................................................................................................ 94

CONCLUSIONES ............................................................................................ 99

RECAPITULACIÓN ......................................................................................... 100

AUTOCOMPROBACIÓN .................................................................................... 103

SOLUCIONARIO .............................................................................................107 PROPUESTAS DE AMPLIACIÓN ........................................................................... 108

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 109



3

Unidad didáctica 3

Electrónica

MOTIVACIÓN

Podríamos situar el nacimiento de la electrónica a principios del siglo pasado.En tan solo 100 años, su desarrollo ha logrado revolucionar el mundo que nosrodea.

Sin querer generalizar, hoy nada funciona sin estar controlado por al menos uncircuito electrónico. Vivimos inmersos en la llamada era de la electrónica.

En esta unidad, vamos a ver las bases de la electrónica, que nos serán muy úti-les para comprender los principios de multitud de sistemas.



Unidad didáctica 3


4

PROPÓSITOS

Al finalizar el estudio de esta unidad, habrás conseguido:

Conocer tipos, fundamentos y funcionamiento de los componenteselectrónicos fundamentales, como resistencias, diodos, transistores,amplificadores operacionales…

Aprender las bases de la electrónica digital.

Saber en qué consisten, cómo funcionan y qué tipos de convertidoreselectrónicos de potencia existen.



5

Unidad didáctica 3

Electrónica


En esta unidad didáctica vamos a tratar los siguientes temas:

Componentes electrónicos básicos. Funcionamiento y aspectos cons-tructivos y tecnológicos.

Dispositivos electrónicos de potencia. Funcionamiento y aspectosconstructivos y tecnológicos.

Teoría de funcionamiento de circuitos analógicos y digitales.

Circuitos convertidores electrónicos de potencia. Rectificadores e in-

versores. Técnica PWM.



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Unidad didáctica 3

Electrónica

1. ELECTRÓNICA BÁSICA

La electrónica es el campo de la ingeniería dedicado al diseño de sistemas, quemediante el control de los electrones son capaces de generar, transformar, en-viar y recibir información, así como adaptar las diferentes magnitudes eléctricasa los requerimientos deseados.

Como puedes imaginar, la electrónica abarca un campo enormemente amplio,así que en este apartado nos centraremos la parte más básica aunque no porello menos importante.

1.1. ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTESBÁSICOS

La electrónica la conforman una innumerable cantidad de componentes. A con-tinuación veremos los componentes fundamentales a partir de los cuales sedesarrollan componentes mucho más complejos y específicos.

En todas las materias, y especialmente en la electrónica, la

base son los cimientos del conocimiento. No tengas prisa

y pon todo tu interés ello.



Unidad didáctica 3


8

1.1.1. RESISTENCIAS

La corriente eléctrica se basa en el movimiento de cargas eléctricas a lo largode un material. La medida de la oposición que ofrece ese cuerpo al paso de lacorriente eléctrica por su interior se conoce como resistencia eléctrica. Así, losmateriales se clasifican en conductores —si ofrecen poca resistencia al paso dela corriente— y aislantes o dieléctricos —en el caso contrario—. No existen ma-teriales conductores ni aislantes puros, sino materiales que conducen mejor laelectricidad que otros. Presentan buenos valores de conducción los elementosconsiderados metálicos y mala los considerados no metálicos. En medio existenunos elementos, algunos del grupo del carbono, que tienen características in-termedias entre los metales y los no metales: son los semiconductores.

Resistencia también hace referencia a componentes electrónicos cuya finalidad

es producir una caída de tensión en un circuito, creando una diferencia de po-tencial (d. d. p.) entre dos puntos.

La unidad de medida de las resistencias es el ohmio ( ), pero también se empleanmuy a menudo sus múltiplos:

Kiloohmio (k ) = 103 .

Megaohmio (M ) = 106 .

Frecuentemente, en los esquemas electrónicos el valor de

la resistencia va acompañado de una letra en vez del

símbolo del ohmio (Ω).

R indica ohmios.

K indica kiloohmios.

M indica megaohmios.

Si la letra se encuentra entre dos cifras, por ejemplo 1K5,

es lo mismo que sustituir la letra por una coma y desplazar

dicha letra al final de la cantidad (1,5 K).

Podemos distinguir dos tipos de resistencias dependiendo de si su valor es fijoo variable.

Resistencias fijas

Su valor resistivo es siempre el mismo, no es posible modificarlo a voluntad. Serepresentan por los símbolos mostrados en la figura.

Figura 1. Símbolos de representación de resistencia fija



9

Unidad didáctica 3

Electrónica

El fabricante indica el valor óhmico de la resistencia y su tolerancia mediante uncódigo de franjas de colores.

Los valores en las resistencias se encuentran codificados

en bandas de distintos colores. Cada uno tiene un signifi-

cado y número asociado para determinar el valor óhmico

de la resistencia.

Existen dos tipos de código, dependiendo del número de franjas:

Código de cuatro franjas: las dos primeras franjas indican las dos pri-

meras cifras del valor. La tercera franja indica el factor de multiplicaciónde las dos anteriores, es decir, si se trata centenas y decenas o unida-des de millar y centenas, etc. La cuarta franja indica el valor de toleran-cia, porcentaje de error que puede tener la resistencia respecto al valorindicado.

Código de cinco franjas: es igual que el de cuatro franjas, pero este nosda mayor resolución del valor indicando una tercera cifra del valor.

Veamos la siguiente figura para entender mejor ambos códigos de colores:

Figura 2. Código de colores de las resistencias



Unidad didáctica 3


10

¿Qué valor corresponde a la resistencia cuyas franjas tie-

nen los colores marrón, rojo, rojo, oro?

El código es de cuatro franjas, así que el color marrón va

en la primera posición; se corresponde con el número 1 el

color rojo; en segunda posición se corresponde con el

número 2; el color rojo en tercera posición indica el factor

de multiplicación (100), por lo que el valor de la resistencia

será 1.200 . La banda oro indica tolerancia del 5%.


¿Qué valor corresponde a la resistencia cuyas franjas tie-

nen los colores marrón, rojo, negro y oro?

Solución:

Es un código de cuatro franjas, marrón = 1 y rojo = 2, negro como factor

multiplicador no modifica los número anteriores y oro como tolerancia

indica el 5%. El valor es 12 5%.

Realiza el siguiente ejercicio..

1 Marrón, rojo, oro, oro

2 Rojo, amarillo, naranja,

marrón, rojo

3 Marrón, negro, rojo, plata

4 Naranja, naranja, rojo,

plata.

3K3 a

1,2 b

1K c

2430 d

Solución:

1 b, 2 d, 3 c, 4 a.



11

Unidad didáctica 3

Electrónica

Resistencias variables. Potenciómetros

En este tipo de resistencias puede ajustarse su valor al valor deseado, dentro de

ciertos límites.

Figura 3. Símbolos de resistencias variables

A diferencia de las anteriores, estas resistencias tienen tres terminales: los dosde los extremos corresponden a la parte estática y la resistencia entre ellos fija;

el terminal central corresponde a la parte móvil, la cual se desplaza haciendocontacto con la resistencia fija. Por tanto, el valor resistivo entre un contacto fijoy el cursor es variable.

Figura 4. Distintos tipos de potenciómetros

Los potenciómetros consiguen variar la resistencia que

ofrecen en función de un mayor o menor giro manual de

su parte móvil.



Unidad didáctica 3


12

1.1.1.1. Potencia máxima y disipación en la resistencia

Una resistencia en un circuito realiza dos funciones: la primera es la de limitar elpaso de corriente y la segunda es la de convertir energía eléctrica en energía ca-lorífica. La energía eléctrica es la entregada por la fuente de tensión del circuito yparte de esa energía se transforma en calor al circular la corriente por la resisten-cia.

La resistencia disipa ese calor a través de su superficie al aire que la rodea. Lamáxima cantidad de calor que puede disipar sin destruirse o, lo que es lo mis-mo, la máxima cantidad de energía que puede consumir es lo que se denominapotencia máxima

La potencia máxima de una resistencia es la máxima can-

tidad de calor que puede disipar sin destruirse.

La potencia de una resistencia de las empleadas en electrónica viene determi-nada por su tamaño: cuanto mayor sea el tamaño, mejor podrá disipar el calor y,como consecuencia, menos le afectará este a la propia resistencia para alterarsu valor. Las más usadas en resistencias de carbón son: 1/8 W, 1/4 W, 1/2 W,

1 W y 2 W.

1.1.2. CONDENSADORES

Un condensador es un componente que tiene la capaci-

dad de almacenar cargas eléctricas y suministrarlas en un

determinado momento.

El empleo del condensador en circuitos eléctricos y electrónicos es muy varia-do. Algunos ejemplos son: filtrado de corriente, temporizadores, sintonizado-res de emisoras, evitar el paso de la corriente continua de un circuito a otro,etcétera.



13

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 5. Símbolos habituales de condensadores

Constitución

Los condensadores se componen de dos placas metálicas (armaduras) enfrenta-das y separadas por un aislante polarizable (dieléctrico), como aire, papel, cerá-mica, mica, plásticos, etc. Las placas del condensador se van llenando de cargaspositivas y negativas respectivamente, hasta alcanzar el mismo potencial de lafuente. Si baja la tensión de la fuente, el condensador cederá parte de su cargahasta igualar dicha tensión.

Figura 6. Constitución de un condensador

El condensador cargado se comporta como un circuito abierto cuando se leaplica corriente continua, permitiendo el paso de corriente si es alterna. Estapropiedad se emplea para el filtrado.

Capacidad

Capacidad es la propiedad que tiene un condensador de almacenar cargaseléctricas al aplicarle una tensión entre sus armaduras. Se denomina como larelación existente entre la carga almacenada y la tensión aplicada.

V

QC



Unidad didáctica 3


14

Donde:

C: capacidad en faradios.

Q: carga almacenada en culombios.

V: diferencia de potencial en voltios.

La unidad de capacidad es el faradio, pero al ser esta unidad muy grande paralas capacidades normales de los condensadores, se emplean los submúltiplosdel faradio:

Microfaradio F = 10-6 F.

Nanofaradio nF = 10-9 F.

Picofaradio pF = 10-12 F.

La capacidad de un condensador depende de:

La distancia existente entre las placas.

El número de placas.

El dieléctrico.

La temperatura.

El condensador es un componente electrónico que es ca-

paz de almacenar cargas en su interior. La unidad de medi-

da del condensador es el faradio (F).

1.1.2.1. Carga y descarga de condensadores

Para detallar el proceso de carga y descarga del condensador, nos apoyaremosen el circuito de la figura siguiente. Disponemos de una fuente de tensión, eneste caso una batería, una resistencia (que llamaremos de carga) y un conden-sador. Todo ello conectado con un conmutador forma dos circuitos: 1, que seráel circuito de carga, y 2, que será el circuito de descarga.



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Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 7. Circuito de carga y descarga de condensador

Carga

Con el conmutador en la posición 1, llega la corriente a través de la resistencia.En el primer instante la intensidad alcanza su valor máximo y, a medida que seva cargando el condensador, va aumentando la tensión en él y la intensidad vadisminuyendo. Cuando la tensión en el condensador alcanza el valor de la ten-sión de la batería, quedan al mismo potencial, por lo tanto, deja de circular co-rriente.

En realidad nunca llega a cargarse por completo, ya que tienen pérdidas de car-ga. En teoría se considera cargado cuando ha transcurrido un tiempo (t), queviene determinado por la siguiente expresión:

t = 5 · (R · C)

Para que la unidad de tiempo sea el segundo, el resto de elementos de lafórmula ha de estar expresado en las unidades siguientes:

R · C Es la constante de tiempo ( )

R Resistencia empleada para la carga, en ohmios

C Capacidad del condensador, en faradios

Figura 8. Gráficas de corriente y tensión durante la carga de un condensador



Unidad didáctica 3


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Un condensador nunca se carga a la tensión aplicada, pe-

ro se considera cargado después de cinco constantes de

tiempo. La constante de tiempo depende de la capacidaddel condensador y de la resistencia del circuito de carga.

Descarga

Para conseguir la descarga, tendremos que pasar el conmutador a la posición 2.En el instante inicial la tensión descenderá rápidamente, existe también un granpaso de corriente que aparecerá con valores negativos, debido a que está circu-lando en sentido contrario al de carga. La tensión disminuye hasta hacerse nula;como no existe diferencia del potencial, también se hará nula la intensidad.

Figura 9. Gráficas corriente y tensión durante la descarga de condensador

Gran parte de los condensadores tiene polaridad, es decir,

que no pueden ser conectados aleatoriamente. Recuerda

respetar siempre su polaridad, de lo contrario el conden-

sador se destruirá.

1.1.3. BOBINAS O INDUCTANCIAS

La bobina, también conocida como inductancia, es un

componente electrónico pasivo que tiene la capacidad de

almacenar energía eléctrica en forma de campo magnéti-

co cuando la corriente que circula a través de él aumenta.



17

Unidad didáctica 3

Electrónica

La energía almacenada por la bobina es devuelta cuando la corriente disminuye,intentando, de este modo, mantenerla constante.

Una bobina se opone a los cambios de la corriente. Podría decirse que hace deinercia en el circuito en que se encuentra. La bobina reacciona ante dichoscambios generando un voltaje entre sus extremos que se opone al aplicado;este voltaje es proporcional al cambio de la corriente.

Si abrimos bruscamente un circuito donde haya una bobi-

na, aparece un gran pico de tensión capaz de dañar otros

componentes del circuito. Para evitarlo será necesario es-

tablecer un camino opcional a la corriente, para lo cual se

coloca un diodo en antiparalelo a la bobina.

Hay que reseñar que si se trata de corriente continua, la bobina se comportacomo un cortocircuito, puesto que al ser constante no se produce autoinduc-ción en el bobinado.

Constitución

Una bobina está formada por el núcleo, que constituye el circuito magnético, yun arrollamiento de hilo conductor, destinado a producir el flujo magnético. De-pendiendo de las características de las dos partes, quedará determinada la in-ductancia de una bobina.

Inductancia

La inductancia es el parámetro característico de la bobina y cuantifica la propie-dad de un circuito o elemento de oponerse al cambio de la corriente eléctrica.Se representa por la letra “L” y su unidad es el henrio (H), utilizándose más habi-tualmente sus submúltiplos:

Milihenrio (0,001 H) representado por mH.

Microhenrio (0,000001 H) representado por μH.

El valor de inductancia depende de las siguientes características constructivasdel componente:

Número de espiras del arrollamiento. A mayor número, mayor induc-tancia.

Diámetro de las espiras. A mayor diámetro, mayor inductancia.



19

Unidad didáctica 3

Electrónica

Existen dos tipos de semiconductores:

Semiconductores intrínsecos: son semiconductores puros, es decir,que están formados únicamente por átomos de un solo material semi-conductor.

Semiconductores extrínsecos: son semiconductores a los que se leshan añadido impurezas (átomos) de otro material para aumentar suconductividad. Pueden distinguirse dos tipos de semiconductores de-pendiendo de si las impurezas ceden o aceptan electrones.

Tipo N: son aquellos a los que se les han añadido impurezas conelectrones libres. Este tipo de impurezas se denominan donado-ras.

Tipo P: son aquellos a los que se les han añadido impurezas conhuecos disponibles, es decir, que aceptan electrones. Este tipo

de impurezas se denominan aceptoras.

1.1.4.2. Unión P-N

Un cristal semiconductor tipo N o tipo P carece de utilidad. Es un dispositivocon una cierta resistividad y su comportamiento en un circuito no se alejaríamucho del de una resistencia. Cuando verdaderamente se aprecia la utilidadque tienen los semiconductores es al unir dos cristales, uno tipo N y otro tipo P,quedando algo parecido a esto:

Figura 11. Unión P-N

En un semiconductor existen dos tipos de portadores de

carga, los electrones libres y los huecos. Si el semiconduc-

tor es tipo N, tiene más electrones libres, producto de las

impurezas pentavalentes, y si es tipo P, tiene más huecos,

producto de las impurezas trivalentes.



Unidad didáctica 3


20

Ambos cristales son eléctricamente neutros: los de tipo P están formados poriones negativos y huecos, y los de tipo N están formados por iones positivos yelectrones.

Al unir un semiconductor P con un semiconductor N se desencadena un proce-so para conseguir el equilibrio entre ambas partes. Los electrones del cristal tipoN más próximos a la unión se ven atraídos por los huecos del cristal P y atravie-san la unión para recombinarse.

Figura 12. Paso de portadores mayoritarios (electrones) del cristal N al P

Cada electrón que abandona el lado N y pasa al lado P deja tras de sí un átomocargado positivamente. Dicho de otro modo, la ausencia de esos electrones enel cristal N origina su ionización, quedando cargado positivamente. De igualmodo ocurre en el cristal P: los electrones procedente del cristal N se recombi-

nan con huecos del cristal P, quedando ionizado con carga negativa. Poco apoco, los electrones más próximos a la unión (ya no solo los de la primera fila) seirán pasando al cristal P para seguir recombinándose.

Como sabemos, las cargas de igual signo se repelen, de manera que los elec-trones que se recombinan van calando cada vez más fuerte en el cristal P, hastaque son capaces de rechazar a los que todavía quedan en el cristal N. Aunquesu deseo de pasar es muy fuerte, llega un momento en el que esto es imposible,estableciéndose un equilibrio que se traduce en la aparición de un campo eléc-trico asociado a la barrera que se opone a flujo de portadores.

Figura 13. Campo eléctrico asociado a la barrera



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Unidad didáctica 3

Electrónica

El potencial formado se denomina barrera de potencial y oscila —según la tem-peratura, la unión y la naturaleza de los cristales— entre 0,3 y 0,7 voltios.

Una vez alcanzado el equilibrio, la zona a ambos lados de la unión ha quedado

vacía de portadores de carga móviles y se denomina zona de deplexión o zonade empobrecimiento (recuerda: es negativa en el lado P y positiva en el lado Nde la unión).

Figura 14. Diferentes tensiones en la barrera a 25 ºC




¿Qué utilidad tiene una unión P-N en equilibrio y qué tiene que ver esto con eldiodo?

Pues bien, sigamos viéndolo paso a paso, analizando el funcionamiento

del diodo.Como decíamos, una vez en equilibrio la unión, los electrones del cristal N noson capaces de saltar por sí mismos, y la barrera se estabiliza. La única manerade que esos electrones salten es mediante el aporte de energía desde el exte-rior. Para conseguirlo se conecta una fuente de tensión externa. Con esto, quese llama polarización de la unión PN , conseguimos nuevos efectos, que vamos aver a continuación.



Unidad didáctica 3


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Polarización directa

Se trata de conectar el polo positivo de la pila al cristal P y el negativo al cristal

N, tal y como se indica en la figura siguiente.

Figura 15. Polarización directa

El polo negativo de la fuente de alimentación suministra electrones al cristal N(cuyos portadores mayoritarios son los electrones) y el positivo inyecta huecos orecoge electrones del cristal P.

De esta forma, los electrones existentes en el cristal N se ven repelidos con lasuficiente fuerza como para saltar la barrera y alcanzar los huecos del cristal P.

En estas condiciones, vemos que aparece una corriente eléctrica a través de launión PN. Se trata de un circuito eléctrico cerrado, siendo así solamente cuandoel potencial de la polarización exterior supere el potencial de la unión. Así, porejemplo, una unión PN de silicio (0,7 V de tensión de barrera) polarizado direc-tamente permitirá el paso de la intensidad de corriente al aplicarle una tensiónsuperior a 0,7 V. En caso contrario, no se establece circulación de corriente.

Por este motivo, al potencial de barrera se le denomina tensión umbral , ya que,si se le aplica una tensión menor, no circula corriente por la unión.

Polarización inversa

Si conectamos el polo positivo de la fuente de alimentación al lado N y el polonegativo al lado P, la unión queda polarizada inversamente.



23

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 16. Polarización inversa

En esta conexión, el positivo de la pila absorbe los electrones existentes en ellado N, y el polo negativo absorbe los huecos del lado P. Puede considerarsecomo una retirada o aniquilación de los portadores mayoritarios conseguidos deantemano en cada cristal.

El hecho es que se produce un ensanchamiento de la zona de empobrecimientohasta que la barrera de potencial alcanza el mismo valor que el de la batería; enestas condiciones, la corriente es nula, comportándose la unión como un circui-to abierto.

En conclusión un diodo es un componente electrónico formado por la unión dedos semiconductores extrínsecos, uno P y otro N. Al aplicar una tensión exter-

na, polarizada directamente, lo suficientemente alta (del orden de 0,7 V), se es-tablece la libre circulación de corriente a través del componente, comportándo-se como un conductor. Por el contrario, si se aplica una tensión externa en mo-do inverso, el componente se opone al paso de corriente, comportándose comoun aislante.

Un diodo polarizado directamente permite el paso de la co-

rriente eléctrica.

Un diodo polarizado inversamente bloquea el paso de la

corriente eléctrica.

Figura 17. El diodo. Apariencia física y símbolo eléctrico



Unidad didáctica 3


24

Figura 18. Diodos comunes

1.1.5.

T RANSISTORES BIPOLARES

El transistor es el componte estrella de la electrónica moderna. Su apariciónsupuso un importante avance que permitió el rápido desarrollo de los sistemaselectrónicos.

Figura 19. Transistores bipolares

El transistor bipolar, conocido también como BJT (acrónimo de bipolar junctiontransistor ), es un dispositivo de tres terminales —denominados emisor (E), base (B) y colector (C)—, que contiene dos uniones PN, colocadas una a continuación

de otra. El emisor y el colector son del mismo tipo de semiconductor mientrasque el de la base es distinto. Así, existen dos tipos de BJT:

NPN: donde la base es semiconductor tipo P y el emisor y el colectorson tipo N.

PNP: donde la base es tipo N y el emisor y el colector son tipo P.

La base es un semiconductor muy poco dopado, y además es muy estrecha,mientras que el emisor lo está fuertemente. El colector tiene un nivel de dopajeintermedio entre el del emisor y el de la base.



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Unidad didáctica 3

Electrónica

La introducción de impurezas en un semiconductor se

denomina dopado.

Físicamente, la base rodea al emisor y el colector rodea a la base, de maneraque el único camino posible para ir del emisor al colector es a través de la base.

Figura 20. Esquema de un BJT

Figura 21. Uniones PN en el BJT

El funcionamiento es simple: en condiciones normales, el emisor lanza los por-tadores de carga mayoritarios para que sean recogidos por el colector; la basese encarga de regular este tránsito, como el mando de un grifo regula el caudalde agua que sale de él.

Un transistor está formado por tres cristales semiconduc-

tores unidos, dando lugar a arquitecturas PNP y NPN.



Unidad didáctica 3


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Polarización de un transistor

Para que los portadores de carga mayoritarios del emisor atraviesen la unión

emisor-base, esta ha de estar polarizada en sentido directo. De la misma ma-nera, para que estos portadores, una vez en la base, donde son portadoresminoritarios, lleguen al colector, la unión base-colector ha de estar polarizadaen sentido inverso.

Fijémonos en el caso de un BJT tipo NPN y vamos a ir paso a paso:

a) Para que los electrones del emisor atraviesen la unión emisor-base, lapolarizamos directamente, de manera que la base es más positiva queel emisor (VBE>0). Los electrones que abandonan el emisor camino de labase forman la corriente de emisor (IE ).

b) Los electrones llegan a la base. Algunos se recombinarán, muy pocos,ya que, como comentamos antes, la base está muy poco dopada y esmuy estrecha, por lo que tiene pocos huecos en comparación con lagran cantidad de electrones que le llegan del emisor. Estos pocos elec-trones que se recombinan en la base forman la denominada corrientede base (IB ).

c) Estos electrones en la base son portadores de carga minoritarios, re-cuerda que la base es tipo P. Así, si han de cruzar la base y penetrar enel colector, la unión base-colector ha de estar polarizada en sentido in-verso. La base ha de ser menos positiva que el colector, VCB>0. Estoselectrones, que procedentes de emisor llegan al colector y salen al cir-cuito externo, forman la corriente de colector (IC ).

Ten en cuenta que en ningún momento los portadores de carga, electrones li-bres en este caso, se acumulan en ningún sitio. Por cada electrón que abando-na el emisor para alcanzar la base hay un electrón libre que entra en el emisorprocedente de la fuente de tensión Vee.

Por cada electrón del emisor que se recombina en la base, un hueco del polopositivo de la fuente Vee entra a la base.

Si el electrón no se recombina en la base, atraviesa la unión base-colector y saleal circuito externo, cerrando el circuito a través de la fuente Vcc y Vee.

Figura 22. Corrientes en un BJT NPN polarizado



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Unidad didáctica 3

Electrónica

Todo lo dicho es válido para los transistores PNP, solo que cambiará la formade polarización —colector menos positivo que la base y esta menos positivaque el emisor— y en lugar de hablar de electrones deberemos hablar de huecos

o de electrones de enlace.

Existen, por tanto, tres corrientes en el transistor NPN con

el sentido indicado en la figura: las corrientes de la base y

el colector entran al transistor y la del emisor sale. En un

PNP, la de la base y la del colector salen y la del emisor

entra.

Figura 23. Símbolos eléctricos de transistores bipolares. NPN y PNPrespectivamente

La flecha del emisor indica el sentido de la corriente de es-

te terminal en cada uno de los tipos de BJT.

Ya sabemos que una determinada corriente introducida en la base de un tran-sistor correctamente polarizada origina un valor de corriente por colector deter-

minada y que es función de la corriente de base.Pero ¿cómo funciona?, ¿si sube una, baja la otra?, ¿cuánto sube la de colector sisube la de base? Estas preguntas tienen respuesta si hablamos del parámetro másimportante del transistor: la ganancia de corriente, también llamada (beta) o hFE enalgunos manuales. Este valor, característico de cada componente y particular decada uno, es el que relaciona las corrientes, dando lugar a la ecuación fundamentalque rige el funcionamiento del transistor:

Ic = · Ib



Unidad didáctica 3


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Donde Ic es la corriente de colector, Ib la de base y es el parámetro que lasrelaciona. En los transistores más comunes, la oscila entre 50 y 150.

Zonas de funcionamiento

Dependiendo de la polarización del transistor y de la corriente de base, puedendefinirse tres zonas de funcionamiento bien diferenciadas. Observa la siguientegráfica de las curvas características del transistor.

Figura 24. Circuito de polarización del transistor

Figura 25. Curvas características del transistor. Diferentes zonas defuncionamiento

Zona de saturación: en esta región, las tensiones de colector-emisorson muy pequeñas, prácticamente cero. Sin embargo, las corrientes debase y colector son las máximas permitidas para el correcto funciona-miento. En estas condiciones el transistor se comporta como un inter-ruptor cerrado.



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Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 26. Equivalente de un transistor BJT en saturación

Zona de bloqueo o corte: el transistor trabaja en esta región cuando lacorriente de base es nula, en consecuencia, la corriente de colectortambién lo será y la tensión colector-emisor (Vce) será coincidente conla tensión de alimentación, Vce ≈ Vcc. En esta zona el transistor secomporta como un interruptor abierto.

Figura 27. Equivalente de un transistor BJT en corte

Zona activa: en esta zona el transistor se comporta como amplificador,

es decir, la corriente de colector es definida por la corriente de basemultiplicada por el factor β.

Fundamentalmente un transistor puede utilizarse como

un interruptor controlado por tensión o corriente de puer-

ta, haciéndolo funcionar en corte y saturación; o como un

amplificador, haciéndolo funcionar en modo activo, pues-

to que un pequeño incremento de la corriente de puerta

supone un gran incremento en la corriente de colector.



Unidad didáctica 3


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1.1.6. CIRCUITOS INTEGRADOS

El desarrollo de los circuitos integrados supuso un gran avance en la electrónicamoderna, al conseguir implementar complejos circuitos electrónicos en peque-ños componentes de reducido volumen y bajo consumo.

Figura 28. Los circuitos integrados han supuesto la evolución de la electrónicamoderna

El circuito integrado, también conocido como chip o mi-crochip, es una fina oblea semiconductora, generalmente

de silicio, sobre la que se construye un circuito electrónico

que desarrolla una función específica. Esta oblea está pro-

tegida por un encapsulado plástico o cerámico y sus co-

nexiones son llevadas al exterior a través de patillas con-

ductoras.

Figura 29. Circuito integrado de memoria borrable mediante luz ultravioleta.Puede apreciarse la oblea de silicio protegida por el encapsulado



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Unidad didáctica 3

Electrónica

El éxito de los circuitos integrados radica en las ventajas que presentan frente alos componentes discretos. Estas son, principalmente, las siguientes:

Reducido coste: aunque el diseño y desarrollo de un nuevo chip supo-

ne una inversión importante, al fabricarse millones de unidades en se-rie, su precio final es mucho más reducido que el correspondiente a to-dos los elementos discretos que integra, al que habría que sumar el desu ensamblaje.

Gran eficiencia energética: los circuitos integrados tienen mucho mejorrendimiento y menor consumo, puesto que utilizan microcomponentesque disipan una mínima potencia y, además, están interconectados en-tre sí sin necesidad de cables, lo que reduce las pérdidas.

Reducido tamaño: puede que esta sea su ventaja más notable. Un solocircuito integrado puede contener millones de transistores, lo que su-

pone reducir enormemente el volumen y peso de un aparato electróni-co, haciéndolo más atractivo para el usuario final. Un claro ejemplo deesto son los teléfonos móviles o los ordenadores portátiles.

Figura 30. Los circuitos integrados permiten la construcción de aparatoselectrónicos de reducido tamaño

Hoy en día existen infinidad de modelos de chips, que realizan cualquier tipo defunción, por tanto pueden hacerse diferentes clasificaciones de acuerdo a multi-tud de factores. A continuación los clasificaremos según las características deoperación y la función que desarrollan. Podemos distinguir los siguientes tipos:

Circuitos integrados lineales o analógicos: son aquellos que trabajan enmodo lineal, es decir, de forma similar a un transistor en modo activo, aun valor de entrada le corresponde uno proporcional de salida. Se utili-zan en aplicaciones de tratamiento de señales y amplificación.



Unidad didáctica 3


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Circuitos integrados digitales: son aquellos que trabajan de modo todoo nada; los únicos estados posibles son estado alto (1) o estado bajo(0), sin la posibilidad de contemplar valores intermedios. Operan de

modo similar que un transistor en corte y saturación. Circuitos integrados de consumo: son aquellos con funciones específi-

cas ampliamente utilizadas en aplicaciones concretas. Como por ejem-plo chips de receptores GPS, de audio y vídeo, cargadores de bateríasde litio.

Circuitos integrados programables: son aquellos capaces de realizar di-ferentes funciones según el programa introducido por el usuario. Unejemplo de ellos son los microcontroladores y microprocesadores.

Circuitos integrados especiales: son aquellos que tienen funciones muyespecíficas en aplicaciones muy concretas; su precio suele ser más ele-

vado que los demás tipos, ya que no son ampliamente utilizados. Sususos están destinados a aplicaciones médicas, militares o espaciales.

Cuando necesites saber la función que realiza un circuito

integrado, introduce en tu buscador de Internet el código

de referencia que lleva impreso, acompañado de la pala-

bra “datasheet”. Encontrarás fácilmente las hojas de datos

del fabricante, donde tendrás toda la información sobre el

circuito integrado.

1.1.7. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

El amplificador operacional, abreviado como AO, es el circuito integrado máspopular y más ampliamente utilizado gracias a su versatilidad y a la gran canti-dad de operaciones que pude realizar. Integra en un pequeño chip un complejocircuito electrónico.



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Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 31. Esquema interno de un AO convencional (LM741)

Un amplificador operacional (AO) es un amplificador dife-

rencial de alta ganancia. Dicho de otro modo, amplifica la

diferencia de tensión entre sus dos entradas, multiplicán-

dola por un valor enormemente elevado denominado ga-nancia en bucle abierto.

Figura 32. Representación del amplificador operacional

La principal propiedad de un amplificador operacional es la de amplificar la dife-rencia de tensión aplicada en los terminales de entrada negativo y positivo, de-nominados entrada inversora y entrada no inversora respectivamente. Comodecíamos, la ganancia del amplificador es extraordinariamente alta (200.000). Latensión de salida viene dada por la siguiente expresión:

Vo = (Vi+ - Vi- ) Ko Donde Ko es la ganancia en bucle abierto



Unidad didáctica 3


34

Por tanto, utilizando directamente el AO solo podremos obtener a la salida dosopciones —estado alto o estado bajo— cuyas tensiones quedarán limitadas alos valores de tensión de alimentación. Así pues, dependiendo de qué entrada

presenta mayor tensión, la salida tomará el valor +Vcc o -Vcc. Podría decirseque se comporta como un comparador de tensiones.

Tenemos un AO alimentado a 15 y -15 voltios, como indi-

ca el fabricante, y aplicamos una tensión de 5 voltios en la

entrada no inversora y una tensión de 3 voltios en la en-

trada inversora. ¿Qué tensión de salida obtendremos?

Si aplicamos la fórmula:

Vo = (Vi+ - Vi-) x Ko

Y suponemos una ganancia en bucle abierto de 200.000,

tendremos:

Vo = (5 - 3) x 200.000 = 400.000 V.

Pero, como es lógico, tensión de salida queda limitada a la

tensión de alimentación positiva, por tanto Vo ≈ 15 V.

Si ahora invertimos las tensiones como se muestra en la

figura y aplicamos la fórmula:

Vo = (3 - 5) x 200.000 = -400.000 V, que quedarán limita-

dos a la tensión de alimentación negativa, Vo = -15 V.



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Unidad didáctica 3

Electrónica

Esta función resulta muy útil para ciertas aplicaciones, pero seguro que estáspensando que sería mucho más útil si fuese posible controlar el valor de ganan-cia.

En efecto, este valor puede controlarse de una manera muy sencilla, medianteuna red externa de realimentación.

La realimentación consiste en introducir la señal de salida

en la entrada, constituyendo, de este modo, un bucle ce-

rrado.

Con una realimentación negativa (de la salida a la entrada inversora) se consiguela estabilidad del amplificador, reduciendo la ganancia respecto a la correspon-diente a la de bucle abierto y obteniendo un funcionamiento lineal en un ampliorango.

La ganancia de un amplificador operacional puede con-

trolarse mediante realimentación negativa, lo cual se con-

sigue conectando una resistencia entre la salida y la en-

trada inversora y otra en dicha entrada. La relación entreambas resistencias establecerá el valor de la ganancia.

A continuación analizaremos las diferentes estructuras y funciones de las etapasbásicas con realimentación negativa.

Etapa inversora

La ganancia correspondiente a la etapa invasora es configurada mediante R2 yR1. Al introducirse la señal por la entrada inversora, a la salida se obtendrá unaseñal inversa cuya amplitud dependerá del cociente entre ambas resistencias,como establece la fórmula mostrada bajo la figura. Observa que la etapa puedeser configurada como amplificadora o como reductora dependiendo de si R2 esmayor que R1 o viceversa.



Unidad didáctica 3


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Figura 33. Estructura de la etapa inversora

Función matemática de la etapa inversora:

Vi R

RVo

1

2

Etapa no inversora

Al igual que en la anterior, la ganancia es configurada por la red resistiva de re-alimentación negativa. En esta etapa la señal es introducida por la entrada noinversora, por tanto a la salida se obtendrá una señal igual que la de entradapero amplificada. Observa que esta etapa no puede configurarse como reducto-ra, únicamente como amplificadora.

Figura 34. Estructura de la etapa no inversora

Función matemática de la etapa no inversora:

Vi R

RVo )1(

1

2



37

Unidad didáctica 3

Electrónica

Etapa diferencial

La etapa diferencial o restadora nos permite obtener la diferencia entre las dos

tensiones de entrada multiplicada por una constante, que es la ganancia, quedependerá de los valores de R2 y R1, como se deduce de su expresión ma-temática.

Figura 35. Estructura de la etapa diferencial

Función matemática de la etapa diferencial:

)( 211

2

V V R

R

Vo

1.1.8. CONVERTIDORES ANALÓGICOS Y DIGITALES

Un convertidor analógico/digital tiene la función de transformar la señal analógi-ca obtenida de un sensor en una señal digital, para que pueda ser tratada porun sistema de procesamiento. Una vez procesada, el sistema digital de proce-samiento actúa en consecuencia emitiendo una orden digital que tendrá que sertransformada en analógica mediante un convertidor digital/analógico para quepueda ser interpretada por el actuador.

Pensemos en un grabador-reproductor de voz. Cuando

graba, las ondas de sonido son recogidas por el micrófono

(sensor) y transformadas a una señal eléctrica de tipo

analógico, que posteriormente es convertida a digital me-

diante un convertidor analógico/digital, para que pueda ser

tratada y almacenada en la memoria.



Unidad didáctica 3


38

Cuando reproduce, la señal digital extraída de la memoria

es convertida a señal analógica mediante un convertidor

digital/analógico, y de este modo haga funcionar el alta-

voz (actuador).

Antes de entrar a fondo en los convertidores, es importante conocer bien en quéconsisten las señales analógicas y las señales digitales.

Señales analógicas

Señal analógica es aquella que adquiere infinitos valores continuos diferentes,

en un intervalo de tiempo. Veamos un ejemplo para comprenderlo.

Figura 36. La temperatura es una magnitud analógica

Cuando tomamos la temperatura ambiente en casa mediante un termómetro ydecimos que “hoy la máxima ha sido de 20 grados centígrados y la mínima de10 grados centígrados”, seguramente no hemos pensado nunca en los valoreshabidos durante la jornada entre esas cotas.

Además, si nos hacemos la pregunta “¿cuántos valores distintos podría habertenido la temperatura entre el máximo y el mínimo?”, deberemos contestar “infini-tos”, debido a la siguiente afirmación: por muy pequeño que hagamos el intervalode temperaturas, siempre se puede obtener otra intermedia, y así sucesivamente.

La siguiente imagen nos da una idea de lo mencionado.



39

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 37. Intervalos con valores infinitos

En un sistema analógico la información puede adquirir in-

finitos valores continuos diferentes, en un intervalo dado

Señales digitales

A diferencia de las señales analógicas, que pueden tomar un número infinito devalores, las señales digitales solo pueden tomar dos valores distintos.

La señal que aparece a continuación puede tomar únicamente dos valores, “0”o “1”. Es, por tanto, una señal digital.

Figura 38. Señal digital

La electrónica digital reduce su funcionamiento al uso de dos números, el “0” yel “1”, llamados estados o niveles lógicos. Estos estados corresponden a unnivel de tensión determinado, por ejemplo 0 y 5 voltios, o 0 y 12 voltios.



Unidad didáctica 3


40

No debemos quedarnos solamente con la idea particularmente algebraica de lacuestión. Podemos pensar más allá y determinar que con esos dos dígitos,además de representar la idea de tener “0” cosas o “1” cosa podemos determi-

nar estados de un sistema —lleno-vacío, alto-bajo, abierto-cerrado—, aumen-tando las posibilidades de control, simplemente conociendo qué significan losmencionados dígitos:

1 0

ABIERTO CERRADO

LLENO VACÍO

SUPERIOR INFERIOR

...... .......

En función del estado de estas magnitudes se pueden realizar acciones. Porejemplo, sobre la alarma de una puerta automática puede actuarse cuando seencuentra abierta (1) y no cuando se encuentra cerrada (0), sin importarnos losestados intermedios de la misma, que pueden ser infinitos o, como habrás de-ducido, analógicos.

La base de funcionamiento de la tecnología digital se re-

duce al uso de dos dígitos, llamados niveles lógicos, que

son el “1” y el “0”.

¿Pero cómo podemos convertir una señal analógica de infinitos valores en unaseñal digital de dos?

Supongamos ahora, que en vez de tener una puerta de acceso que solo interesaconocer si está abierta o cerrada, tenemos una compuerta para desaguar unpantano. En este caso interesa conocer en qué punto exacto de apertura seencuentra. Según lo que hemos visto podría pensarse que esta información nopuede conseguirse con una señal digital, pues únicamente son posibles dosestados.

Pero ¿y si utilizamos dos señales digitales?

De este modo ya tenemos cuatro posibles estados, y podemos detectar másposiciones de la compuerta.

SEÑAL DIGITAL 1 SEÑAL DIGITAL 2 ESTADO DE LA COMPUERTA

0 0 CERRADA

0 1 ABIERTA MENOS DE LA MITAD

1 0 ABIERTA MÁS DE LA MITAD

1 1 COMPLETAMENTE ABIERTA



41

Unidad didáctica 3

Electrónica

¿Y si en vez de 2 señales digitales utilizamos 3? Así tendremos 8 posibles esta-

dos. ¿Y si utilizamos 4 señales? Conseguiremos diferenciar entre 16 posicionesde la compuerta, que no son los infinitos que nos proporcionaría una señalanalógica pero son suficientes para controlar con una precisión aceptable elagua que sale.

ESTADO DE LAS LÍNEAS Información

SD1 bit más significativo) SD2 SD3 SD4 bit menos significativo) Apertura

0 0 0 0 0 - 1/160 0 0 1 1/16 - 2/160 0 1 0 2/16 - 3/160 0 1 1 3/16 -4 /16

0 1 0 0 4/16 -5 /160 1 0 1 5/16 -6 /160 1 1 0 6/16 - 7/160 1 1 1 7/16 -8 /161 0 0 0 8/16 -9 /161 0 0 1 9/16 - 10/161 0 1 0 10/16 -11 /161 0 1 1 11/16 -12 /161 1 0 0 12/16 - 13/161 1 0 1 13/16 - 14/161 1 1 0 14/16 - 15/161 1 1 1 15/16 - 16/16

Observa en la tabla que, conociendo únicamente el valor de la señal digital 1(SD1) podemos afirmar si la compuerta está abierta a más de la mitad o menosde la mitad, por eso se dice que es el bit más significativo (MBS o Most Signifi- cant Bit ). Por el contrario si únicamente conocemos el valor de SD4 no pode-mos saber cómo se encuentra la compuerta, por eso se dice que es el bit me-nos significativo (LSB o Least Significant Bit ).

Cada combinación de señales se denomina palabra. Una palabra está formadapor una cantidad determinada de dígitos (unos o ceros) llamados bits. Al igualque los números decimales, el dígito de la izquierda es el de mayor peso y el

dígito de la derecha el de menor.

Figura 39. Palabra de ocho bits



Unidad didáctica 3


42

Lógicamente, podemos aumentar la cantidad de líneas de transmisión (señalesdigitales) tanto como queramos y las posibilidades económicas lo permitan, yaque no conviene pasarse en gasto de material. Además, debemos observar

también que, incluso instalando un número elevado de líneas, quedarán posicio-nes sin codificar, perdiéndose dicha información.

Una vez tenemos clara la diferencia entre señal analógica y señal digital podemoscentrarnos en el funcionamiento de los convertidores.

Un convertidor analógico/digital es un dispositivo

electrónico que convierte las señales analógicas en digita-

les.

Un convertidor digital/analógico es un dispositivoelectrónico que convierte señales o palabras digitales en

su correspondiente señal analógica.

Conversión numérica binaria/decimal

El número binario representa la presencia (1) o la ausencia (0) de la potencia de 2correspondiente a la posición que ocupa cada dígito. Sumando los resultados de

las potencias de 2 presentes en el número binario se obtiene el número decimal.

Potencia

de 2

2

n

2

4

2

3

2

2

2

1

2

0

Cálculo Número decimal

Ejemplo 1 0 1 0 1 0 0·24+1·23+0·22+1·21+0·20 = 8+2 10

Ejemplo 2 1 1 0 0 11·24+1·23+0·22+0·21+1·20 =

16+8+125

Ejemplo 3 0 0 0 1 1 0·24+0·23+0·22+1·21+1·20 = 2+1 3

Resolución del convertidor

Un parámetro importante en la conversión es la llamada resolución, definidacomo el número de combinaciones posibles. La resolución de todo convertidorviene dada por el número de bits que posea dicho convertidor.

En el ejemplo anterior, la resolución del sistema de cuatro líneas de transmisión(4 bits) es de:

1622 4 n



43

Unidad didáctica 3

Electrónica

Siendo n el número de bits.

Lógicamente, cuanto mayor sea la resolución de un sistema de conversión, ma-

yor cantidad de combinaciones tendrá y, por tanto, mayor cantidad de informa-ción podrá transmitir.

Los reproductores de CD utilizan convertidores D/A de 16

bits, con lo que se consigue conformar una onda analógi-

ca de 65.536 escalones.

La resolución también puede representarse por el valor analógico equivalenteal bit menos significativo (LSB). Este valor puede calcularse de la siguiente ma-nera:

12

n

mínmáx LSB

V V V

Donde Vmáx y Vmín son los valores máximo y mínimo respectivamente de la señalanalógica.

Si queremos convertir una señal analógica que varía entre

10 y 20 voltios con un convertidor A/D de 8 bits, la resolu-

ción será de:

12

10208

LSBV = 39,2 mV/bit

Operación del convertidor A/D

Un conversor A/D muestrea la amplitud instantánea de la señal analógica cada undeterminado tiempo, denominado intervalo de muestreo. El valor analógico de lamuestra tomada es aproximado su valor digital. Esta aproximación depende de laresolución del convertidor, puesto que la diferencia entre un valor digital y su an-terior o siguiente corresponde con el valor del bit menos significativo.



Unidad didáctica 3


44

Figura 40. Conversión digital de una onda analógica mediante un convertidor A/D de 8 bitscon una velocidad de muestreo 10 veces la frecuencia de la onda analógica

Supongamos que se desea convertir una onda analógicaque varía entre 3 y 12 voltios. El convertidor utilizado es de

3 bits, por tanto:

286

1

32

V

3

SB

V/bit

Es decir, cada vez que la señal analógica aumente 1.286

voltios, el convertidor aumentará una unidad.

Si en un instante determinado se toma una muestra de la

señal analógica cuyo valor es de 6 V, el valor digital a la

salida del convertidor será:

66

V86

V

. Como no se contemplan los decimales, co-

rresponderá con el número 4 codificado en digital, por

tanto la salida será 100 en binario.

El número de muestras tomadas por segundo se conoce como velocidad o tasa

de muestreo. Cuanto mayor sea la velocidad de muestreo menor información seperderá. En general, y dependiendo de la aplicación la velocidad de muestreo,suele ser el doble que la frecuencia de la señal analógica.



45

Unidad didáctica 3

Electrónica

La calidad de la información obtenida de un convertidor

analógico/digital dependerá de la resolución del converti-

dor y de la velocidad o tasa de muestreo.

Operación del convertidor D/A

Un convertidor digital/analógico convierte la información digital en su valoranalógico de tensión correspondiente, conformando, mediante escalones, unaonda analógica aproximada. La calidad de la onda analógica dependerá de laresolución del convertidor. Por tanto, cada escalón tendrá una altura correspon-diente al valor del bit menos significativo.

Figura 41. Convertidor D/A de 8 bits. Salida analógica de 0 a 12 V senoidal

Tal vez es el momento de descansar un poco, de tomarte

un respiro.




Unidad didáctica 3


46

1.2. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

La electrónica de potencia es la parte de la electrónica dedicada a adaptar, con-trolar y transformar la energía eléctrica generada o la energía eléctrica de ali-mentación de máquinas de elevada potencia.

Gracias al desarrollo de los dispositivos semiconductores de potencia se haconseguido maximizar la eficiencia energética, abaratar costes, aumentar laseguridad y obtener mayor control sobre los procesos.

Como verás, muchos de los componentes utilizados en electrónica analógicason utilizados también en electrónica de potencia. Su principal diferencia es queestán diseñados para soportar altas tensiones y conducir grandes corrientes.

1.2.1. DIODOS

Como hemos visto anteriormente, los diodos son componentes electrónicosformados por una unión P-N de semiconductores. Esta unión tiene comporta-miento rectificador, es decir, que permiten el paso de la corriente eléctrica en unsolo sentido.

Los diodos de potencia se comportan de igual manera que los convencionales,pero estos deben ser capaces de conducir altas corrientes creando la mínimacaída de tensión posible con el fin minimizar la potencia a disipar, y ademásdeben ser capaces de bloquear altas tensiones inversas con la mínima corrientede fuga.

1.2.1.1. Principio de operación

Como ya vimos, su principio de operación está en el comportamiento unidirec-cional de la unión de un semiconductor P y otro N, de modo que, al ser polari-zados en directa, los electrones adquieren la energía suficiente para saltar la

barrera de potencial creada en la unión, estableciéndose circulación de corrien-te, mientras que al polarizarse en inversa la barrera de potencial asociada a launión se hace más ancha impidiendo la circulación de corriente a través de ella.



47

Unidad didáctica 3

Electrónica

El modo de operación del diodo queda representado por su curva característica:

Figura 42. Curva característica del diodo y circuitos de polarización

Analizando la gráfica vemos que cuando la tensión directa VF supera la tensión

umbral VT (generalmente entre 0,7 y 2 voltios) se establece una corriente directaIF. Por el contrario, al aplicar una tensión inversa VR aparece una pequeña co-rriente de fuga; si la tensión inversa aplicada alcanza el valor de ruptura, se pro-duce la perforación de barrera de potencial, lo que supone la destrucción deldiodo y la libre circulación de corriente a través de él.

A la hora de elegir un diodo es necesario conocer cuál es

la mayor tensión inversa a la que tendrá que trabajar, y

comprobar que la tensión inversa máxima del diodo

(parámetro característico dado por el fabricante) es sufi-ciente para soportarla.



Unidad didáctica 3


48


Su constitución interna es una unión PN simple encapsulada, con dos electro-dos que se unen a los terminales de conexión. En la siguiente figura aparecegráficamente con su símbolo representativo para los circuitos.

Figura 43. Representación del diodo y símbolo eléctrico

Figura 44. Diodo de potencia

1.2.2. T IRISTORES

Un tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semicon-

ductores. Su conducción es unidireccional, es decir, que solamente permiten elpaso de la corriente en un sentido. Se caracteriza porque su conmutación aconducción es lanzada a través de un terminal llamado terminal de puerta.

Al tiristor también se le conoce como SCR (rectificador controlado de silicio), loque evidencia que su uso más extendido es como rectificador controlado encircuitos de potencia.



Unidad didáctica 3


50

Al recibir un pulso de corriente por el terminal de puerta (iG ) se produce la con-mutación a conducción, siempre que exista una tensión ánodo-cátodo (V AK ) po-sitiva. La conducción se mantiene mientras la corriente por el tiristor sea supe-

rior a la de mantenimiento (IH ), sin necesidad de mantener la corriente por elterminal de puerta.

Solo puede pasarse a corte interrumpiendo la corriente por el circuito o pola-rizándolo inversamente, con precaución de no superar su tensión inversa máxi-ma (VRWM ), que provocaría la ruptura por avalancha, lo que destruiría el compo-nente.

Observando la gráfica podemos observar que también es posible pasar a con-ducción el tiristor con corriente de puerta nula (iG=0), aplicando una tensiónánodo-cátodo lo suficientemente alta (VB0 ). Por otro lado, cuanto menor sea latensión entre ánodo y cátodo mayor corriente por puerta será necesaria para

pasar el componente a conducción.

Un tiristor permanece cortado mientras una señal de dis-

paro de valor VGT voltios e IGT amperios no excite su puer-

ta. En ese momento, el SCR se ceba y permanecerá cerra-

do incluso cuando la señal de disparo desaparezca. La

única forma de abrirlo es disminuir la corriente ánodo-

cátodo que lo atraviesa por debajo de la corriente de

mantenimiento.

Conforme a lo explicado, cuando el transistor trabaje con corriente alterna sedesactivará en cada semiciclo negativo y será necesario volver a activarlo encada semiciclo positivo En corriente continua se necesitará un circuito de blo-queo que invierta la tensión ánodo-cátodo o que interrumpa la corriente quecircula por el tiristor.

Podría decirse que un tiristor opera como un diodo con-

trolado cuya conducción se establece a través de un ter-cer terminal.


El tiristor es un dispositivo de cuatro capas —dos de semiconductor tipo P ydos de semiconductor tipo N, alternadas— y tres terminales —ánodo (A), cáto-do (K) y puerta (G)—.



51

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 47. Tiristor. Estructura y símbolo

La combinación de estas cuatro capas produce tres uniones, mostradas comorectificadores, que se denominan J1, J2, J3.

Características físicas de las cuatro capas:

1. La capa anódica (P1) no está muy impurificada y tiene un espesormediano.

2. La de bloqueo (N1) está algo más impurificada y es la más gruesade las cuatro.

3. La de control (P2) es fina y su grado de impurificación es similar alde la anódica.

4. La capa catódica (N2) es muy fina y con gran impurificación.

Según esta constitución el tiristor equivale a dos transistores bipolares, un PNPy un NPN, conectados como muestra la siguiente figura.

Figura 48. Circuito equivalente en BJT de un tiristor

Por tanto, el funcionamiento del tiristor coincide con el circuito equivalente detransistores bipolares:



Unidad didáctica 3


52

Al inyectar un pulso de corriente por G se establece la conducción del transistorQ2, polarizando el terminal de base de Q1 al valor de K, lo que supone la entra-da en conducción de Q1. Al conducir Q1 se mantiene la corriente por base de

Q2 sin que sea necesario mantener la corriente inyectada por G. De este modoqueda establecido un bucle cerrado de realimentación, el cual solo puede abrir-se interrumpiendo la corriente entre A y K o haciendo que la tensión de K seamayor que la de A, consiguiendo así polarizar inversamente los transistores.

1.2.2.3. Tiristores GTO

Un GTO (del ingles Gate Turn-Off Thyristor ) o tiristor de apagado por puerta, esun tipo de tiristor, que como su nombre indica, puede ser cortado a través delterminal de puerta.

La diferencia entre un tiristor GTO y un tiristor convencio-

nal es que el GTO puede ser cortado aplicando un pulso

de corriente negativa por puerta.

Su modo de operación es idéntico al de un tiristor normal, con la excepción deque puede ser desactivado aplicando un pulso de corriente negativa en el ter-

minal de puerta.

Figura 49. Símbolo del tiristor GTO

1.2.3. T RANSISTORES MOSFET

Los transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transitor) otransistores de efecto de campo son los más utilizados en microelectrónica,pues la mayoría de los circuitos integrados están constituidos por este tipo detransistores. Pero no solo se utilizan en microelectrónica sino que también sonampliamente utilizados en electrónica de potencia, donde juegan un papel muyimportante.



53

Unidad didáctica 3

Electrónica

Los MOSFET son un tipo de transistores que se caracterizan por comportarsecomo un interruptor controlado por tensión. Están formados por tres terminalesdenominados puerta (G), fuente (S) y drenador (D), donde estos dos últimos

están constituidos por semiconductores del mismo tipo (ambos P o N) y la puer-ta está constituida por un metal.

Los MOSFET son dispositivos semiconductores cuyo fun-

cionamiento está basado en el control de corriente me-

diante un campo eléctrico transversal.

1.2.3.1. Principio de operación y aspectos constructivos y tecnológicos

Para comprender cómo funciona un MOSFET el mejor camino es entendercómo está construido, aunque sea muy por encima y sin entrar en mayorescomplicaciones. Analicémoslo paso a paso:

Un MOSFET-N está formado por un semiconductor P, una capa de óxido aislan-te y un metal de la forma que se muestra en la siguiente figura.

El semiconductor P es conectado a masa y el metal a una tensión positiva. Estohace que los electrones libres del semiconductor se concentren en las proximi-dades de la unión óxido-sustrato, creándose lo que se denomina capa de inver-sión.

Al aumentar el valor la tensión de puerta, aumentará la capa de inversión.

Figura 50. Constitución de MOSFET tipo N



Unidad didáctica 3


54

El metal constituye el terminal de puerta y está aislado del

semiconductor por el óxido, es por esto que recibe el

nombre de transistor de puerta aislada.

Esta situación de distribución de cargas positivas en G y negativas en la capade inversión, separadas por un aislante, hace que el conjunto se asemeje a uncondensador, donde una placa es la puerta (G), y la otra la parte superior delsemiconductor.

Figura 51. MOSFET-N. Comportamiento como condensador

Conforme aumenta Vg, aumenta la profundidad de la capa de inversión y, portanto, la tensión en las placas del condensador.

Esta capa de inversión, formada por portadores de carga móviles (electroneslibres o huecos) constituye un canal de conducción si se le aplica una tensiónlateral en sus extremos.

Los MOSFET se denominan de tipo P o de tipo N depen-

diendo del tipo de portadores que establecen el canal deconducción, no del tipo de semiconductor utilizado.

Semiconductor P Canal N MOSFET-N.

Semiconductor N Canal P MOSFET-P.

Puesto que la anchura del canal aumenta conforme aumentagV

, podremosllegar a controlar la corriente del canal con ayuda de dicha tensión.



55

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 52. MOSFET-N y MOSFET-P. Aumento de la anchura del canal

conforme aumenta Vg

Como ves, el mecanismo básico de funcionamiento de los MOSFET es el con-trol de corriente mediante tensión, a diferencia de los BJT, en los que el controlde la corriente IC se efectúa mediante otra corriente IB.

Para facilitar la aplicación de una tensión lateral y la generación posterior decorriente se difunden dos zonas de semiconductor del tipo contrario al del sus-trato, y se colocan contactos que forman los terminales de fuente (S) y drena-dor (D).

Figura 53. Paso 10

En un MOSFET, al aumentar la tensión Vg aumenta la an-

chura del canal de conducción, lo que supone un aumen-

to de la conductividad y, por consiguiente, de la corrientea través de él.

Polarización del NMOS

Recordemos que polarizar es aplicar una tensión continua a los terminales deldispositivo, de manera que este funcione en la zona elegida.



Unidad didáctica 3


56

Figura 54. Polarización del MOSFET-N

Normalmente, el sustrato P se conecta internamente al terminal de la fuente (S),por lo que fuente y drenador no son intercambiables.

Para el NMOS, en las proximidades de la unión óxido-semiconductor se forma unacapa de inversión de electrones libres comprendida entre las dos regiones N+, apartir de que la tensión VGS alcance un valor mínimo, denominada

tensión

umbral

.

En un MOSFET, la tensión umbral es la diferencia de po-

tencial mínima que hay que aplicar entre puerta y fuente

para que se cree el canal de conducción.

De este modo, al aplicar una tensión lateral VDS, la capa de inversión actúa co-mo canal de conducción de electrones entre S y D, que origina una corriente enel drenador ID.

Resumiendo, los tres terminales del NMOS actúan de la siguiente manera:

La fuente (S) inyecta los portadores.

El drenador (D) recoge los portadores.

La puerta (G) es el terminal en el que se aplica la tensión transversalque controla la corriente en el canal de conducción.

Así, la fuente realiza la misma función que el emisor en un BJT, la misión deldrenador se asemeja a la del colector y la puerta a la base. Solo que aquí, comoya hemos comentado, el control de la corriente es por tensión y no por corrientecomo en el BJT.



57

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 55. Símbolos eléctricos de los MOSFET

La tensión umbral de un NMOS es positiva, por tanto, para

ponerlo en conducción será necesaria una tensión puerta-

fuente (Vgs) mayor que esta.

La tensión umbral de un PMOS es negativa, por tanto, para

ponerlo en conducción será necesaria una tensión puerta-

fuente (Vgs) más negativa que esta.

Los modos de funcionamiento son los siguientes:

Corte: VGS < VUMBRAL, lo que provoca que no exista canal y que, por tan-to, la corriente ID sea nula. Es similar al corte en los bipolares.

Óhmico: VGS > VUMBRAL, lo que provoca que exista canal de conducción yVDS < VGS - VUMBRAL, lo que se traduce en una gran corriente de drenador,que es función del valor de la tensión VDS. Es similar a la saturación enlos BJT.

Saturación: VGS > VUMBRAL, lo que provoca que exista canal de conduc-ción y VDS >VGS - VUMBRAL, que se traduce en una corriente de drenadorindependiente de la tensión VDS y que es función solo de la diferencia en-tre VGS y la tensión umbral.

Figura 56. Curvas características de transferencia y salida de un MOSFET-N



Unidad didáctica 3


58

Ventajas e inconvenientes de los MOSFET frente a los BJT

Los transistores MOS presentan muchas ventajas sobre los bipolares; a conti-

nuación, se exponen algunas de ellas: Su construcción es mucho más sencilla y ocupan menos espacio, lo

que permite altas densidades en la fabricación de circuitos integrados.

Dependen menos de la temperatura, al basar la conducción prácticamenteen los portadores mayoritarios (aquellos que provienen de las impurezas yno de la agitación térmica).

La corriente de puerta es plenamente despreciable, la capa de óxido demetal actúa como un aislante, lo que permite controlar la corriente desalida en drenador con la tensión de puerta.

Trabajando en su zona óhmica pueden utilizarse como resistencias, loque posibilita el empleo de estos componentes pasivos en los circuitosintegrados.

Por supuesto, no todo iban a ser ventajas; tienen una pobre respuesta en fre-cuencia y son poco lineales, así que no se deben emplear si lo que se busca esun dispositivo que reproduzca fielmente una determinada señal en toda su ga-ma de frecuencias; por ejemplo, un amplificador de audio. En cambio, comointerruptores, trabajando en corte y saturación son insustituibles.

¿Cómo lo estás llevando? Esperamos que bien.

¿Cuánto hace que no te pones en contacto con tu tutor o

tu entrenador técnico? Mira la guía didáctica y no dudes

en utilizar los servicios que te hemos ofrecido. Están pen-

sados para ti.

1.2.4. T RANSISTORES IGBT

El transistor bipolar de puerta aislada, conocido por sus siglas en inglés, IGBT,apareció en la década de los ochenta. Es la última generación de los dispositi-vos de conmutación de grandes potencias, capaz de manejar tensiones supe-riores a los 2.000 voltios y corrientes mayores de 500 amperios a frecuenciasconsiderablemente altas de hasta 100 kHz. Combina las ventajas del transistorbipolar con las del MOSFET.



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Unidad didáctica 3

Electrónica

1.2.4.1. Principio de operación y aspectos constructivos y tecnológicos

El IGBT es un híbrido entre un MOSFET y un bipolar. Está constituido por unapuerta de tipo MOS y un colector y emisor de tipo bipolar. De esta manera, seaprovecha la gran impedancia de entrada de los transistores de efecto de cam-po y la buena amplificación de los bipolares.

Sus terminales se denominan según el tipo de transistor al que correspondan:puerta (G), colector (C) y emisor (E).

Figura 57. Símbolos eléctricos del IGBT de canal N, representados como BJTo como MOSFET

Figura 58. Circuito equivalente de un IGBT

Cuando la tensión VGE es inferior a la tensión umbral (VT ) del MOSFET de entra-da, no hay canal, por lo que el dispositivo se encuentra abierto. El BJT tampococonduce, pues tiene la base abierta. El IGBT se comporta de la misma maneraque el MOSFET cortado, como un interruptor abierto.

Cuando VGE supera la tensión umbral (VT ) aparece el canal de conducción en elMOSFET y, en consecuencia, la corriente IE. La pequeña caída de tensión exis-tente entre drenador y fuente en el MOSFET hacen que el BJT pase de corte asaturación casi instantáneamente. Ya en estado de conducción es bastante si-milar a un BJT controlado por tensión.



Unidad didáctica 3


60

La curva característica de entrada es como la de un MOSFET, y las de salida (ID,VDS ) se asemejan bastante a las de salida de un bipolar (IC, VCE ).

Si se desea un interruptor que trabaje con tensiones inferiores a 500 V, la elec-ción es clara, el MOSFET; pero si se va a sobrepasar esta tensión, se deberíaelegir un IGBT.

En la siguiente gráfica se muestra una comparativa del uso de los diferentescomponentes de potencia que hemos visto según las características de conmu-tación requeridas (tensión, intensidad y frecuencia).

Figura 59. Gráfica del uso de semiconductores de potencia



61

Unidad didáctica 3

Electrónica

2. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

Un circuito electrónico es una trayectoria cerrada de corriente que circula através de componentes electrónicos.

Dependiendo del tipo de señal que circule por el circuito podemos diferenciarentre circuitos analógicos y circuitos digitales.

En este apartado veremos en qué consisten los dos tipos de circuitos,qué teorías los rigen y cómo se representan.

2.1. TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO DE CIRCUITOS ANALÓGICOSBÁSICOS

Un circuito analógico es aquel que trabaja con señales

analógicas con la finalidad de modificar y adaptar las

magnitudes eléctricas de tensión, corriente o frecuencia a

los valores requeridos para una determinada aplicación.

Amplificadores, filtros y reguladores de tensión son algunos ejemplos de estetipo de circuitos.

Su teoría de funcionamiento se basa en las leyes fundamentales que ya cono-cemos y que siempre conviene repasar.



Unidad didáctica 3


62

Ley de Ohm

La ley de Ohm es la ley básica de la electricidad, establece la relación entre las

magnitudes de tensión, resistencia y corriente.

La ley de Ohm formula que la intensidad de corriente que

circula por un circuito es directamente proporcional a la

diferencia de potencial a que está sometido e inversamen-

te proporcional a la resistencia del mismo.

R

V I

Leyes de Kirchhoff

Las leyes de Kirchhoff son dos, una que define el comportamiento de las co-rrientes y otra que define el comportamiento de las tensiones en un circuitoeléctrico.

1.ª ley de Kirchhoff. Ley de corrientes o ley de nudos:

La suma de corrientes que entran en un nudo es igual a la suma de corrientes que salen.

salientesentrantes I I

2.ª ley de Kirchhoff. Ley de tensiones o ley de mallas:

En una malla, la suma de todas las caídas de tensión en los componen-

tes es igual a la suma de las tensiones aplicadas (f. e. m.), teniendo encuenta la polaridad de los generadores.

me f V R

..



63

Unidad didáctica 3

Electrónica

2.2. TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO DE CIRCUITOS DIGITALESBÁSICOS

Un circuito digital es aquel en el que tanto su señal de en-

trada como su señal de salida están constituidas por

números binarios en forma de pulsos de la misma ampli-

tud.

La finalidad de los circuitos digitales es principalmente manipular, almacenar ytransportar la información en formato numérico. De esta manera se hace posiblerealizar cálculos matemáticos con la información.

El elemento más básico capaz de constituir un circuito digital es el interruptor.Por tanto, el circuito digital más simple se compone de una fuente de tensión,un interruptor y una carga.

Figura 60. Circuito digital más simple

Como decimos, un circuito digital realiza cálculos para modificar la señal deentrada y proporcionar la señal de salida requerida, por tanto esos cálculospodrán expresarse como una función matemática. Pero los números binarios notrabajan igual que los números decimales, por tanto necesitamos de un sistemamatemático adaptado al sistema binario; este sistema matemático es el álgebra

de Boole.

2.2.1. OPERACIONES BÁSICAS DEL ÁLGEBRA DE BOOLE

El álgebra de Boole utiliza algunos signos convencionales (+, ·) para representaroperaciones cuyo concepto nada tiene que ver con el que todos conocemos.Hemos de pensar en el álgebra de Boole como un sistema mediante el cual,conociendo el valor de entrada, se nos permite calcular el valor de salida de uncircuito formado por interruptores, dependiendo de la combinación de estadosen que estos se encuentren.

0

V V

1



Unidad didáctica 3


64

S1

S3 S4

S5

S6 S7

S2

S8ENTRADA SALIDA

¿ 0 ó 1 ?

Figura 61. Circuito combinacional de interruptores

El álgebra de Boole es el sistema matemático que posibili-

ta las operaciones con números binarios.

El álgebra de Boole consta de tres operaciones lógicas básicas:

Operación OR (+)

Para entender el sentido de las operaciones pensaremos en un circuito formadopor dos interruptores que controlan el paso de corriente a la salida. La opera-

ción OR nos dice que si un interruptor o el otro está cerrado, a la salida se ob-

tendrá el dato de entrada. Si lo pensamos, esta operación puede representarsepor dos interruptores en paralelo; de este modo, si cualquiera de los dos estácerrado, el dato de entrada pasa a la salida.

OutIn

S1

S2

Figura 62. Significado de la operación OR

Por tanto, las posibles combinaciones serán:

0 + 0 = 0 ----- Si ambos interruptores están abiertos, la entrada es blo-queada.

0 + 1 = 1 ----- Si S1 o S2 están cerrados, la entrada pasa a la salida.

1 + 0 = 1 ----- Si S1 o S2 están cerrados, la entrada pasa a la salida.

1 + 1 = 1 ----- Si ambos interruptores están cerrados, la entrada pasa ala salida.



65

Unidad didáctica 3

Electrónica

Operación AND (·)

Pensando en el circuito formado por dos interruptores que controlan el paso decorriente a la salida, la operación AND nos dice: solamente si un interruptor y el

otro están cerrados a la salida obtendremos el dato de entrada. Por lo tanto,esta operación puede representarse por dos interruptores en serie. De es-te modo, el dato de entrada pasará a la salida solamente en el caso que ambosinterruptores estén cerrados.

OutInS1 S2

Figura 63. Significado de la operación AND

Analizando las posibles combinaciones tendremos:

0 · 0 = 0 ----- Si ambos interruptores están abiertos, la entrada es blo-queada.

0 · 1 = 0 ----- Si S1 o S2 están abiertos, la entrada es bloqueada.

1 · 0 = 0 ----- Si S1 o S2 están abiertos, la entrada es bloqueada.

1 · 1 = 1 ----- Si ambos interruptores están cerrados, la entrada pasa ala salida.

Con que recuerdes que la operación OR (+) equivale a in-

terruptores en paralelo y que la operación AND (·) equivale

a interruptores en serie, serás capaz de realizar correcta-

mente las operaciones sin necesidad de aprenderte las di-

ferentes combinaciones.

Operación NOT ( ¯ )

La operación NOT puede traducirse como negación o inversión. Para entendersu significado podemos pensar en un interruptor que normalmente está cerrado,

es decir, en ausencia de acción exterior (0) permite el paso del dato de entra-da a la salida (1). Al aplicarle acción exterior (1) bloquea el paso del dato de en-trada a la salida (0).

OutIn 0

OutIn1

Figura 64. Significado de la operación NOT



Unidad didáctica 3


66

Solo tendremos dos posibles combinaciones:

1

_

----- Si no se aplica acción al interruptor la entrada pasa a la salida.

0

_

----- Si se aplica acción al interruptor la entrada es bloqueada.

2.2.2. PUERTAS LÓGICAS

Una puerta lógica es un dispositivo electrónico que realiza

una operación booleana determinada. Son circuitos inte-

grados constituidos por microinterruptores controlados

interconectados según la operación booleana que reali-

zan.

Las combinaciones son introducidas en las entradas de las puertas lógicas yestas actúan como calculadoras, obteniéndose a la salida el resultado de laoperación.

Por lo tanto, las puertas lógicas básicas corresponderán con las operacionesbooleanas básicas:

Puerta OR

El funcionamiento de una puerta OR está basado en dos interruptores controla-dos (transistores MOSFET-N), conectados en paralelo.

Vcc

I1

I2

Out

Figura 65. Circuito interno equivalente de la puerta OR

Esta puerta implementa la operación (+) del álgebra de Boole. Existen puertasde múltiples entradas.



67

Unidad didáctica 3

Electrónica

A

B

A + B

Figura 66. Símbolo de la puerta OR

Puerta AND

El funcionamiento de una puerta AND está basado en dos interruptores contro-lados (transistores MOSFET-N), conectados en serie.

cc

I1

I2

Out

Figura 67. Circuito interno equivalente de la puerta AND

Esta puerta implementa la operación (·) del álgebra de Boole. Existen puertas demúltiples entradas.

A

B

A · B

Figura 68. Símbolo de la puerta AND



Unidad didáctica 3


68

Puerta NOT (inversora)

La puerta NOT, también conocida como inversora o negadora, basa su funcio-

namiento en uso un interruptor controlado de tipo MOSFET- P, el cual entra enconducción cuando en su puerta se aplica un nivel bajo de tensión (0) y pasa acorte al aplicar un nivel alto (1). De esta manera, la salida siempre adopta unvalor contrario al de entrada.

cc

IN OUT

Figura 69. Circuito interno equivalente de la puerta NOT

La puerta NOT realiza la función ( ¯ ), solamente dispone de una entrada.

A A_

Figura 70. Símbolo de la puerta NOT

A partir de estas puertas básicas puede implementarse cualquier tipo de fun-ción. Existen otros tipos de puertas que son combinación de las básicas y que

realizan operaciones de mayor dificultad; de este modo se consigue reducir elnúmero de puertas necesarias para llevar a cabo una función compleja.



69

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 71. Ejemplo de asociación de puertas lógicas básicas para conseguir

funciones complejas

2.3. ESQUEMAS DE REPRESENTACIÓN

Un esquema de representación o diagrama electrónico es una representacióngráfica de un circuito eléctrico o electrónico, en el que figuran tanto los compo-nentes utilizados y el modo en que están interconectados, sin atender a su dis-tribución topográfica; como las fuentes de alimentación del circuito, puntos dereferencia a masa y señales de control. Los componentes son caracterizados ynumerados en un orden específico, así como sus terminales, y sus valores pue-den indicarse bien en el mismo esquema o en un plano anexo.

Todos los pictogramas que aparecen en un esquema de

representación deben estar normalizados, con el fin de

que este pueda ser comprendido por toda persona capaci-

tada que necesite su interpretación.



Unidad didáctica 3


70

A continuación se muestra una tabla con los principales símbolos analógicos ydigitales que puedes encontrar en un esquema electrónico.

Corriente alter-na C.A.

T

Transformador CondensadorC

Corriente con-tinua C.C.

+-

Puente rectifi-cador

+

Condensadorpolarizado

+ -

Batería A K

DiodoBobina induc-tora L

P

Pulsador Diodo Zener NPN Transistor

Interruptor Diodo Led PNP Transistor

Commutador Tiristor SCR Fusible

-

+

Vo

Amplificadoroperacional

G

D

S

MOSFET-P Toma tierra

Resistencia RG

D

S

MOSFET-N Toma masa

PotenciometroG

C

E

IGBTCruce de con-ductores sinconexión

G

Generador o Alternador

M

Motor de C.C.Cruce de con-ductores conconexión

A

AmperímetroLámpara deincandescencia

Tres conducto-res

OHM

Ohmetro Lámpara piloto V

Voltímetro

Figura 72. Símbolos electrónicos analógicos



71

Unidad didáctica 3

Electrónica

Puerta AND Puerta AND

Puerta NAND Puerta NAND

Puerta OR Puerta OR

Puerta NOR Puerta NOR

Inversor Inversor

Figura 73. Símbolos digitales. Puertas lógicas

Concédete un capricho. Felicítate por tu esfuerzo, estamos

seguros de que te lo mereces.



Unidad didáctica 3


72

3. CIRCUITOS CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS DE

POTENCIA CONVENCIONALES

El desarrollo de los dispositivos semiconductores de potencia ha posibilitado elcontrol y conversión de la energía eléctrica, por medio de circuitos llamadosconvertidores.

Los convertidores electrónicos de potencia son sistemas que permiten convertirun tipo de corriente eléctrica en otra. Según esto podemos diferenciar dos tipos:

Los rectificadores que convierten la corriente alterna en corriente conti-nua.

Los inversores que convierten la corriente continua en corriente alterna.

¿Estás preparado para enfrentarte a este apartado?

Tómatelo en serio, pero sin agobios; se trata de compren-

der, no de memorizar.

3.1. RECTIFICADOR MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO NO CONTROLADO

Como sabes, la distribución de energía eléctrica se hace en forma corriente al-terna, puesto que la adaptación a los diferentes niveles de tensión por medio detransformadores es sencilla. Pero en multitud de aplicaciones se requiere el usode energía eléctrica en forma de corriente continua, por ello es necesario unsistema capaz de convertir la corriente alterna en corriente continua. Estos sis-temas se denominan re tifi dores .



73

Unidad didáctica 3

Electrónica

Un rectificador es todo aquel elemento o circuito capaz deconvertir la corriente alterna en corriente continua.

La rectificación no controlada se lleva a cabo mediante el componente electró-nico unidireccional más sencillo: el diodo.

Los rectificadores podemos clasificarlos dependiendo del número de fases de latensión alterna de entrada, donde principalmente encontramos los monofásicosy los trifásicos.

3.1.1. RECTIFICADOR MONOFÁSICO

Dependiendo del número de diodos utilizado para realizar la rectificación y enconsecuencia del tipo de onda obtenida a la salida podemos diferenciar dostipos: rectificación monofásica en media onda y rectificación monofásica enonda completa.

3.1.1.1. Rectificador monofásico en media onda

Es el rectificador más simple y barato que existe. Consta de un diodo en serie ala carga (R en este caso). El diodo conduce durante el semiciclo positivo deján-dolo pasar a la carga y bloquea durante el semiciclo negativo, anulando la co-rriente por la carga.

D

RVac

Vo

+

-

Figura 74. Rectificador en media onda



Unidad didáctica 3


74

Figura 75. Señal rectificada en media onda

Observa en la figura que el diodo esta en “ON” durante el

semiciclo positivo de la onda de entrada y en “OFF” duran-

te el semiciclo negativo.

Se llama rectificador de media onda porque señal rectificada es la mitad de lasenoide completa.

La tensión media en la carga será:

máxdc

V Vo

La tensión media en la carga hace referencia al valor de

tensión continua obtenido a la salida del rectificador

(Vodc).



75

Unidad didáctica 3

Electrónica

Y potencia media en la carga será:

R

Vo

Po dc

dc

2)(

Donde R es el valor resistivo de la carga.

Para que sirva de referencia y podamos comparar la eficiencia de los rectifica-dores observaremos su rendimiento, simplemente como dato comparador, ob-viando sus cálculos.

El rendimiento correspondiente al rectificador de media onda es del 40,4%.

3.1.1.2. Rectificador monofásico en onda completa

Este rectificador utiliza cuatro diodos en una configuración denominada puentecompleto o puente de Graetz, correspondiente al representado en la siguientefigura.

D1

R

D2

D3 D4

Vac Vo

+

_

Figura 76. Rectificador de onda completa en puente de Graetz

El objetivo del circuito rectificador en onda completa es

conseguir que la corriente siempre circule a través de la

carga en el mismo sentido. Así se conseguirá que la ten-

sión en ella sea siempre positiva.



Unidad didáctica 3


76

En el circuito siempre conducen dos diodos simultáneamente. Durante el semi-ciclo positivo de la señal senoidal D1 y D4 quedan polarizados directamente,mientras que D2 y D3 permanecen polarizados inversamente y, por tanto, la

corriente fluye hacia la carga a través de D1 y cierra el circuito a través de D4.

D1

R

D2

D3 D4

Vac Vo

+

_

+

_

Figura 77. Recorrido de la corriente durante el semiciclo positivo

Durante el semiciclo negativo, D1 y D4 quedan inversamente polarizados mien-tras que D2 y D3 se polarizan directamente. En consecuencia, la corriente escomunicada a la carga a través de D2 y cierra el circuito a través de D3.

D1

R

D2

D3 D4

Vac Vo

+

_

+

_

Figura 78. Recorrido de la corriente durante el semiciclo negativo

Observa que en las dos figuras anteriores la corriente cir-

cula a través de la carga en el mismo sentido.



77

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 79. Señal rectificada en onda completa


máxdc

V Vo

2

Y la potencia media en la carga será:

R

VoPo dc

dc

2)2(

Fíjate en que la tensión media en la carga es el doble que la correspondiente alrectificador en media onda y la potencia es cuatro veces superior.

El rendimiento del rectificador monofásico en onda completa es del 81%. Si lo

comparamos con el del rectificador anterior, podemos decir que el rectificadoren onda completa es el doble de eficiente que el de media onda.

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Unidad didáctica 3


78

3.1.2. RECTIFICADOR TRIFÁSICO

Los rectificadores trifásicos son utilizados en la industria para alimentar grandescargas a corriente continua.

El principio de operación del rectificador trifásico es similar al monofásico deonda completa, pero adaptado a la red trifásica.

El circuito utilizado es el representado en la siguiente figura:

D1

R

D2

D4 D5

Van Vo

+

_

D3

D6

Vbn

Vcn

+

+

+

N Figura 80. Rectificador trifásico

Para comprender su funcionamiento podemos dividirlo en dos partes:

Parte superior. Detector de máximos.

Los tres diodos de la parte superior del circuito se comportan como undetector de máximos. Solo puede conducir el diodo cuya fase sea la ma-yor; este diodo impondrá su tensión en los cátodos y los otros dos dio-dos quedarán polarizados en inversa hasta que su fase sea la mayor.

D1 D2 D3

Van

Vbn

Vcn

+

+

+

N

R Vo

+

_

Figura 81. Detector de máximos

Por lo tanto, a la salida tendremos una onda formada por las partesmáximas de cada fase, como se muestra en la siguiente figura, dondese ha indicado qué diodo conduce en cada momento.



79

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 82. Onda correspondiente al detector de máximos. El marcado grueso

marca la tensión de salida resultante

Parte inferior. Detector de mínimos.

Es el caso contrario al anterior. Los tres diodos de la parte inferior con-forman un detector de mínimos. Solo conducirá el diodo cuya fase seala que menor valor presente, fijando ese valor mínimo en los ánodos delos otros dos diodos, que permanecerán en bloqueo hasta que su fasesea la mínima.

D1D2D3

Van

Vbn

Vcn +

+

+

R Vo

+

_

N

Figura 83. Detector de mínimos

En consecuencia, se obtendrá una tensión de salida formada por las partes devalor mínimo de cada fase, como se muestra en la siguiente figura, donde se haindicado qué diodo conduce en cada momento.



Unidad didáctica 3


80

Figura 84. Onda correspondiente al detector de mínimos. El marcado gruesomarca la tensión de salida resultante

Al unir las dos partes e invertir el sentido de la corriente por la carga provenien-te del detector de mínimos, se obtiene la siguiente señal de salida, que corres-ponde a la suma de la tensión de la parte superior con la de la parte inferior in-vertida.

Figura 85. Formación de la onda de salida del rectificador trifásico


max

33V Vo

dc



81

Unidad didáctica 3

Electrónica

Generalmente a los rectificadores se les incorpora un con-

densador en paralelo a la carga para reducir el rizado de laonda de salida. Veamos el resultado de la onda de un rec-

tificador monofásico de media onda:

3.2. RECTIFICADOR MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO CONTROLADO

Los rectificadores vistos hasta ahora estaban constituidos por diodos, compo-nentes sobre los que no se puede realizar ningún tipo de control, puesto que nopueden ser conmutados a conducción o bloqueo en el instante que queramos,por ello la tensión de salida de los rectificadores no controlados es siempre fija.

¿Qué podemos hacer si queremos obtener una tensión de salida que podamosregular a los valores que necesitemos?

Para ello necesitaríamos algún componente que se comporte como el diodopero que pueda controlarse el instante de su puesta en conducción… ¿Conocesalguno?

¡Efectivamente! El tiristor lo podemos poner en conducción cuando queramos,siempre que su tensión ánodo-cátodo sea positiva. Por tanto, la tensión mediaen la carga dependerá de en qué punto lo pongamos en conducción.

Pero si todavía queremos obtener mayor control, de modo que podamos decidir

en qué momento se pone en conducción y en qué momento se pasa a bloqueo,podemos utilizar otros componentes de control como tiristores tipo GTO, tran-sistores MOSFET o, si además necesitamos altas potencias, IGBT.






Unidad didáctica 3


82

3.2.1. RECTIFICADOR CONTROLADO POR TIRISTORES

La topología utilizada es idéntica a la de los rectificadores no controlados perosustituyendo los diodos por tiristores.

Al utilizar tiristores, la puesta en conducción de cada elemento rectificador de-penderá de dos condiciones:

De que la tensión ánodo-cátodo sea positiva.

De que reciba un pulso adecuado de tensión y corriente en el terminalde puerta (disparo).

Mientras que el paso a bloqueo se realiza automáticamente cuando la corriente

por el tiristor se hace nula.

Se denominan rectificadores controlados porque variando

el retardo en el ángulo de disparo puede controlarse la

tensión rectificada de salida.

3.2.1.1. Rectificador monofásico controlado de media onda

Como puedes ver en la figura, el circuito es similar al del rectificador monofásicono controlado, pero cambiando el diodo por un tiristor.

T

Vs

Circuito dedisparo

R Vo

+

_

Io

Figura 86. Circuito rectificador monofásico controlado en media onda



Unidad didáctica 3


84

La tensión media en la carga vendrá determinada por la siguiente expresión:

)cos1(2max

V V dc

Fíjate en que la tensión media en la carga depende del valor del ángulo de dis-paro, de modo que a mayor ángulo, menor tensión.

Comprueba cómo para un ángulo de disparo α = 0º, la tensión media en la car-

ga será 2maxV

V dc

, expresión correspondiente al rectificador en media onda no

controlado.

3.2.1.2. Rectificador monofásico totalmente controlado

Como ya hemos explicado, la estructura de este circuito es similar a la del recti-ficador monofásico en onda completa no controlado, pero los diodos han sidosustituidos por tiristores para permitir el control del ángulo de conducción.

R Vs Vo

+

_

T1 T2

T3 T4

Circuito dedisparo

Figura 88. Rectificador monofásico totalmente controlado

Los tiristores T1 y T4 podrán ser disparados durante el semiciclo positivo y lostiristores T2 y T3 durante el negativo. Por lo tanto, los tiristores serán disparadosdos a dos.



85

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 89. Rectificador monofásico totalmente controlado

La tensión media en la carga queda definida por la siguiente fórmula:

)cos1(

máxdc

V

V

En este caso, para un ángulo de disparo α = 0º, la tensión media en la cargaserá igual que la correspondiente a un rectificador de onda completa no contro-lado.

Para un ángulo de disparo α = 0º, la tensión media en la carga será cero.



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Unidad didáctica 3


86

3.2.1.3. Rectificador trifásico totalmente controlado

El rectificador trifásico totalmente controlado es muy utilizado en cargadores debaterías y en variadores de velocidad para motores de corriente continua.

A continuación vamos a ver en qué consiste y cómo funciona.

Su funcionamiento está basado en la misma idea que el rectificador trifásico nocontrolado, pero una vez más la diferencia radica en que en vez de utilizar dio-dos se utilizan tiristores, lo que permite controlar el nivel de la tensión rectificadade salida.

Los tiristores del lado alto pueden ser disparados cuando su fase sea la mayorde las tres y los del lado bajo cuando su fase sea la menor. Por tanto, el ángulo

de disparo α estará referenciado a los puntos de cruce de las fases.

R Van

Vo

+

_

Vbn

Vcn

+

+

+

N

T1 T2T3

T4 T5 T6

Circuito dedisparo

Figura 90. Rectificador trifásico totalmente controlado

El disparo puede realizarse a un ángulo comprendido entre 0º y 60º obteniéndo-se la totalidad de la tensión para 0º y tensión nula para 60º. En la figura se ob-serva que es la señal resultante al disparar los tiristores con un α = 30º.



87

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 91. Formas de onda del rectificador trifásico controlado para α = 30º

En la primera de las gráficas se muestra cómo es recortada

la señal trifásica senoidal de entrada.

La segunda gráfica representa la onda de la tensión de sa-

lida, la cual es resultante de invertir el sentido de la co-

rriente negativa.

El valor de la tensión media en la carga viene dado por la siguiente fórmula:

cos33 máxdc V V

Es importante que sepas que los rectificadores controla-

dos que alimentan a cargas inductivas tienen algunas pe-

culiaridades en su funcionamiento. Esto queda fuera de

nuestros objetivos, puesto que requiere un estudio más

profundo del tema.



Unidad didáctica 3


88

3.2.2. RECTIFICADOR PWM CON IGBT

Los rectificadores controlados por tiristores pueden suponer un uso poco efi-ciente del suministro eléctrico, dado que conforme aumenta el ángulo de dispa-ro de los tiristores se empeora el factor de potencia del sistema.

Este problema no afecta a los rectificadores basados en técnica PWM. Por ellohan reemplazado en multitud de aplicaciones a los anteriores.

Técnica PWM

La técnica de modulación por anchura de pulsos ( Pulse-Width Modulation, PWM) tiene como objetivo obtener una señal de pulsos en la que la anchura decada pulso dependa de la amplitud instantánea de la onda senoidal con la quese trabaja. De este modo, se crea una relación directa entre amplitud y duracióndel pulso. Veamos la siguiente figura para entender mejor el concepto.

Figura 92. Señal PWM correspondiente a una señal sinusoidal

Observa en la figura que cuanto mayor es el valor de la

señal sinusoidal mayor tiempo permanecen en estado alto

los pulsos de la señal PWM.



89

Unidad didáctica 3

Electrónica

La señal PWM es obtenida del resultado de comparar la onda sinusoidal (señalmoduladora) con una onda triangular (señal portadora) de mayor amplitud y fre-cuencia.

t

t

V

SEÑAL

SEÑAL

SEÑAL

PORTADORA

PWM

MODULADORA

V

Vdc

Figura 93. Obtención de la señal PWM

Observando la figura anterior, piensa qué ocurre en la se-

ñal PWM si aumentamos la amplitud de la señal portadora.

La anchura de los pulsos de la señal PWM puede ser variada modificando laamplitud de la señal portadora manteniendo constante la de la señal modulado-ra. Uno de los parámetros que determinan el modo de operación del PWM es eldenominado índice de modulación M), que se define como la relación entre laamplitud de la señal moduladora y la de la señal portadora.

p

m

A

A M



Unidad didáctica 3


90

La amplitud de la señal portadora debe ser siempre supe-

rior a la de la moduladora, por tanto el índice de modula-

ción tomará valores entre 0 y 1.

Otro parámetro importante del funcionamiento del PWM es la razón de modula-

ción en frecuencia M

f

); este parámetro define la relación entre las frecuenciasmoduladora y portadora.

m

p

f

f

f M

Para conseguir una señal PWM aceptable es necesario que

la frecuencia de la señal portadora sea al menos 10 veces

superior a la de la señal modulada.

Una señal tipo PWM equivale a una señal de corriente continua (Vdc) cuya ten-sión es el valor medio de la tensión de la señal PWM. Por tanto, el valor de co-rriente continua dependerá de la relación entre la suma de los tiempos en que laseñal PWM permanece en estado alto y la suma de los tiempos que permaneceen estado bajo. Esta relación se denomina ciclo de trabajo, se representa por laletra D y se calcula mediante la siguiente expresión:

ton = Tiempo que la señal permanece en estado alto

T

t D on T = Periodo de la señal equivale a la suma de los tiempos en estado alto y bajo. T =

ton + toff

Una vez que conocida la técnica PWM vamos a ver en qué consisten y cómotrabajan los rectificadores controlados PWM con IGBT.

En este tipo de rectificadores se utilizan IGBT como elementos de control, aun-que dependiendo de los requerimientos de tensión y potencia pueden utilizarsetransistores MOSFET. El motivo de remplazar los tiristores por IGBT es que serequiere un dispositivo que pueda controlarse tanto su conmutación a conduc-ción como su conmutación a bloqueo. Además debe ser capaz de conmutar afrecuencias elevadas.



91

Unidad didáctica 3

Electrónica

A continuación se muestra el circuito del rectificador trifásico controlado PWMcon IGBT:

R

Va

Vo

+

_

Vb

Vc

MUESTRA

DE TENSIONES

DE ENTRADA

GENERADOR

SEÑAL TRIANGULAR

min

max

Regulador de aplitud

COMPARADOR

+

_

SEÑAL PWM

IGBT 1 IGBT 2 IGBT 3

IGBT 4 IGBT 5 IGBT 6

Figura 94. Rectificador controlado PWM con IGBT

Cada IGBT es controlado por una señal PWM obtenida de la comparación entrela muestra tomada de la señal de entrada y una señal triangular generada deamplitud regulable. Dicha regulación es reflejada en la anchura de los pulsosde las señales PWM que controlan los IGBT. Al trabajar los IGBT en régimen deconmutación, permiten el paso de pequeños trozos de la señal de fase a la car-ga, al igual que en los rectificadores anteriores; la estructura del circuito estádiseñada para que la corriente por la carga circule siempre en sentido positivo.

La señal de salida equivale a una corriente continua cuyo valor será la tensión

media de la señal y que dependerá del parámetro D. Por tanto, la tensión conti-nua de la salida del rectificador puede ser controlada mediante la regulación dela amplitud de la señal portadora (onda triangular).

En el rectificador controlado PWM se controla la tensión

continua de salida, regulando la amplitud de la señal por-

tadora.



Unidad didáctica 3


92

3.3. INVERSOR MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO

El inversor o convertidor DC/AC realiza la función contraria al rectificador, es dedecir, convierte la corriente continua en corriente alterna de frecuencia conven-cional. Los inversores son muy utilizados para adaptar al consumo la energíaeléctrica producida por sistemas generadores de corriente continua, tales comosistemas fotovoltaicos, pequeños aerogeneradores o energía proveniente debaterías. Además son aplicados en control de motores, puesto que es posiblevariar su tensión y frecuencia de salida.

Los inversores transfieren potencia desde una fuente de

continua hasta una carga de alterna.

Figura 95. Símbolo inversor monofásico y trifásico

3.3.1. INVERSOR MONOFÁSICO EN PUENTE COMPLETO

Este tipo de inversores utilizan generalmente interruptores de potencia controla-dos como transistores MOSFET o IGBT. A continuación vamos a analizar sufuncionamiento a partir del circuito esquemático representado por interruptores.



93

Unidad didáctica 3

Electrónica

Figura 96. Circuitos equivalentes del inversor en puente completo en susdiferentes situaciones de funcionamiento

Dependiendo del estado de los interruptores, la salida V AB tomará el valor de+VCC, -VCC o 0.

Si se cierran S1 y S2 manteniendo abiertos S4 y S4 (circuito a), la corriente porla carga circula desde el punto A hacia el punto B, consiguiendo que la salidaV AB tome el valor de +Vcc.

Si se abren S1 y S2 y se cierran S3 y S4 (circuito b), la corriente por la cargacircula en sentido contrario al anterior, es decir, desde el punto B hacia el punto A, obteniéndose un valor a la salida de -Vcc.

Cerrando S1 y S3 o S4 y S2 el valor de tensión en la carga será nulo y no circu-lará corriente por ella.

Es importante darse cuenta de que los interruptores de un mismo lado (S1 y S4o S3 y S2) no pueden estar cerrados en el mismo instante, puesto que se pro-duciría el cortocircuito de la fuente.



Unidad didáctica 3


94

De esta manera, controlando los interruptores adecuadamente conseguiremosuna señal de salida alterna de forma cuadrada y de frecuencia deseada.

Figura 97. Señal de salida del inversor en puente completo

A pesar que la señal de salida dista mucho de una señal senoidal, puede ali-mentar a gran cantidad de tipos de cargas. Sin embargo, otros tipos de cargascomo motores requieren señales de mayor calidad, más próximas a la ondasenoidal.

Para conseguir una forma de onda más próxima a la sinusoidal se utilizan inver-sores de técnica PWM.

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www.masterd.es.

3.3.2. INVERSOR PWM

Mediante inversores PWM se obtienen señales de salida pulsatorias de anchura

variable, cuyo valor medio instantáneo sigue una forma sinusoidal. A diferenciade los inversores anteriores, es posible regular el valor medio de tensión de sali-da y además son capaces alimentar todo tipo de cargas que requieren ondasinusoidal incluyendo motores. Por otro lado, se consigue mayor eficienciaenergética, puesto que se mejora el factor de potencia.

Como ya aprendimos en los rectificadores, la técnica PWM consiste en contro-lar los interruptores (MOSFET o IGBT) mediante señales formadas por pulsos deduración variable obtenidas a partir de la comparación de una señal senoidal dereferencia (señal moduladora) con una señal triangular de mayor amplitud y fre-cuencia (señal portadora).



95

Unidad didáctica 3

Electrónica

Ahora la señal moduladora deberá ser generada mediante un oscilador, puestoque solo disponemos de una fuente de tensión continua.

¡No te confundas!

Un oscilador es capaz de producir una señal senoidal a

partir de corriente continua, pero esta señal es de baja po-

tencia y por tanto no puede alimentar cargas; únicamente

es útil como referencia o para ser comparada.

Solamente los inversores son capaces de transferir poten-

cia a cargas de alterna desde de una fuente de continua.

La técnica PWM puede aplicarse a un puente completo formado por cuatro in-terruptores controlados, como el que ya conocemos, o a un puente completo deseis interruptores controlados, dependiendo de si se quiere obtener una salidaalterna monofásica o trifásica.

C2

Vcc A B

R L

VAB+

C1

T1

T3

T4

T2

GENERADOR

SEÑAL TRIANGULAR

minmax


OSCILADOR

COMPARADOR

+

_

SEÑAL PWM

Figura 98. Inversor monofásico PWM



Unidad didáctica 3


96

Si solo se dispone de una fuente de continua unipolar, es decir, que no es posi-ble obtener tensión negativa a la salida, será necesario colocar dos condensa-dores en paralelo a esta con el punto medio a masa. De esta forma se consigue

una tensión bipolar de mitad de amplitud, es decir, que en terminales de C1tendremos +Vcc / 2 y en terminales de C2, -Vcc/2.

Otro concepto que es importante explicar es la necesidad de colocar diodos enantiparalelo con los interruptores controlados (IGBT). En caso de que la cargano sea puramente resistiva y tenga una componente inductiva, es necesariocolocar estos diodos para posibilitar un camino de circulación de la corriente dela inductancia. De lo contrario aparecería una elevada sobretensión que dañaríalos IGBT. Es muy frecuente que estos diodos vengan incorporados en el propioencapsulado del IGBT.

La señal obtenida a la salida del inversor es del tipo PWM y su valor medio ins-

tantáneo puede asemejarse a una señal sinusoidal.

Figura 99. Salida del inversor monofásico PWM

En el caso del inversor trifásico el principio de operación es el mismo, por tantoal circuito será necesario añadirle una nueva rama de dos IGBT. Por otro lado senecesitará una señal sinusoidal trifásica para ser comparada con la portadora yobtener de este modo las señales PWM requeridas para controlar los IGBT.



97

Unidad didáctica 3

Electrónica

C2

Vcc A B

R L

C1

T1

T4

T2

T5

GENERADOR

SEÑAL TRIANGULAR

minmax


OSCILADOR

COMPARADOR

+

_

SEÑALES PWM

T3

T6

C

AR LB R LC

III

Figura 100. Inversor trifásico PWM

A su salida se obtendrán tres señales PWM, similares a la del inversor monofá-sico y desfasadas 120º entre ellas.



99

Unidad didáctica 3

Electrónica

CONCLUSIONES

Seguro que te ha parecido un tema tan denso como interesante. Ahora verás elmundo de la electrónica desde otra perspectiva. Con los conceptos aprendidoshas obtenido una sólida base que seguro te será de gran utilidad tanto en tuvida profesional como para ampliar conocimientos.



Unidad didáctica 3


100

RECAPITULACIÓN

Un condensador es un componente que tiene la capacidad de almace-nar cargas eléctricas y suministrarlas en un determinado momento.

La capacidad de un condensador es la relación existente entre la carga

almacenada y la tensión aplicada.V

QC .

El tiempo de carga de un condensador depende de la resistencia através de la cual le llega la corriente y de la capacidad del condensa-dor. Se considera cargado una vez transcurridas cinco constantes de

tiempo. t = 5 · (R · C). La bobina, o también conocida como inductancia, es un componente

electrónico pasivo que tiene la capacidad de almacenar energía eléctri-ca en forma de campo magnético cuando la corriente que circula através de él aumenta.

Si abrimos bruscamente un circuito donde haya una bobina, apareceun gran pico de tensión capaz de dañar otros componentes del circui-to. Para evitarlo será necesario establecer un camino opcional a la co-rriente, para lo cual se coloca un diodo en antiparalelo a la bobina.

La inductancia es el parámetro característico de la bobina y cuantifica

la propiedad de un circuito o elemento de oponerse al cambio de la co-rriente eléctrica. Se representa por la letra “L” y su unidad es el henrio(H).

El diodo es un componente electrónico que permite el paso de corrien-te en un sentido pero no en otro. Es, por tanto, el componente funda-mental para la rectificación de corriente.

Un diodo polarizado directamente permite el paso de la corriente eléc-trica.

Un diodo polarizado inversamente bloquea el paso de la corriente eléc-trica.



101

Unidad didáctica 3

Electrónica

Un transistor puede utilizarse como un interruptor controlado por ten-sión o corriente de puerta, haciéndolo funcionar en corte y saturación; ocomo un amplificador, haciéndolo funcionar en modo activo, puesto

que un pequeño incremento de la corriente de puerta supone un granincremento en la corriente de colector.

Un amplificador operacional (AO) es un amplificador diferencial de altaganancia. Dicho de otro modo, amplifica la diferencia de tensión entresus dos entradas, multiplicándola por un valor enormemente elevadodenominado ganancia en bucle abierto.

La ganancia de un amplificador operacional puede controlarse median-te una red externa de realimentación.

Un convertidor analógico/digital es un dispositivo electrónico que con-vierte las señales analógicas en digitales.

Un convertidor digital/analógico es un dispositivo electrónicoque convierte señales o palabras digitales en su correspondiente señalanalógica.

La calidad de la información obtenida de un convertidor analógi-co/digital dependerá de la resolución del convertidor y de la velocidad otasa de muestreo.

A la hora de elegir un diodo es necesario conocer cuál es la mayor ten-sión inversa a la que tendrá que trabajar, y comprobar que la tensióninversa máxima del diodo (parámetro característico dado por el fabri-cante) es suficiente para soportarla.

Un tiristor es un componente electrónico cuya conducción es unidirec-cional, es decir, que solamente permite el paso de la corriente en unsentido. Se caracteriza porque su conmutación a conducción es lanza-da a través de un terminal llamado terminal de puerta.

Un GTO es un tipo de tiristor, puede ser cortado a través del terminalde puerta.

Los MOSFET son dispositivos semiconductores cuyo funcionamientoestá basado en el control de corriente mediante un campo eléctricotransversal.

El IGBT es un híbrido entre un MOSFET y un bipolar.

La operación OR (+) equivale a interruptores en paralelo y la operación AND (·) a interruptores en serie.

Un rectificador es todo aquel elemento o circuito capaz de convertir lacorriente alterna en corriente continua.

Los inversores transfieren potencia desde una fuente de continua hastauna carga de alterna.



103

Unidad didáctica 3

Electrónica

AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿Qué ocurre con el condensador cuando se le aplica corriente alterna?

a) Que se comporta como un circuito abierto.

b) Que se comporta como un cortocircuito.

c) Que se destruye.

d) Que queda cargado a una tensión del doble del valor de la amplitud de laseñal.

2. ¿Qué ocurre si se abre bruscamente un circuito en el que existe una

bobina?

a) Se daña la bobina.

b) Se produce un pico de corriente.

c) Aparece un gran pico de tensión.

d) Sigue circulando corriente durante unos minutos.

3. ¿Qué ocurre con la bobina cuando se le aplica corriente continua?

a) Que se comporta como un circuito abierto.

b) Que se comporta como un cortocircuito.

c) Que se destruye.

d) Que queda cargado a una tensión del doble del valor de la amplitud de laseñal.



Unidad didáctica 3


104

4. ¿Por qué un diodo no comienza a conducir hasta que se le aplica una

tensión directa de aproximadamente 0,7 V?

a) Porque es la tensión necesaria para que los electrones adquieran la sufi-ciente energía como para saltar la barrera de potencial asociada a launión PN.

b) Porque es la tensión necesaria para destruir la barrera de potencial de launión PN.

c) Porque a esa tensión los semiconductores se transforman en conducto-res.

d) Porque a esa tensión se produce la ruptura inversa del diodo necesariapara empezar a conducir.

5. En un amplificador operacional, ¿cuál es el objetivo de conectar

una resistencia entre la salida y la entrada inversora, y otra en esta en-

trada?

a) Controlar la corriente de salida.

b) Obtener a la salida la suma de sus entradas.

c) Conseguir a la salida el doble del valor de la entrada inversora.

d) Reducir la ganancia del amplificador operacional a un valor determinado.

6. ¿Cuántas combinaciones pueden conseguirse con 4 bits?

a) 2.

b) 4.

c) 8.

d) 16.

7. ¿Cuál es la diferencia entre un tiristor y un GTO?

a) Ninguna, GTO son las siglas inglesas de tiristor.b) En el tiristor se controla su paso a bloqueo, mientras que en el GTO se

controla el paso a conducción.

c) En el tiristor solo puede controlarse su paso conducción, mientras queen el GTO puede controlarse también su paso a bloqueo.

d) En el GTO solo puede controlarse su paso conducción, mientras que enel tiristor puede controlarse también su paso a bloqueo.



105

Unidad didáctica 3

Electrónica

8. ¿A qué equivale la expresión booleana “

_

1”?

a) 10.

b) 01.

c) 1.

d) 0.

9. ¿Cuál será la tensión media de salida de un rectificador monofásico

totalmente controlado si es disparado con ángulo de disparo α = 0º?

a) 0 voltios.

b) La misma que la del rectificador monofásico en onda completa no con-trolado.

c) La mínima.

d) La misma que la del rectificador trifásico no controlado.

10. ¿Cómo puede modificarse la tensión de salida de un rectificador con-

trolado PWM?

a) Regulando el ángulo de disparo de uno de sus IGBT.

b) Modificando el número de IGBT del circuito.c) Regulando la amplitud de la señal portadora.

d) Regulando la amplitud de la señal PWM.



107

Unidad didáctica 3

Electrónica

SOLUCIONARIO

1. b 2. c 3. b 4. a 5. d

6. d 7. c 8. d 9. b 10. c



Unidad didáctica 3


108


En esta unidad didáctica hemos visto las bases de la electrónica, así que prácti-camente todos los temas pueden ser ampliados. Te aconsejamos que cuandonecesites ampliar conocimientos de alguno de los puntos tratados repases estaunidad y busques más información, bien en bibliotecas o bien en la Red; no teserá difícil encontrar lo que buscas.



109

Unidad didáctica 3

Electrónica

BIBLIOGRAFÍA

GIBILISCO, S. Manual portátil de electrónica . México: McGraw-Hill,2001.

RUIZ VASSALLO, F. Electrónica digital para electricistas y técnicos demantenimiento. España: Creaciones Copyright, 2006.

GOÑI, M. J. Gran enciclopedia de la electrónica. Madrid: EdicionesNueva Lente, 1984.

GARCÍA TRASANCOS, J. Electrotecnia . Madrid: Paraninfo, 2009.




4

E_

T e x t o ( 0 1 ) . d o t

Funcionamiento general

de las instalaciones

solares fotovoltaicas

D I P 2 7 8_

0 4_

V ( 0 1 )



1

Unidad didáctica 4

Funcionamiento general de las instalaciones solares

fotovoltaicas

ÍNDICE

MOTIVACIÓN ..................................................................................................3

PROPÓSITOS ..................................................................................................4


1. LA ENERGÍA SOLAR ........................................................................................7

2. T RANSMISIÓN DE LA ENERGÍA ......................................................................... 10

2.1. CONCEPTOS ELEMENTALES DE ASTRONOMÍA EN CUANTO A LA POSICIÓN SOLAR ................................... 10

2.2. CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR ................................................................................... 13

2.3. LA CONSTANTE SOLAR Y SU DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL .............................................................. 14

2.4. RADIACIÓN SOLAR EN LA SUPERFICIE DE LA TIERRA.................................................................. 16

2.5. RADIACIÓN SOLAR Y MÉTODOS DE CÁLCULO .......................................................................... 18

2.6. ENERGÍA INCIDENTE SOBRE UNA SUPERFICIE PLANA INCLINADA.................................................... 19

2.7. ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN ÓPTIMA ANUAL, ESTACIONAL Y DIARIA............................................... 21

2.8. CÁLCULO DE RADIACIÓN DIFUSA Y DIRECTA SOBRE SUPERFICIES HORIZONTALES Y SOBRE SUPERFICIES

INCLINADAS..............................................................................................................25

2.9. COMPROBACIÓN DE LA RESPUESTA DE DIVERSOS MATERIALES Y TRATAMIENTO SUPERFICIAL FRENTE A

LA RADIACIÓN SOLAR....................................................................................................28

2.10. CÁLCULO DE SOMBREAMIENTOS EXTERNO Y ENTRE CAPTADORES ...................................................29

2.11. EFECTO INVERNADERO ..................................................................................................32

3. DATOS DE RADIACIÓN SOLAR...........................................................................34

3.1. A TLAS SOLARES..........................................................................................................34

3.2. DATOS DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS.............................................................................36



Unidad didáctica 4


2

3.3. BASES DE DATOS DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS.................................................................37

4. T IPOS Y USOS DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS .............................................39

4.1. F UNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIÓN DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED ..........39 4.2. F UNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIÓN DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA AISLADA .....................43

4.3. ALMACENAMIENTO Y ACUMULACIÓN ...................................................................................45

4.4. F UNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIÓN DE UNA INSTALACIÓN DE APOYO CON PEQUEÑO AEROGENERADOR

Y / O GRUPO ELECTRÓGENO ..............................................................................................46

4.5. SISTEMAS DE PROTECCIÓN Y SEGURIDAD EN EL FUNCIONAMIENTO DE LAS INSTALACIONES......................49

CONCLUSIONES .............................................................................................55

RECAPITULACIÓN ...........................................................................................56

AUTOCOMPROBACIÓN ......................................................................................59

SOLUCIONARIO ..............................................................................................63

PROPUESTAS DE AMPLIACIÓN .............................................................................64

BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................65



3

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

MOTIVACIÓN

Los hábitos de consumo actuales son una grave amenaza para nuestro planeta,cada año miles de millones de toneladas de CO2 son emitidas a la atmósfera, loque aumenta el efecto invernadero, causante del calentamiento global. En el año2005 entró en vigor el Protocolo de Kioto en el que cada país se comprometía areducir sus emisiones de gases de efecto invernadero y se fijaron unos objetivosa corto y medio plazo. Para conseguir estos objetivos se recurrió a la implanta-ción de fuentes de energía limpia y renovable; es aquí donde la energía eólica,solar y la biomasa empiezan a jugar un papel cada vez más importante.

Sin duda, las energías renovables son una clara apuesta de futuro. El imparableaumento del precio de los combustibles fósiles, sumado a las mejoras tecnoló-gicas aplicadas a las energías limpias hace que la balanza económica vaya de-cantándose poco a poco por estas últimas.

En un futuro próximo se requerirá gran cantidad de profesionales formados enenergía solar, y tú acabas de dar el primer paso para estar entre ellos.

Recuerda esta frase anónima:

El gran secreto del éxito es estar preparado cuando llega la oportunidad.



Unidad didáctica 4


4

PROPÓSITOS

Al finalizar esta unidad serás capaz de:

Comprender cómo llega la energía solar a nuestro planeta.

Calcular la cantidad de energía solar incidente en una superficie a dis-tintas inclinaciones así como calcular las condiciones óptimas para sumáximo aprovechamiento.

Obtener los valores de irradiación solar en una determinada ubicación,fundamentales a la hora de diseñar y dimensionar una instalación solar.

Describir el funcionamiento y la configuración de los diferentes tipos deinstalaciones de energías solar fotovoltaica que existen.



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas



La energía solar.

Transmisión de la energía solar. Conceptos, cálculos y fenómenos rela-cionados.

Obtención y formas de representación de datos de radiación solar.

Funcionamiento y configuración de los distintos tipos de instalacionessolares fotovoltaicas. De conexión a red, aisladas y aisladas con siste-

mas de apoyo.



7

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

1. LA ENERGÍA SOLAR

Como bien sabemos, el Sol es la estrella más cercana a la tierra y gracias a laenergía recibida de él es posible la vida en nuestro planeta. Esta energía la reci-bimos directamente en forma de luz y calor, pero si nos paramos a pensarlodetenidamente, el Sol es origen de la práctica totalidad de las energías de lasque disponemos en nuestro planeta.

Figura 1. El Sol, fuente de vida y fuente de energía

Las energías eólica y de corrientes oceánicas son causadas por desequilibriostérmicos de las masas de aire y agua; la energía hidráulica por el ciclo del agua,y la biomasa es el resultado del proceso de la fotosíntesis, que no es otra cosa



Unidad didáctica 4


8

que la conversión de energía solar (luminosa) en energía química (materia orgá-nica de las plantas). Tirando de este hilo, llegamos a que las reservas de gas,petróleo y carbón tienen su origen el mismo fenómeno puesto que proceden del

zooplancton y las algas.La energía solar es producida por las reacciones nucleares de fusión que tienenlugar en el interior del Sol a gran profundidad. Los átomos de hidrógeno secombinan entre sí para formar átomos de helio liberando energía. Esta energíava desde el interior hasta la superficie solar o fotosfera y desde allí, se irradia entodas las direcciones.

Figura 2. Detalle del Sol

El Sol irradia en todas las direcciones y en un segundo

emite una energía de 4 x 1026 julios, por lo que genera una

potencia de 4 x 1018 GW. Para hacernos una idea es 200 bi-

llones de veces superior a toda la energía generada artifi-

cialmente en la tierra.

La energía irradiada llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energíallamados fotones. Los fotones se desplazan a una velocidad de 300.000 km/s,por lo que tardan 8 minutos en llegar a la Tierra, puesto que la distancia entreambos es de 150 millones de kilómetros. La atmósfera presenta un importanteobstáculo a la radiación solar, aproximadamente el 30% es reflejada al espaciodel resto gran parte es absorbida por la capa de ozono, otra parte es reflejadapor las nubes y otra absorbida por las partículas del aire. Esto hace que aún endías despejados, rara vez se obtengan valores superiores a los 1.000 W/m2.



9

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Formas de aprovechamiento de la energía solar

Además del aprovechamiento directo de la luz y el calor para iluminar, calentar,

secar, etc., existen, como sabes, sistemas capaces de transformar la energíasolar en otro tipo de energía. Pueden diferenciarse dos tipos de energías segúnel sistema utilizado para obtenerlas:

Energía solar fotovoltaica: la energía eléctrica obtenida de la energía so-lar luminosa mediante células fotoeléctricas. Estas células son semi-conductores que, al aplicarles una excitación luminosa, generan unacorriente eléctrica proporcional.

Energía solar térmica: la energía térmica comunicada a un fluido, obte-nida de la energía solar luminosa por medio de un sistema de capta-ción.

Energía solar termoeléctrica: la energía eléctrica obtenida a partir detres transformaciones, la primera, de energía solar a energía térmica,que a su vez es aplicada a un fluido que hace mover una turbina demodo que se consigue la segunda transformación, de energía térmica aenergía mecánica. Dicha turbina hace mover el rotor de un generadoreléctrico consiguiéndose así la tercera transformación, de energíamecánica a energía eléctrica.

En esta unidad nos centraremos en la energía solar fotovoltaica y en el funcio-namiento de sus instalaciones.



Unidad didáctica 4


10

2. TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA

La energía transmitida por el Sol va encontrando obstáculos hasta llegar a noso-tros, parte de esa energía se queda por el camino, parte es desviada en otrasdirecciones un porcentaje de ella nos llega directamente. En los siguientes apar-tados analizaremos todos los conceptos y fenómenos que determinan las ca-racterísticas con las que la energía solar alcanza nuestro planeta, así como lasconsideraciones que es necesario tener en cuenta para obtener el máximoaprovechamiento de ella.

2.1. CONCEPTOS ELEMENTALES DE ASTRONOMÍA EN CUANTO A LAPOSICIÓN SOLAR

Sabemos que el Sol sale por el este y se pone por el Oeste, elevándose más omenos en el cielo, dependiendo de la época del año en la que estemos.

En la Antigüedad se tenía la creencia de que era el Sol que rotaba alrededor dela Tierra, pero en la actualidad sabemos que ese movimiento es debido al mo-vimiento de giro de la Tierra sobre sí misma.

La Tierra gira sobre sí misma con una inclinación de 23º 27’ respecto de la tra-yectoria de giro alrededor del Sol. Estos dos movimientos determinan el día y lanoche y las estaciones del año respectivamente.

Figura 3. Órbita de traslación de la tierra. Estaciones del año



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

En la imagen puede observarse cómo la Tierra describe una órbita ligeramenteelíptica alrededor del Sol; el radio de esta órbita varía en un ±1,7% durante elaño, lo que resulta prácticamente inapreciable en cuanto a radiación solar. Lo

que determina el verano y el invierno es el ángulo de inclinación del eje de laTierra. En invierno, los rayos inciden de manera oblicua sobre la superficie te-rrestre y por tanto, la intensidad se dispersa en mayor superficie, sin embargoen verano, los rayos inciden perpendicularmente a la superficie por tanto la in-tensidad queda concentrada en un área menor.

Con una linterna puede comprobarse cómo cuando un

haz de luz incide perpendicularmente, la intensidad lumi-

nosa sobre la superficie es mayor que cuando incide de

modo oblicuo.

Directo Oblicuo

Figura 4. Ángulos de incidencia de los rayos solares

Una vez tenemos la visión real y espacial de cómo orbita la Tierra alrededor delSol a la vez que gira sobre sí misma, vamos a analizar estos movimientos desdeel punto de vista que nosotros tenemos desde la superficie terrestre. Al tomarcomo referencia la Tierra es el Sol el que aparentemente se mueve. A esto lollamaremos movimiento aparente del Sol.



Unidad didáctica 4


12

El Sol describe una trayectoria que depende de la latitud y longitud del lugardonde se encuentra el observador.

La Tierra está dividida por líneas imaginarias horizontalesen forma circular, denominadas paralelos, y semicírculos

verticales que pasan por los polos, denominados meridia-

nos.

Latitud es la distancia angular, desplazándose hacia el

Norte, entre el Ecuador y un punto determinado del pla-

neta.

Longitud es la distancia angular, desplazándose hacia el Es-

te, entre el meridiano de Greenwich y un punto determi-

nado del planeta.

La posición solar en un determinado instante queda definida por dos ángulos:

Altura solar: ángulo de elevación del Sol tomando como referencia elhorizonte.

Azimut: ángulo entre el Norte o el Sur y la proyección vertical del Sol. Elángulo es positivo en el sentido de las agujas del reloj.

Figura 5. Representación de altura solar y acimut

Evidentemente, los valores de altura solar y acimut dependerán de la latitud ylongitud donde nos encontremos, así como de la hora y día del instante en quese tomen.



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

2.2. CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR

Al principio del tema veíamos que la energía solar se convierte de modo naturalen otros tipos de energía como la eólica, biomasa, hidráulica, etc. Pero, comosabes, no solo la naturaleza es capaz de convertir esta energía, existen diferen-tes sistemas mediante los cuales es posible obtener calor o electricidad a partirde la energía solar.

Conversión a calor (energía solar térmica)

Es una de las conversiones más directas puesto que la luz es energía, y porconsiguiente, al ser absorbida por un cuerpo se transforma en calor. Es por eso

que cuando incide la luz solar en un cuerpo o material de color negro, se calien-ta mucho más que uno de color blanco.

El color negro no refleja la luz, por tanto absorbe la mayor

parte de la radiación (del 90 al 98%) consiguiéndose un

calentamiento considerable en el cuerpo.

Por el contrario, el color blanco refleja gran parte de la luz,

obteniéndose una absorción mínima (entrono al 15%) y en

consecuencia un bajo calentamiento del cuerpo.

Así pues, un colector de energía solar térmica está basado en la teoría de ab-sorción de los colores. Si se hace circular un fluido a través de un serpentín decolor negro sobre el que incide la luz solar se consigue calentar dicho fluido. Siademás se aísla térmicamente el serpentín para evitar pérdidas de calor y se lecoloca un vidrio que permita la entrada de la luz pero no su salida se consigueaumentar considerablemente el rendimiento del sistema. Existen otros métodoscon los que se obtienen rendimientos todavía mayores utilizando los llamadostubos de vacío y concentradores solares:

El método de tubos de vacío consiste en encerrar el conductor del flui-do en tubos de vidrio al vacío para evitar fugas de calor por convec-ción.

El método de concentradores solares consiste en concentrar la luz so-lar mediante espejos parabólicos y aplicársela al conductor del fluidotermoportador, así se consigue elevar la temperatura de dicho fluido atemperaturas muy altas.



Unidad didáctica 4


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Conversión a electricidad (energía solar fotovoltaica)

La conversión de energía solar a energía eléctrica resulta más compleja que la

conversión a calor. La obtención de electricidad a partir de la radiación solar seconsigue mediante el denominado efecto fotovoltaico.

El efecto fotovoltaico aprovecha la energía radiante del Sol en forma de fotonespara generar electricidad mediante el uso de semiconductores. Los fotones in-ciden sobre el semiconductor excitando los electrones de este, generando asíuna corriente eléctrica.

Las células fotovoltaicas están formadas por dos semiconductores, uno P do-pado con boro y otro N dopado con fósforo. Si los fotones procedentes del Solinciden sobre la superficie de la unión P-N, con suficiente energía, harán que loselectrones de estos se liberen; si existe suficiente potencial serán expulsadosdel semiconductor a través del circuito de carga, produciéndose así una corrien-

te eléctrica.Es necesario un tratamiento especial del semiconductor para evitar que laenergía que ceden los fotones a los electrones se transforme en calor inútil cau-sado por los choques de los electrones en su movimiento a través de la redatómica.

Los sistemas de conversión de la energía solar tienen dis-

tintos rendimientos. Los más altos se obtienen en energía

solar térmica, donde pueden llegar a alcanzar del orden

del 70 u 80%. Mientras que en sistemas fotovoltaicos el

rendimiento es aproximadamente del 15%.

2.3. LA CONSTANTE SOLAR Y SU DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL

La constante solar (Gsc) es el flujo de energía proveniente

del Sol que incide en 1 m2 de superficie, medida en la par-

te externa de la atmósfera en un plano perpendicular a los

rayos del Sol. El valor de la constante solar es de 1.353

W/m2.

También puede ser expresada en·min2

cm

cal



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

La radiación solar está formada por fotones con distintos niveles de energía ydistintas longitudes de onda que van desde el infrarrojo (muy abundante peropoco energético) hasta el ultravioleta (poco abundante pero muy energético),

siendo el espectro visible la parte más significativa de las tres.

Figura 6. Distribución espectral de la radiación solar en la parte externa de laatmósfera y en la superficie terrestre

Como ves, la radiación solar está formada por tres tipos de radiaciones en fun-ción se su longitud de onda (frecuencia):

La radiación infrarroja (IR) son ondas de baja frecuencia que proporcio-nan calor. Por sus características este tipo de radiación no puede serconvertida a energía eléctrica. Aporta el 45,6% de la energía radiada.

La radiación ultravioleta (UV) son ondas de alta frecuencia; es la que lasplantas necesitan para realizar la fotosíntesis. Un parte importante deesta radiación es absorbida por al capa de ozono. Aporta el 6,4% de laenergía radiada.

La radiación visible es la parte de la radiación que el ojo humano capta

como luz. Aporta el 48% de la energía radiada.Cuando la radiación atraviesa la atmósfera parte de ella es absorbida, parte re-flejada y parte dispersada; por ello, como puede verse en el gráfico anterior, laradiación en la superficie terrestre es de menor intensidad.



Unidad didáctica 4


16

2.4. RADIACIÓN SOLAR EN LA SUPERFICIE DE LA TIERRA

Radiación solar es la energía procedente del Sol en forma

de ondas electromagnéticas.

Como acabamos de ver, la radiación solar en la superficie de la tierra es menorque la incidente en la parte exterior de la atmósfera, la cual es prácticamente lamisma que la emitida en línea recta por el Sol, dada la ausencia de materia en elespacio exterior.

Cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera parte es absorbida por la capade ozono, parte reflejada por las nubes y parte dispersada por moléculas deaire, gotas de agua y partículas de polvo en suspensión.

Dependiendo de la trayectoria de la radiación, podemos diferenciar tres tipos:

Radiación directa: la que llega directamente del Sol, en línea recta. Es laque mayor aporte energético supone en sistemas fotovoltaicos.

Radiación difusa: la absorbida y difundida por la atmósfera. Es depen-diente de las condiciones meteorológicas, y la radiación más importan-

te en los días nublados.

Durante el día vemos el cielo azul debido a la radiación di-

fusa que produce la atmósfera; si no fuera por ella, vería-

mos el cielo negro también de día como ocurre en la Lu-

na.

Radiación reflejada o albedo: proviene de la radiación directa y difusaque es reflejada por el suelo u otras superficies como la nieve.



17

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Figura 7. Componentes de la radiación solar incidente en la superficie terrestre

La radiación solar total en la superficie de la tierra resulta de la suma de las tresradiaciones:

IT = I D + I S + I R

Se considera que la radiación solar total en la superficie

terrestre, en un plano perpendicular a los rayos del Sol es

de 1.000 W/m2, a mediodía solar, en un día claro de vera-

no y al nivel del mar.

Existen dos términos muy relacionados con la radiación solar: irradiancia e irradiación.

Irradiancia: magnitud utilizada para describir la densidad

de potencia incidente por unidad de superficie. Por tanto,

se mide en kW/m2. (La constante solar es un valor de irra-

diancia para unas determinadas condiciones).

Irradiación: energía incidente por unidad de superficie en

un determinado tiempo. Se mide en kWh/m2 o en MJ/m2.



Unidad didáctica 4


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2.5. RADIACIÓN SOLAR Y MÉTODOS DE CÁLCULO

Para diseñar cualquier instalación solar es necesario conocer los valores de laradiación solar incidente en sus diferentes componentes (directa, difusa y albe-do) para el lugar concreto de la ubicación. Puesto que de ello dependerá elnúmero de paneles o colectores solares necesarios para satisfacer la demandaenergética.

Para calcular la radiación solar de un determinado lugar se utilizan datos de ra-diación solar tomados en estaciones meteorológicas durante varios años, a par-tir de estos se realizan cálculos estadísticos para obtener un valor medio. Estosdatos son obtenidos mediante los siguientes instrumentos de medida:

Piranómetro: mide la radiación solar directa y difusa en conjunto, aun-que bloqueándole la radiación directa es posible medir únicamente ladifusa.

Pirheliómetro: mide solamente la radiación directa.

En Europa, contamos con el Atlas europeo de radiación solar . Este atlas es ela-borado con valores medios de los últimos 10 años, y proporciona para una loca-lidad concreta, todo tipo de información útil sobre radiación según distintas ca-racterísticas de la instalación solar.

Introduce en tu buscador de Internet:

“PVGIS EUROPA”

(Siglas de Photovoltaic Geographical Information System )

Te aparecerá un mapa de Europa, seleccionando la locali-

dad que desees encontrarás todo tipo de información re-

lacionada con la radiación solar del lugar. Prueba a modi-

ficar los parámetros y observa cómo cambia la radiación

solar incidente (irradiación).

Las bases de datos de radiación solar son la mejor fuente de información, perosi no es posible disponer de ellos para la localidad deseada, también puedecalcularse a partir de otros datos meteorológicos relacionados, como son: elnúmero de horas de Sol y los datos de nubosidad.

Otra opción más sencilla es utilizar los datos estadísticos de radiación de otralocalidad de similares latitud, topografía y clima.



19

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

2.6. ENERGÍA INCIDENTE SOBRE UNA SUPERFICIE PLANAINCLINADA

La inclinación de los colectores solares o paneles fotovoltaicos es determinanteen el aprovechamiento de la energía solar.

Si el plano no se encuentra perpendicular a los rayos del Sol, estos inciden enuna superficie mayor y por tanto, la potencia por unidad de superficie será me-nor, al igual que ocurre sobre la Tierra cuando el Sol incide oblicuamente eninvierno y perpendicularmente en verano.

Para determinar la energía de la radiación directa que incide sobre una superfi-cie inclinada un ángulo β podemos aplicar la siguiente expresión:

Hβ = H h · sen (h s - β )

Donde:

Hβ: energía total sobre una superficie plana perpendicular a los rayosdel Sol. Este valor puede ser obtenido a partir de atlas solares o basesdatos de irradiación.

Hh: energía total sobre una superficie horizontal.

hs: altura solar, ángulo de elevación del Sol tomando como referencia elhorizonte.

β: ángulo de inclinación de la superficie plana.

Para obtener el medio de radiación solar incidente en una superficie plana incli-nada en los distintos meses de año o a las diferentes horas del día se utiliza unsencillo cálculo, aplicando un factor de corrección sobre el valor de irradiaciónen una superficie horizontal. Este factor depende de la latitud del lugar, del mesy la inclinación de la superficie colectora, y es dado para orientación 0º Sur.

Hβ = H h · k

El factor de corrección k viene dado por las siguientes tablas, en función de lalatitud del lugar.



Unidad didáctica 4


20

Latitud = 42°

Inc Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.08 1.06 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02 1.04 1.06 1.08 1.09 1.0910 1.15 1.12 1.09 1.06 1.04 1.03 1.04 1.06 1.11 1.15 1.18 1.1715 1.21 1.17 1.13 1.08 1.04 1.03 1.04 1.09 1.15 1.22 1.26 1.2520 1.27 1.21 1.15 1.09 1.04 1.03 1.05 1.1 1.18 1.28 1.34 1.3225 1.32 1.25 1.17 1.09 1.04 1.01 1.04 1.1 1.21 1.33 1.4 1.3830 1.36 1.28 1.19 1.09 1.02 1 1.02 1.1 1.23 1.37 1.46 1.4435 1.39 1.3 1.19 1.08 1 .97 1 1.09 1.23 1.4 1.51 1.4840 1.42 1.31 1.19 1.06 .97 .94 .97 1.08 1.24 1.42 1.54 1.5245 1.43 1.32 1.18 1.04 .94 .9 .94 1.05 1.23 1.43 1.57 1.5450 1.44 1.31 1.16 1 .89 .86 .9 1.02 1.21 1.44 1.59 1.5655 1.44 1.3 1.13 .97 .85 .8 .85 .98 1.19 1.43 1.59 1.5760 1.43 1.28 1.1 .92 .79 .75 .8 .93 1.15 1.41 1.59 1.5765 1.41 1.25 1.06 .87 .74 .69 .74 .88 1.11 1.39 1.57 1.5570 1.38 1.21 1.01 .81 .67 .62 .67 .82 1.07 1.35 1.55 1.5375 1.35 1.17 .96 .75 .6 .55 .6 .76 1.01 1.31 1.52 1.580 1.3 1.12 .9 .68 .53 .48 .53 .69 .95 1.25 1.47 1.4685 1.25 1.06 .83 .61 .46 .4 .46 .62 .88 1.19 1.42 1.4190 1.19 1 .76 .54 .38 .32 .38 .54 .81 1.12 1.36 1.35

Latitud = 43°

Inc Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.08 1.07 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.09

10 1.15 1.12 1.09 1.06 1.04 1.03 1.04 1.07 1.11 1.16 1.19 1.1815 1.22 1.18 1.13 1.08 1.05 1.03 1.05 1.09 1.15 1.23 1.27 1.2620 1.28 1.22 1.16 1.09 1.05 1.03 1.05 1.1 1.19 1.29 1.35 1.3325 1.33 1.26 1.18 1.1 1.04 1.02 1.04 1.11 1.22 1.34 1.42 1.430 1.37 1.29 1.2 1.1 1.03 1 1.03 1.11 1.24 1.38 1.48 1.4535 1.41 1.31 1.2 1.09 1.01 .98 1.01 1.1 1.25 1.42 1.52 1.540 1.43 1.33 1.2 1.07 .98 .95 .98 1.09 1.25 1.44 1.56 1.5445 1.45 1.33 1.19 1.05 .95 .91 .95 1.06 1.24 1.45 1.59 1.5750 1.46 1.33 1.17 1.02 .91 .87 .91 1.03 1.23 1.46 1.61 1.5855 1.46 1.32 1.15 .98 .86 .82 .86 1 1.21 1.45 1.62 1.5960 1.45 1.3 1.12 .94 .81 .76 .81 .95 1.17 1.44 1.62 1.5965 1.43 1.27 1.08 .89 .75 .7 .75 .9 1.13 1.41 1.61 1.5870 1.41 1.23 1.03 .83 .69 .64 .69 .84 1.09 1.38 1.58 1.5675 1.37 1.19 .98 .77 .62 .57 .62 .78 1.03 1.34 1.55 1.53

80 1.33 1.14 .92 .7 .55 .49 .55 .71 .97 1.28 1.51 1.4985 1.28 1.08 .85 .63 .47 .42 .47 .64 .9 1.22 1.45 1.4490 1.22 1.02 .78 .56 .4 .34 .39 .56 .83 1.16 1.39 1.38

Figura 8. Ejemplo de tablas de factor de corrección para la zona Norte deEspaña



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas


Haciendo uso de las tablas del ejemplo anterior, calcula la

energía media incidente en un día de julio sobre un panelfotovoltaico cuya inclinación es de 15º, el cual está insta-

lado en la ciudad de Huesca (latitud 42). Consultando el

atlas de irradiación solar hemos obtenido que la irradia-

ción sobre una superficie horizontal en Huesca en el mes

de julio es de 6.290 Wh/m2/día.

Solución:

6.290 Wh/m2/día x 1,04 = 6.541,6Wh/m

2/día

2.7. ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN ÓPTIMA ANUAL, ESTACIONAL YDIARIA

Para obtener la mayor cantidad de energía de la radiación solar directa es nece-sario que la superficie de captación sea perpendicular a la los rayos del Sol.

Sin embargo, para conseguir el mayor aprovechamiento de la radiación difusa lo

ideal sería que la superficie de captación se encontrara en posición horizontal;de este modo abarcaría mayor campo de visión de la bóveda celeste y por tan-to, captaría mayor radiación difusa.

En algunas zonas donde la gran mayoría de los días del

año está nublado, los paneles fotovoltaicos son colocados

en posición horizontal con el fin de captar la mayor canti-

dad de radiación difusa.

A lo largo del año, la altura solar varía y en consecuencia, el ángulo de inciden-cia de la radiación solar sobre una superficie fija. Dependiendo de este ángulose conseguirá mayor o menor energía incidente según la estación en la que nosencontremos.

Lo ideal sería conseguir que los rayos solares incidieran perpendicularmente enla superficie colectora en todos los meses del año y a todas horas del día, peroesto solo es posible mediante seguidores solares de dos ejes. Para instalacio-nes fijas, será necesario calcular la dirección y el ángulo de inclinación óptimosde los paneles solares, para conseguir el mayor aporte energético anual.



Unidad didáctica 4


22

¿Cómo lo vas llevando? Esperamos que bien.

¿Cuánto hace que no te pones en contacto con tu tutor o

con tu profesor de prácticas? Mira la guía didáctica y no

dudes en utilizar los servicios que te hemos ofrecido.

Están pensados para ti.

Ángulo de inclinación óptimo

Se buscará, en la medida de lo posible, que la inclinación de los paneles foto-voltaicos con respecto a la horizontal sea tal que la energía captada sea máximaen el periodo de diseño. Se indican a continuación los periodos de diseño habi-tuales y la correspondiente inclinación β de los paneles que hacen que la ener-gía captada sea máxima.

Periodo de diseño βópt.

diciembre (invierno) + 10

julio (verano) – 20

anual - 10

= latitud del lugar en grados

El periodo de diseño se establecerá en función de las necesidades de consumo.Por ejemplo, si se tiene un consumo constante a lo largo del año, será necesariosatisfacerlo también en los meses de menor radiación, por tanto se tomará elcriterio de “mes peor”, tomándose como periodo de diseño diciembre, y la incli-nación de los paneles será por tanto 10º superior a la latitud del lugar.

Si por el contrario se pretende maximizar la producción anual, como es el casode las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red, el periodo de diseño serátodo el año y la inclinación de los paneles será 10 grados inferior a la latitud dellugar.

Por otro lado, si el mayor consumo se realizase en verano, como sería el casode una casa de playa, se colocarían los paneles con una inclinación 20º inferiora la latitud del lugar.

Si queremos saber el ángulo óptimo de inclinación de cada mes podemos con-sultar las tablas de factor de corrección de la figura 8. Buscaremos cuál es elángulo de inclinación con el que se consigue el máximo factor de corrección delmes.



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Latitud = 42°


0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

5 1.08 1.06 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02 1.04 1.06 1.08 1.09 1.0910 1.15 1.12 1.09 1.06 1.04 1.03 1.04 1.06 1.11 1.15 1.18 1.1715 1.21 1.17 1.13 1.08 1.04 1.03 1.04 1.09 1.15 1.22 1.26 1.2520 1.27 1.21 1.15 1.09 1.04 1.03 1.05 1.1 1.18 1.28 1.34 1.3225 1.32 1.25 1.17 1.09 1.04 1.01 1.04 1.1 1.21 1.33 1.4 1.3830 1.36 1.28 1.19 1.09 1.02 1 1.02 1.1 1.23 1.37 1.46 1.4435 1.39 1.3 1.19 1.08 1 .97 1 1.09 1.23 1.4 1.51 1.4840 1.42 1.31 1.19 1.06 .97 .94 .97 1.08 1.24 1.42 1.54 1.5245 1.43 1.32 1.18 1.04 .94 .9 .94 1.05 1.23 1.43 1.57 1.5450 1.44 1.31 1.16 1 .89 .86 .9 1.02 1.21 1.44 1.59 1.5655 1.44 1.3 1.13 .97 .85 .8 .85 .98 1.19 1.43 1.59 1.5760 1.43 1.28 1.1 .92 .79 .75 .8 .93 1.15 1.41 1.59 1.5765 1.41 1.25 1.06 .87 .74 .69 .74 .88 1.11 1.39 1.57 1.55

70 1.38 1.21 1.01 .81 .67 .62 .67 .82 1.07 1.35 1.55 1.5375 1.35 1.17 .96 .75 .6 .55 .6 .76 1.01 1.31 1.52 1.580 1.3 1.12 .9 .68 .53 .48 .53 .69 .95 1.25 1.47 1.4685 1.25 1.06 .83 .61 .46 .4 .46 .62 .88 1.19 1.42 1.4190 1.19 1 .76 .54 .38 .32 .38 .54 .81 1.12 1.36 1.35

Figura 9. Obtención del ángulo óptimo mensual a partir de la tabla de factorde corrección

También es posible calcular mediante dichas tablas el ángulo óptimo de inclina-ción anual, para lo cual deberemos sumar los factores de corrección de todoslos meses para cada ángulo de inclinación y observar con qué ángulo se consi-gue mayor valor.

Latitud = 42°


(

)

0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 125 1.08 1.06 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02 1.04 1.06 1.08 1.09 1.09 12,6410 1.15 1.12 1.09 1.06 1.04 1.03 1.04 1.06 1.11 1.15 1.18 1.17 13,215 1.21 1.17 1.13 1.08 1.04 1.03 1.04 1.09 1.15 1.22 1.26 1.25 13,6720 1.27 1.21 1.15 1.09 1.04 1.03 1.05 1.1 1.18 1.28 1.34 1.32 14,0625 1.32 1.25 1.17 1.09 1.04 1.01 1.04 1.1 1.21 1.33 1.4 1.38 14,3430 1.36 1.28 1.19 1.09 1.02 1 1.02 1.1 1.23 1.37 1.46 1.44 14,5635 1.39 1.3 1.19 1.08 1 .97 1 1.09 1.23 1.4 1.51 1.48 14,6440 1.42 1.31 1.19 1.06 .97 .94 .97 1.08 1.24 1.42 1.54 1.52 14,6645 1.43 1.32 1.18 1.04 .94 .9 .94 1.05 1.23 1.43 1.57 1.54 14,57

50 1.44 1.31 1.16 1 .89 .86 .9 1.02 1.21 1.44 1.59 1.56 14,3855 1.44 1.3 1.13 .97 .85 .8 .85 .98 1.19 1.43 1.59 1.57 14,160 1.43 1.28 1.1 .92 .79 .75 .8 .93 1.15 1.41 1.59 1.57 13,7265 1.41 1.25 1.06 .87 .74 .69 .74 .88 1.11 1.39 1.57 1.55 13,2670 1.38 1.21 1.01 .81 .67 .62 .67 .82 1.07 1.35 1.55 1.5375 1.35 1.17 .96 .75 .6 .55 .6 .76 1.01 1.31 1.52 1.580 1.3 1.12 .9 .68 .53 .48 .53 .69 .95 1.25 1.47 1.4685 1.25 1.06 .83 .61 .46 .4 .46 .62 .88 1.19 1.42 1.4190 1.19 1 .76 .54 .38 .32 .38 .54 .81 1.12 1.36 1.35

Figura 10. Obtención del ángulo óptimo anual a partir del sumatorio de losfactores de corrección mensuales para cada ángulo



Unidad didáctica 4


24

Orientación

Los paneles deberán orientarse, siempre que sea posible, exactamente hacia el

Sur geográfico. En cualquier caso serán admisibles desviaciones de hasta ±20ºhacia el Este/Oeste cuando la existencia de sombras u otros condicionantes dellugar obliguen a ello.

La orientación ideal de los paneles solares viene condicionada por el sombrea-miento, por ejemplo, en zonas de montaña, el Sol incide sobre el valle duranteun horario más reducido que de lo normal, dependiendo de la orientación delvalle. Imaginemos un valle en el que Sol incide al amanecer pero por la tarde lasmontañas lo ocultan mucho antes del ocaso, en este caso la orientación óptimano será hacia Sur exacto (180º S), sino que será unos determinados gradoshacia el Sureste.

El sombreamiento no solo es provocado por las montañas, también puede sercausado por otras edificaciones de mayor altura, por árboles u otros elementos.

Siempre que tengas que hacer el estudio de orientación

de una instalación solar, visita el lugar y analiza todos los

elementos del entorno que puedan causar sombreamien-

tos.

Otras veces la orientación de los paneles solares vendrá condicionada por elaprovechamiento del espacio con el fin de obtener la máxima potencia en unespacio limitado. Imaginemos una nave industrial de base rectangular, orientada165º SE. Se desea colocar una instalación solar de la máxima potencia posibleen su cubierta, y como vemos, su orientación no es Sur exacta, pero colocandolos paneles en la misma orientación de la nave, posiblemente consigamos colo-car mayor número de paneles, obteniendo mayor potencia que si los orientamoshacia el Sur exacto. En estos casos será necesario hacer un completo estudiopara determinar como es posible conseguir la mayor potencia y si resultaeconómicamente viable.

La orientación ideal de los paneles solares es siempre

hacia el Ecuador. Por tanto, para el hemisferio Norte los

paneles deberán orientarse hacia el Sur y en el hemisferio

Sur los paneles deberán orientarse hacia el Norte.



25

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

2.8. CÁLCULO DE RADIACIÓN DIFUSA Y DIRECTA SOBRESUPERFICIES HORIZONTALES Y SOBRE SUPERFICIES

INCLINADAS

La determinación de la radiación directa y difusa sobre superficies horizontalese inclinadas supone un complejo cálculo dependiente de múltiples factores.

A continuación expondremos los cálculos de modo esquemático para que resul-te más sencillo ver cómo se obtienen los distintos factores de los que dependenlas fórmulas principales.

Los cálculos que vamos a ver a continuación no son para

que los memorices ni para que analices de dónde provie-

nen las fórmulas. Simplemente los mostramos para que

tengas una guía para cuando necesites calcular la radia-

ción directa y difusa.

Si en algún momento no entiendes algo o te quedas blo-

queado en un paso, ponte en contacto con tu tutor, él te

va a ayudar a comprenderlo.



Unidad didáctica 4


26

RADIACIÓN SOBRE SUPERFICIE HORIZONTAL

Dd = G d (1,39 - 4,027 K d + 5,531 K d2 - 3,108 K d

3 )

Gd: radiación solar total en laTierra

Gd = K d · G 0d

Kd: índice de transparencia atmosfé-rica

0,3 < Kd < 0,7

G0d: radiación solar extraterrestre en superficie horizontal(kWh/m2 )

sS SC d SenCosCosSenSen E I G

···24

00

: latitudISC: constante solar (1366 W/m2 )

E0: factor de corrección de laexcentricidad de la órbita de la

Tierra

365

·2033,010

nd Cos E

ωs: ángulo de salida del Sol

tagtagarcCoss

: latitud

δ: declinación solar (rad)

300148,03002697,02000907,0

2006758,0070257,0·399912,0006918,0

SenCosSen

CosSenCos

Γ: ángulo diario (rad)

365

12

n

d

RADIACIÓN DIFUSA RADIACIÓN DIRECTA

Id = G d - D d



Unidad didáctica 4


28

2.9. COMPROBACIÓN DE LA RESPUESTA DE DIVERSOS MATERIALES Y TRATAMIENTO SUPERFICIAL FRENTE A LA RADIACIÓN SOLAR

Como hemos visto anteriormente, existe una trayectoria de radiación solar de-nominada albedo, causada por la reflexión de la luz en los distintos materialespresentes en la superficie.

En función del tipo de material y tratamiento superficial de un cuerpo, la radia-ción solar al incidir en él puede:

Reflejarse: la radiación es devuelta al espacio.

Absorberse: la radiación es absorbida por el cuerpo y transformada en

energía, normalmente en forma de calor. Transmitirse: la radiación atraviesa el cuerpo y es comunicada a otros

medios o cuerpos.

La suma de la energía reflejada, absorbida y transmitida suponen la radiacióntotal incidente sobre el cuerpo.

Como sabes, los colores de la superficie de un cuerpo determinan en gran partela absorción y reflexión de la radiación solar, así pues:

Una superficie blanca tiene un alto coeficiente de reflexión (r ≈ 1) y bajocoeficiente absorción (a ≈ 0).

Una superficie negra tiene muy bajo coeficiente de reflexión (r ≈ 0) y altocoeficiente de absorción (a ≈ 1).

Las superficies brillantes tienen un alto coeficiente de reflexión prácti-camente similar al de una superficie blanca, la diferencia está en quelas superficies blancas emiten gran parte del calor absorbido, mientrasque las brillantes lo almacenan, alcanzando por tanto una temperaturamucho mayor.

A continuación se muestra una tabla con el porcentaje de luz reflejada por dife-rentes superficies.

Superficie Albedo ( ) Superficie Albedo ( )

Nieve reciente 80 - 90 Bosque 13 - 18

Nieve vieja 42 - 70 Ciudad 14 – 22

Hierba 15 – 25 Cemento 25 – 35

Suelo arenoso 25 - 45 Aluminio 85

Superficie del mar 7 - 14 Teja roja 33



29

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

2.10. CÁLCULO DE SOMBREAMIENTOS EXTERNO Y ENTRECAPTADORES

En el proceso de diseño de una instalación fotovoltaica es importante conside-rar las sombras que proyectan objetos del entorno sobre los captadores y lassombras proyectadas entre los mismos. Las longitudes de sombra que proyec-ten determinarán la distancia mínima entre filas de captadores o entre un objetoy un captador, considerando estas distancias se consigue un máximo aprove-chamiento del espacio y la radiación solar incidente.

Para calcular la distancia entre dos filas de captadores oentre una fila y un obstáculo se tomará como criterio de

diseño que:

El día más desfavorable, es decir el día del año en el que

Sol está más bajo (21 de diciembre), se consigan 4 horas,

en torno al mediodía solar, sin sombreamientos sobre los

captadores.

Para comprender la fórmula que se utiliza para calcular distancia mínima entre

filas de captadores solares o entre estos y un obstáculo nos ayudaremos de lassiguientes figuras.

h

b

L

h

a b

d min

s

Figura 11. Ilustración para el cálculo de distancia entre filas de colectoressolares



Unidad didáctica 4


30

Para calcular la distancia mínima entre captadores diferenciamos dos partes, a y b. La suma de ambas nos dará la distancia que buscamos.

bad mín

.

La distancia b queda definida por la siguiente fórmula:

b = L · cos β

Donde:

L: longitud del captador.

β: ángulo de inclinación del captador.

Y la distancia a queda definida por la expresión matemática:

)tan(s

h

ha

Donde:

h: altura del captador. Puede calcularse de la expresión: h = L · sen β

hS: altura solar en grados del día 21 de diciembre 2 horas antes o des-pués del mediodía solar. La altura solar en las condiciones especifica-das puede calcularse mediante la siguiente expresión aproximada:

hs = 61º - latitud

Consecuentemente, la distancia mínima entre filas de captadores solares será:

cos·)º61tan(

·. L

latitud

sen Ld

mín

Donde, recordemos que:

L: longitud del captador.

β: ángulo de inclinación del captador.

El método de cálculo para obtener la distancia mínima a la que podrá colocarseun captador solar respecto a un objeto que proyecte sombra en la dirección dedicho captador es similar al anterior.



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

h

h

d min

s

Figura 12. Ilustración para el cálculo de distancia entre obstáculo y colector solar

Como puede apreciarse en la imagen anterior, en la que se ha representado elcaso típico del sombreamiento provocado por una chimenea, el cálculo resultamás sencillo y por tanto, la fórmula que define la distancia mínima entre cap-

tadores solares y un objeto externo queda simplificada a la siguiente expre-sión:

)º61tan(.

latitud

h

d mín

Donde h es la altura del objeto con respecto al nivel de la superficie de apoyodel captador solar.

Aproximadamente, para hacer un cálculo rápido, puede considerarse que ladistancia mínima que debe haber entre un captador solar y un obstáculo es de2,5 veces la altura de dicho obstáculo. Esto es simplemente una aproximación yno debe utilizarse para realizar el diseño de una instalación.


Calcula la distancia mínima a la que deberán colocarse las

filas de captadores solares de una instalación ubicada en

la ciudad de Palencia (latitud 42°). El ángulo de inclinación

de los captadores solares de de 32° y supondremos que

tienen orientación Sur exacta. La longitud de los captado-

res de 1,70 metros.

Solución:

dmín. = 4,058 m



Unidad didáctica 4


32

2.11. EFECTO INVERNADERO

Efecto invernadero es una expresión que normalmente se asocia con el calen-tamiento global o cambio climático, conceptos que hoy día en boca de todos.Pero más allá de la polémica, el efecto invernadero es un fenómeno que es im-portante conocer para diferenciar sus aspectos positivos y negativos.

El efecto invernadero es un fenómeno natural por el cual

determinados gases de la atmósfera retienen parte de la

energía emitida por el suelo al ser calentado por radiación

solar, evitando así que la energía sea devuelta inmediata-

mente al espacio exterior.

De este modo, el efecto invernadero mantiene un estrecho equilibrio térmico enla Tierra, gracias al cual es posible mantener la temperatura en unos límites enlos que es posible la vida.

La temperatura media de la Tierra es de 14 °C. Sin el efecto

invernadero se estima que la temperatura media sería de -

18 °C.

Figura 13. Fundamento del efecto invernadero



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Quizá ahora te estés preguntando: Si el efecto invernadero es un fenómeno na-tural que mantiene el equilibrio térmico de la tierra, ¿por qué siempre se asociaa algo negativo?

Pues bien, el equilibrio térmico del que hablamos se ve comprometido por elaumento de la cantidad de gases de efecto invernadero como consecuencia dela quema de combustibles fósiles, que supone la actual actividad humana. Alaumentar el volumen de estos gases, el efecto invernadero se acentúa, estosupone un incremento de la temperatura de la Tierra, lo que hoy día se conocecomo calentamiento global, a lo que se le asocia el cambio climático.

Los gases que causan el efecto invernadero son:

Vapor de agua (H2O).

Ozono (O3 ).

Metano (CH4 ).

Dióxido de carbono (CO2 ).

Óxidos de nitrógeno (N2O).

Clorofluorocarbonos (CFC).

A excepción de los CFC, todos estos gases ya existían en la atmósfera antes dela revolución industrial, pero como consecuencia del uso de combustibles fósi-les se ha incrementado la cantidad de óxido de nitrógeno y dióxido de carbono.



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

En Europa, disponemos del Atlas europeo de radiación solar elaborado por el JRC de la Comisión Europea. Este atlas se realiza a partir de datos recopiladosdurante los 10 últimos años.

El Atlas europeo de irradiación solar puede ser consultado

a través de Internet en:

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

En la siguiente página web pueden consultarse mapas de

irradiación solar de España:

http://www.opengis.uab.es

A continuación se muestra un ejemplo de mapa de irradiación solar de España,el cual se divide en zonas climática para determinar los valores de irradiación.

Figura 14. Mapa de irradiación solar de España según zonas climáticas

Zona climática I II III IV V

kWh/m

2 < 3,8 3,8 – 4,2 4,2 – 4,6 4,6 – 5,0 > 5,0



Unidad didáctica 4


36

3.2. DATOS DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS

Una estación meteorológica es una instalación cuya finalidad es medir y regis-trar cada cierta frecuencia los valores de las distintas magnitudes meteorológi-cas. Los datos obtenidos son enviados a un centro control para ser procesadosadecuadamente.

Figura 15. Estación meteorológica

Generalmente, las estaciones meteorológicas proporcionan los siguientes datos:

Temperatura máxima, mínima y a diferentes horas del día.

Presión atmosférica en superficie.

Cantidad de precipitación.

Humedad relativa del aire.

Radiación solar global.

Cantidad de horas de luz solar.

Velocidad y dirección del viento.

Los datos obtenidos son utilizados para elaborar predicciones meteorológicas,bases de datos, mapas de irradiación solar, de temperaturas medias, de vien-tos, etcétera.

El piranómetro es el instrumento capaz de medir la radia-

ción solar global incidente sobre la superficie terrestre.



37

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Las estaciones meteorológicas recogen datos de radiación con cierta frecuenciaa lo largo del día; a partir de estos datos pueden calcularse, entre otras, las si-guientes magnitudes:

Energía solar total incidente en la superficie a lo largo del día (Wh/m2 ydía).

Variación de la radiación a lo largo del día. Esta información es útilcuando se quieren calcular las pérdidas producidas por el sombrea-mientos que causa un objeto a determinada horas del día.

Variación de la radiación a lo largo del año. Útil para dimensionar la ins-talación solar.

Valor medio de energía solar diaria para cada mes del año.

3.3. BASES DE DATOS DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS

Los datos obtenidos de una estación meteorológica son procesados y almace-nados ordenadamente en forma de bases de datos, que serán de gran utilidadpara diferentes propósitos como en nuestro caso, elaboración de altas solares,históricos de irradiación mensual, elaboración de gráficas de variación de laradiación a lo largo del día o del año, etcétera.

Al igual que los atlas solares, las bases de datos nos sirven para consultar losvalores de las magnitudes que necesitemos conocer para una ubicación deter-minada, pero con cifras más concretas. Dado que frecuentemente no se da elcaso de disponer de una estación meteorológica en el mismo lugar donde se varealizar la instalación se toma la base de datos del lugar más cercano de condi-ciones climáticas similares.

Podemos obtener bases de datos de las mismas fuentes

que nos proporcionan altas solares.

En la siguiente tabla se muestra una base de datos relativa a la irradiación solaren las distintas ciudades de España, y como hemos visto, esta infamación pue-de ser obtenida también mediante el mapa de irradiación solar de la figura 13.

Si comparamos ambos métodos, comprobamos que es más exacto el de labase de datos, pero que, en contrapartida, no es posible obtener información deuna localización que no figure en ella.



Unidad didáctica 4


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IRRADIACIÓN HORIZONTAL (kWh/m

2

/mes)

Localidad Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sept. Oct. Nov. Dic.

Alicante 2.5 3.6 4.8 5.6 6.4 7.3 7.3 6.3 5.4 4.0 3.0 2.2

Albacete 2.7 3.3 5.1 5.8 6.5 7.5 7.5 6.7 5.7 3.8 2.7 2.0 Almería 2.8 3.6 5.1 5.7 6.6 7.2 7.1 6.5 5.5 4.2 3.0 2.5

Arenosillo 2.7 3.5 5.1 6.1 7.2 7.5 7.7 6.8 5.7 4.1 3.0 2.3

Barcelona 1.6 2.5 3.7 4.4 4.8 6.1 5.8 4.9 3.9 2.8 2.2 1.4

Badajoz 2.3 2.9 4.4 5.4 6.5 7.1 7.4 6.5 5.1 3.5 2.6 1.8

Bilbao 1.2 1.8 2.8 3.7 4.0 5.0 4.9 4.3 3.8 2.4 1.6 1.1

Burgos 1.6 2.3 3.8 4.6 5.6 6.6 6.5 5.9 4.8 2.9 2.1 1.6

Cádiz 2.7 3.5 5.1 5.7 6.6 7.2 7.4 6.6 5.7 4.3 3.1 2.3

Ceuta 2.5 3.6 5.4 6.1 7.0 7.6 7.6 6.9 5.4 4.0 3.2 2.3

Córdoba 2.5 3.0 4.8 4.9 6.4 6.9 7.2 6.2 5.3 3.8 2.5 2.0

C. Real 2.2 2.8 4.7 5.3 6.2 6.5 6.9 6.3 5.2 3.6 2.6 1.9

Castellón 2.1 2.8 4.3 5.1 6.2 6.7 6.7 5.7 4.7 3.6 2.4 2.1

Cuenca 2.5 2.8 4.4 4.6 5.5 6.3 7.1 5.8 5.3 3.8 1.9 1.7

Fuentev. 2.3 4.2 4.4 5.5 5.4 5.7 5.8 5.3 4.9 4.3 3.5 2.8

G. Canaria 3.4 4.2 4.9 5.4 6.4 6.9 7.2 6.6 5.5 4.4 3.7 3.2

Granada 2.6 3.3 4.7 5.1 6.4 7.2 7.3 6.5 5.5 4.0 2.8 2.2

Ibiza - 2.7 4.7 5.4 6.4 7.6 7.3 6.2 4.7 3.8 2.5 2.4

Izaña 4.0 5.1 6.6 7.7 8.9 9.2 8.8 8.4 7.1 5.9 4.8 4.1

Jaca 2.0 2.7 4.7 6.0 6.4 7.4 7.3 6.3 4.9 3.4 3.0 1.2

León 1.9 2.4 3.9 4.5 5.2 6.2 6.5 5.7 4.6 2.9 2.0 1.4

Lérida 1.6 2.5 4.0 4.8 5.5 6.0 6.0 5.3 4.4 3.2 1.9 1.3

Logroño 1.7 2.5 4.1 4.9 5.7 6.8 7.0 6.1 4.9 3.3 2.0 1.4

L. Palmas 3.3 4.2 4.8 5.3 5.5 5.7 6.5 6.1 5.2 4.2 3.5 3.2

Lugo 1.6 2.3 3.7 4.9 5.1 6.4 6.4 5.7 4.6 2.9 1.9 1.3

Lanzarote 3.2 4.1 4.8 5.6 6.0 6.2 6.3 5.8 4.9 4.2 3.4 3.0

Madrid 2.0 2.9 4.3 5.4 6.5 7.3 7.6 6.7 5.3 3.6 2.4 1.8

Málaga 2.5 3.3 4.7 5.3 6.7 7.2 7.2 6.3 5.1 3.7 2.8 2.1

Melilla 2.8 3.6 5.0 5.7 6.6 7.0 7.0 6.2 5.2 4.1 3.1 2.6

Menorca 2.2 2.9 4.3 5.0 6.0 6.7 6.8 5.9 4.7 3.4 2.5 1.9

Murcia 2.3 3.2 4.7 5.4 6.3 7.2 7.4 6.1 5.0 3.7 2.7 2.1

Oviedo 1.4 2.0 3.1 4.0 4.1 4.7 4.6 4.1 3.6 2.4 1.6 1.2

Pamplona 1.5 2.2 3.3 4.3 4.6 5.6 5.8 4.9 4.3 2.7 1.7 1.2

P. Mallorca 2.0 2.6 4.2 4.9 6.0 6.7 6.7 5.9 4.6 3.3 2.4 1.8

Santander 1.3 1.9 2.9 3.9 4.5 5.1 5.2 4.4 3.8 2.4 1.6 1.1

Salamanca 1.9 2.8 4.1 4.9 5.6 6.5 6.9 6.1 4.9 3.3 2.2 1.6

Santiago 1.5 1.6 3.1 4.3 4.8 5.6 5.6 5.2 3.6 2.8 1.6 1.1Sevilla 2.5 3.1 4.7 5.1 6.9 7.6 7.5 6.6 5.3 3.9 2.9 2.1

S.Sebastian 1.7 1.9 2.9 4.4 4.4 4.2 4.3 3.5 3.7 2.0 1.5 0.8

Toledo 2.2 2.4 4.1 4.9 5.7 6.6 7.1 6.0 5.1 3.6 2.2 1.8

Valencia 2.2 3.0 4.5 5.5 6.0 6.8 6.9 6.0 5.0 3.6 2.8 1.9

Valladolid 1.9 2.4 3.7 4.3 5.3 6.0 6.4 5.8 4.4 2.9 2.1 1.1

Vigo 1.5 2.1 3.3 4.4 4.8 5.6 6.0 5.7 4.4 2.8 1.8 1.2

Zaragoza 1.8 2.6 4.1 5.4 6.2 7.2 7.3 6.3 5.2 3.6 2.2 1.5

Figura 16. Base de datos de irradiación global diaria media por meses sobresuperficie horizontal en las ciudades de España. Unidades den kWh/m2



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

4. TIPOS Y USOS DE LAS INSTALACIONES

FOTOVOLTAICAS

Existen distintos tipos de instalaciones fotovoltaicas dependiendo de cuál seasu finalidad. Principalmente, pueden destinarse a dos fines: abastecimientoenergético directo de una vivienda o edificación destinada a otros usos, que nodispongan de acceso a la red eléctrica, o bien a la venta de energía eléctrica, loque supone que la energía generada será volcada a la red de distribución.

Te recomendamos que retengas bien los conocimientos que

exponemos en este apartado, porque te resultarán útiles en

tu vida laboral.

4.1. FUNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIÓN DE UNA INSTALACIÓN

SOLAR FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED

Una instalación solar fotovoltaica de conexión a red es

aquella en la que la energía eléctrica generada es inyecta-

da a la red de suministro eléctrico, en vez de ser utilizada

para consumo propio.



41

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Figura 18. Esquema de funcionamiento de una instalación fotovoltaica

conectada a la red eléctrica

Una instalación fotovoltaica conectada a red consta de

dos partes principales: el generador fotovoltaico (pane-les solares) y el inversor.

Configuración

El parámetro del que parte la configuración de una instalación conectada a redes su potencia nominal. A partir de este dato se selecciona el inversor. Deacuerdo al Real Decreto 1663/2000, si la potencia de la instalación es mayor de

5 kW, la conexión a red será trifásica. Así pues, si la potencia es superior a di-cho valor será necesario un inversor con salida trifásica cuya potencia nominalsea igual o superior a la potencia nominal de la instalación. Una vez selecciona-do el inversor, el fabricante indica en sus hojas de características el rango detensiones de entrada (corriente continua) a la que puede trabajar. Considerandodicho rango de tensiones, se configura la conexión entre los paneles fotovoltai-cos. De modo que el número de paneles en serie vendrá delimitado por el rangode tensión de entrada del inversor.



Unidad didáctica 4


42

En extremos de una fila de paneles fotovoltaicos conecta-

dos en serie, la tensión será la suma de la tensión de cada

panel, y la intensidad por la fila será igual a la intensidadproducida por el panel que menos genere.

En extremos de la conexión de varias filas iguales conec-

tadas en paralelo la tensión será igual a la tensión de una

fila y la intensidad será la suma de la intensidad de todas

las filas.

V11+ V12+ V13+

V21+ V22+ V23+

V31+ V32+ V33+

CARGA

I1 min

2 minI

3 minI

+ _ 3 minI2 minI1 minI + +

V11 V12 V13+ +

Figura 19. Configuración serie paralelo de paneles fotovoltaicos

En cuanto a orientación e inclinación: la orientación óptima será Sur (para elhemisferio Norte) y la inclinación óptima sobre la horizontal la podemos situarpara un país como España igual a la latitud del lugar – 10º, con objeto de captarla máxima radiación anual. No obstante, las desviaciones de la situación óptimatienen una repercusión pequeña en la captación de energía.



43

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

En un amplio margen alrededor de la orientación e incli-

nación óptimas, las pérdidas por cada grado de desviaciónson del 0,2% para inclinación y del 0,008% para orienta-

ción. A cambio de asumir estas pequeñas pérdidas, se ob-

tiene un considerable grado de libertad que facilita mucho

la integración de los generadores fotovoltaicos en edifi-

cios.

4.2. FUNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIÓN DE UNA INSTALACIÓN

SOLAR FOTOVOLTAICA AISLADAUna instalación fotovoltaica aislada es aquella en la que la energía generada esúnicamente utilizada para el autoabastecimiento. Son utilizadas en aquellos lu-gares donde se requiere de energía eléctrica pero la red de distribución energé-tica no llega ahí, como por ejemplo refugios de montaña, casetas de vigilanciaantiincendios, granjas, casas de campo…

Dado que no sería práctico depender de la radiación solar instantánea para po-der utilizar los aparatos y equipos eléctricos, lo que se hace es almacenar laenergía generada mediante baterías; de este modo se hace posible disponer de

energía eléctrica en cualquier momento del día o de la noche.

El almacenamiento en baterías requiere de un dispositivo electrónico denomina-do regulador de carga. Su función es supervisar el estado y nivel de carga delas baterías y actuar en consecuencia modificando las características de la co-rriente de carga. Así se consigue un óptimo funcionamiento y una vida útil máslarga de las baterías.

Por otro lado, si se desea alimentar cargas que funcionan a corriente alterna,como es el caso de la inmensa mayoría de electrodomésticos, se necesita uninversor que convierta la energía de corriente continua a corriente alterna. Noolvides que los paneles fotovoltaicos producen corriente continua y que las ba-

terías o acumuladores únicamente pueden almacenar corriente continua.

Una instalación solar fotovoltaica asilada la componen

fundamentalmente los siguientes elementos:

Paneles fotovoltaicos.

Baterías o acumuladores.

Regulador de carga de baterías.

Inversor (opcional).



45

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Paneles solares fotovoltaicos: su configuración en serie o paralelo de-penderá de la tensión de entada del regulador de carga; normalmentecoincidente con la tensión del grupo de baterías.

Figura 20. Esquema de instalación solar fotovoltaica aislada

El ángulo de inclinación de los paneles solares dependerá de las necesidadesde consumo. Por ejemplo, para aplicaciones de consumo constante a lo largodel año, el criterio de “mes peor” corresponde con el de menor radiación,tomándose diciembre como periodo de diseño, por tanto la inclinación de lospaneles será 10º superior a la latitud del lugar. La orientación del campo gene-rador fotovoltaico deberá ser siempre hacia el Sur porque es la única en la queel aprovechamiento anual de la radiación es máximo. Se podrá variar esta orien-tación por circunstancias especiales, como sombras, falta de espacio, etcétera.

4.3. ALMACENAMIENTO Y ACUMULACIÓN

Como hemos comentado anteriormente, las instalaciones fotovoltaicas aisladasrequieren sistemas de almacenamiento o acumulación de la energía para poderdisponer ella en cualquier momento del día o de la noche, con dependencia dela radiación solar incidente sobre los paneles en ese momento. Además, sepuede conseguir mayor potencia instantánea que la que son capaces de pro-porcionar los generadores solares y una tensión estable en la instalación.

Los acumuladores o baterías son células electroquímicas

en las que las reacciones en los electrodos son reversibles,

lo que permite que sean utilizadas para acumular energía

solar fotovoltaica y luego liberarla cuando se conecta un

circuito de carga exterior.



Unidad didáctica 4


46

Evidentemente, el sistema de acumulación tiene un límite de autonomía. Unainstalación bien dimensionada mantendrá un equilibrio entre la energía generaday la consumida, lo que no significa que las baterías no puedan llega a descar-

garse en determinadas circunstancias, como puede ser un consumo anormal-mente alto o varios días consecutivos de baja radiación solar.

En la siguiente tabla se recoge la cantidad de días de autonomía mínimos ymáximos recomendados para instalaciones fotovoltaicas en función del tipo deinstalación.

Los días de autonomía hacen referencia a días en condiciones de radiación ab-solutamente desfavorables, es decir, días totalmente cubiertos o nublados don-de la energía solar fotovoltaica generada es mínima.

4.4. FUNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIÓN DE UNA INSTALACIÓN DEAPOYO CON PEQUEÑO AEROGENERADOR Y/O GRUPOELECTRÓGENO

Dependiendo de las condiciones climáticas y meteorológicas del lugar o de losrequerimientos de consumo, la energía solar fotovoltaica no es suficiente parasuministrar toda la energía requerida; en estos casos se necesita del aporte otrosistema generador.

Aunque existen otros, los dos sistemas de apoyo a instalaciones fotovoltaicasmás utilizados son:

Aerogenerador de baja potencia: turbinas que aprovechan la fuerza delviento y la comunican al eje de de un generador, normalmente de co-rriente continua. Trasforman la energía cinética del viento en energíaeléctrica en forma de corriente continúa. La potencia de estos peque-ños aerogeneradores suele ser desde 0,5 hasta 5 kW.



47

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Figura 21. Pequeño aerogenerador de apoyo

Grupo electrógeno: motor de combustión en cuyo eje lleva acoplado unalternador, de modo que es capaz de generar energía eléctrica en for-ma de corriente alterna.

Figura 22. Grupo electrógeno

Utilizando un sistema híbrido, formado por paneles fotovoltaicos y un pequeñoaerogenerador, se consigue obtener energía de dos fuentes distintas eliminadola dependencia absoluta de la radiación solar, con la ventaja de que es posiblegenerar energía también durante la noche. Si aun así hay momentos puntualesen los que no es suficiente con la energía obtenida de estas dos fuentes reno-vables, es posible incorporar a la instalación un grupo electrógeno, que sola-

mente se pondrá en funcionamiento cuando sea necesario.

En caso de requerimientos puntuales de gran consumo no

resulta adecuado dimensionar la instalación fotovoltaica

para que sea capaz de suministrar la suficiente energía, re-

sulta más práctico y económicamente más viable el apoyo

de un grupo electrógeno.



Unidad didáctica 4


48

Figura 23. Electrificación de una vivienda unifamiliar mediante energíafotovoltaica y eólica (PS: paneles solares; B: baterías; R: regulador de carga; I:

inversor; A: aerogenerador)

Figura 24. Conexión de los elementos de una instalación solar fotovoltaica conapoyo de pequeño aerogenerador y grupo electrógeno

El grupo electrógeno pude ser conectado directamente a las cargas eléctricas outilizarse para cargar las baterías, para lo cual se conectará a ellas a través deun cargador de baterías.


Encontrarás más información sobre este tema en

www.masterd.es.



49

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

4.5. SISTEMAS DE PROTECCIÓN Y SEGURIDAD EN ELFUNCIONAMIENTO DE LAS INSTALACIONES

Todas las instalaciones solares fotovoltaicas, ya sean de conexión a red o aisla-das, deben incorporar sistemas de protección y seguridad, y cumplir con lanormativa y reglamentación establecida. La finalidad de estos sistemas no soloes salvaguardar la instalación frente a diferentes peligros y averías, sino tambiénproteger a las personas frente a los riesgos eléctricos, y permitir la desconexiónsegura de las partes para realizar tareas de instalación y mantenimiento.

A continuación expondremos y analizaremos los sistemas de protección y segu-ridad que deben incorporar las instalaciones. Para ello, diferenciaremos entreinstalaciones de conexión a red e instalaciones aisladas, aunque como veremos,

comparten muchos de estos sistemas.

Instalaciones solares fotovoltaicas de conexión a red

A continuación se detallan las indicaciones, con respecto a los sistemas de pro-tección y seguridad, que deben cumplirse este tipo de instalaciones:

Deberán instalarse sistemas de protección que desconecten la instala-ción generadora de la red eléctrica ante las siguientes circunstancias:

Tensión del generador fuera de límites.

Frecuencia del generador fuera de límites.

Sobrecarga.

Cortocircuito.

El REBT, en su ITC-BT-40, apartado 7, sobre protecciones en instala-ciones generadoras de baja tensión, establece que:

“Las protecciones mínimas para disponer serán las siguientes:

De sobreintensidad, mediante relés directos magnetotérmicos osolución equivalente.

De mínima tensión instantáneos, conectados entre las tres fases yneutro y que actuarán, en un tiempo inferior a 0,5 segundos, apartir de que la tensión llegue al 85% de su valor asignado.

De sobretensión, conectado entre una fase y neutro, y cuya ac-tuación debe producirse en un tiempo inferior a 0,5 segundos, apartir de que la tensión llegue al 110% de su valor asignado.

De máxima y mínima frecuencia, conectado entre fases, y cuyaactuación debe producirse cuando la frecuencia sea inferior a49 Hz o superior a 51 Hz durante más de 5 periodos”.



Unidad didáctica 4


50

Todas estas protecciones establecidas por el REBT estánya integradas en el inversor.

Aparte de las ya mencionadas, la instalación deberá incorporar:

Un seccionador o interruptor general bipolar de corriente continuaque permita abrir el circuito entre los paneles fotovoltaicos y laentrada al inversor.

El seccionador es un sistema electromecánico de co-

nexión que permite, en su posición abierta, un secciona-

miento que corta el circuito o la red eléctrica en unas

condiciones específicas. En nuestro caso, se proyecta para

la tensión máxima en circuito abierto del campo fotovol-

taico y con un margen del 25% de la corriente de cortocir-

cuito del generador.

Fusibles, interruptores magnetotérmicos u otro sistema que cum-pla la función de protección frente a cortocircuitos. Estos disposi-tivos deberán ir conectados a la salida del campo generador paraproteger el inversor.

Varistores para la protección contra picos de sobretensión cau-sados por descargas atmosféricas como rayos o electricidadestática. Estos dispositivos de protección se instalarán en losterminales positivos y negativos del campo generador.

Un sistema de protección frente a contactos directos e indirectosy fallos de aislamiento. Deberá haber un interruptor diferencial a lasalida del inversor y un vigilante de aislamiento en el lado de con-tinua.

Un vigilante de aislamiento es un dispositivo de protec-

ción que al detectar un fallo en el aislamiento en las insta-

laciones de corriente continua abre el circuito; de este

modo previene riegos de electrocución del personal.



51

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Contactos directos son aquellos en los que una persona

hace contacto con partes activas de la instalación, enten-diendo como partes activas todos aquellos elementos de

una instalación eléctrica que se encuentran bajo tensión

en servicio normal.

Contactos indirectos, que son aquellos en los que la perso-

na hace contacto con masas metálicas no destinadas a la

conducción eléctrica pero que, debido un fallo en el ais-

lamiento de algún elemento o conductor de la instalación,

quedan sometidas a tensión eléctrica, de modo que la

persona es atravesada por la corriente.

Figura 25. Protecciones del lado de corriente continua de una instalación solarfotovoltaica conectada a red



Unidad didáctica 4


52

Figura 26. Esquema de protecciones para una instalación conectada a red

Toda instalación fotovoltaica conectada a red deberá

cumplir con la totalidad de las consideraciones técnicas

expuestas en:

Real Decreto 1663/2000.

En los reglamentos electrotécnicos de baja y alta

tensión.

Recomendaciones de la empresa distribuidora.

Red eléctrica

1 2 3 4

5 6

Protecciones DC

1- Fusibles

2- Varistores

3- Seccionador

4- Vigilante de aislamiento

Protecciones AC

5- Interruptor magnetotérmico

6- Interruptor diferencial

Proteccionesintegradas

INVERSOR

PANELES

FOTOVOLTAICOS



55

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

CONCLUSIONES

Ahora ya tienes una buena base sobre energía solar. Esto permitirá abrir tucampo de visión en este interesante mundo de las energías renovables y des-pertará tu apetito de sabiduría.

Si te paras a analizar todo lo que has aprendido en esta unidad, te darás cuentade que con un poco más información, ya serías capaz de diseñar tu propia ins-talación solar fotovoltaica.



Unidad didáctica 4


56

RECAPITULACIÓN

La posición solar en un determinado instante queda definida por dosángulos:

Altura solar: ángulo de elevación del Sol tomando como referen-cia el horizonte.

Azimut: ángulo entre el Norte, o Sur, y la proyección vertical delSol. El ángulo es positivo en el sentido de las agujas del reloj.

Los valores de altura solar y acimut dependerán de la latitud y longituddonde nos encontremos, así como de la hora y día del instante en que

se tomen. El efecto fotovoltaico aprovecha la energía radiante del Sol en forma de

fotones para generar electricidad mediante el uso de semiconductores.Los fotones inciden sobre el semiconductor excitando los electrones deeste, generando así una corriente eléctrica.

Los sistemas de conversión de la energía solar tienen distintos rendi-mientos. Los más altos se obtienen en energía solar térmica dondepueden llegar a alcanzar del orden del 70 u 80%. Mientras que en sis-temas fotovoltaicos el rendimiento es aproximadamente del 15%.

La constante solar (Gsc ) es el flujo de energía proveniente del Sol que in-

cide en 1 m2 de superficie, medida en la parte externa de la atmósfera enun plano perpendicular a los rayos del Sol. El valor de la constante solar

es de 1.353 W/m2, que también puede ser expresada en·min2

cm

cal.

La radiación solar es la energía procedente del Sol en forma de ondaselectromagnéticas.

Cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera, parte es absorbidapor la capa de ozono, parte reflejada por las nubes y parte dispersadapor moléculas de aire, gotas de agua y partículas de polvo en suspen-sión.



57

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

Dependiendo de la trayectoria de la radiación, podemos diferenciar trestipos:

Radiación directa: es la que llega directamente del Sol, en línearecta. Es la que mayor aporte energético supone en sistemas fo-tovoltaicos.

Radiación difusa: es la absorbida y difundida por la atmósfera, ydepende de las condiciones meteorológicas. Es la radiación másimportante en los días nublados.

Radiación reflejada o albedo: proviene de la radiación directa y di-fusa que es reflejada por el suelo u otras superficies como la nieve.

Irradiancia: magnitud utilizada para describir la densidad de potenciaincidente por unidad de superficie. Por tanto se mide en kW/m2. (La

constante solar es un valor de irradiancia para unas determinadas con-diciones)

Irradiación: energía incidente por unidad de superficie en un determi-nado tiempo. Se mide en kWh/m2 o en MJ/m 2.

La energía incidente en una superficie inclinada puede calcularse me-diante la fórmula: Eincidente = E horizontal · k; dependiendo k del mes y de lalatitud del lugar, obteniéndose su valor a partir de tablas.

Los paneles deberán orientarse, siempre que sea posible, exactamentehacia el Sur geográfico (para el hemisferio Norte). En cualquier casoserán admisibles desviaciones de hasta ±20º hacia el Este/Oeste cuan-

do la existencia de sombras u otros condicionantes del lugar obliguen aello.

Para calcular la distancia mínima entre un captador solar y un objeto,con el fin de no causar sombreamientos sobre él, se utiliza la siguientefórmula:

)atitud1an(

h

d

.ín

Una instalación fotovoltaica conectada a red consta de dos partes prin-

cipales: el generador fotovoltaico (paneles solares) y el inversor. Una instalación solar fotovoltaica asilada la componen fundamental-

mente los siguientes elementos:

Paneles fotovoltaicos.

Baterías o acumuladores.

Regulador de carga de baterías.

Inversor (opcional).



Unidad didáctica 4


58

Toda instalación fotovoltaica conectada a red deberá cumplir con la to-talidad de las consideraciones técnicas expuestas en:


En los reglamentos electrotécnicos de baja y alta tensión.




59

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿A qué se denomina altura solar?

a) Al ángulo de elevación del Sol tomando como referencia el horizonte.

b) Al ángulo entre el Norte la proyección vertical del Sol.

c) Al ángulo máximo que alcanza el Sol en todo el día.

d) A la distancia entre el Sol y la Tierra.

2. ¿Cómo se denomina la distancia angular, desplazándose hacia el Este,

entre el meridiano de Greenwich y un punto determinado del planeta?

a) Acimut.

b) Zenit.

c) Altitud.

d) Longitud.

3. ¿En qué consiste el método de energía solar térmica de tubos de vacío?

a) En concentrar la luz solar mediante espejos cóncavos en un metal ence-rrado al vacío para que no se funda.

b) En encerrar los conductores del fluido termoportador en tubos de vidrioal vacío para evitar pérdidas por convección.

c) En un sistema de energía solar térmica por cuyas tuberías no circula unlíquido sino gas.

d) En hacer incidir la energía solar sobre un depósito de líquido termopor-tardor mantenido al vacío.



Unidad didáctica 4


60

4. ¿Qué orientación darías a los captadores de una instalación solar foto-

voltaica ubicada en el hemisferio Sur?

a) Norte.

b) Sur.

c) Este.

d) Noroeste.

5. ¿Por qué si deseamos obtener mayor generación en inverno que en

verano, debemos dar mayor inclinación a los captadores solares que si

se desea obtener el máximo de generación anual?

a) Porque al tener mayor ángulo la nieve no se retiene.

b) Porque así se capta mayor radiación difusa, que es la predominante eninvierno.

c) Porque la altura solar en los meses de invierno es menor, por tanto, paraque los rayos incidan más perpendicularmente es necesario mayor ángu-lo de inclinación.

d) Porque así se capta mejor el albedo, el cual en invierno es muy alto al re-flejar en la nieve la radiación solar.

6. ¿Qué color tiene mayor coeficiente de absorción y menor coeficiente

de reflexión?

a) Blanco.

b) Rojo.

c) Violeta.

d) Negro.

7. ¿Qué función tienen los varistores en una instalación solar fotovoltaica?

a) Proteger contra contactos directos e indirectos.b) Proteger contra picos de sobretensión causados por descargas atmosfé-

ricas.

c) Proteger frente a cortocircuitos.

d) Mantener constante la carga de las baterías.



61

Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

8. ¿Cuál es el ángulo óptimo de inclinación de los captadores solares pa-

ra captar la máxima radiación difusa?

a) 0º (horizontales).

b) 90º (verticales).

c) 45º.

d) 10º inferior a la latitud del lugar.

9. ¿Cómo puede obtenerse el ángulo de inclinación óptimo de cada mes?

a) Restando 10º a la latitud del lugar.

b) Analizando, según las tablas, a qué ángulo de inclinación se consigue

mayor factor de corrección en cada mes.c) Calculando el acimut medio mensual.

d) Restando 10º a la longitud del lugar.

10. ¿Cuál será la distancia mínima entre dos filas de paneles solares (des-

de el final de una hasta el principio de la otra) si la latitud de la ubica-

ción de la instalación es 39º y la altura a la que quedan los paneles, te-

niendo en cuenta su ángulo de inclinación, es de 1 m?

a) 5,34 metros.

b) 1,57 metros.

c) 2,47 metros.

d) 8,28 metros.



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

SOLUCIONARIO

1. a 2. d 3. b 4. a 5. c

6. d 7. b 8. a 9. b 10. c



Unidad didáctica 4


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Como propuesta de ampliación te recomendamos que entres en la web del Sis-tema Geográfico de Información Fotovoltaica (PVGIS) de la Comisión Europea:


Una vez dentro, selecciona el mapa de Europa y te parecerá en pantalla dichomapa y tres pestañas de cálculo. Selecciona en el mapa la localidad a la queperteneces y a continuación, modifica los datos que conozcas de la pestaña de“estimación fotovoltaica” ( PV Estimation ), y pulsa el botón Calculate. Analizatodos los datos mostrados. Repite los mismos pasos en las otras dos pestañas:

“Radiación mensual” y “Radiación diaria” ( Monthly radiation y Daily radiation ).



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Unidad didáctica 4


fotovoltaicas

BIBLIOGRAFÍA

LORENZO, E. Electricidad Solar, Ingeniería de los sistemas fotovoltai-cos. España: Progensa, 1994.

FERNÁNDEZ SALGADO, J. M. Compendio de energía solar, fotovoltai-ca, térmica y termoeléctrica. Madrid: AMV Ediciones, 2008.

LABOURET, A. y VILLOZ, M. Energía solar fotovoltaica, manual prácti-co. Madrid: AMV Ediciones, 2008.

Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (2002).





5

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T e x t o ( 0 1 ) . d o t

Componentes queconforman lasinstalaciones solares

fotovoltaicas

D I P 2 7 8_

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1

Unidad didáctica 5

Componentes que conforman las instalaciones solaresfotovoltaicas

ÍNDICE

MOTIVACIÓN ................................................................................................ 5

PROPÓSITOS ................................................................................................ 6

PREPARACIÓN PARA LA UNIDAD ............................................................................7

1. GENERADOR FOTOVOLTAICO............................................................................. 9

1.1. PANEL FOTOVOLTAICO ...................................................................................................... 9

1.2. CONVERSIÓN ELÉCTRICA .................................................................................................. 12

1.3. ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA ............................................................................................12 1.3.1. EL EFECTO FOTOVOLTAICO ............................................................................................................13 1.3.2. LA CÉLULA SOLAR .....................................................................................................................15 1.3.3. T IPOS DE CÉLULAS ................................................................................................................... 20

1.4. EL PANEL SOLAR ...........................................................................................................23 1.4.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y CONSTRUCTIVAS..................................................................................... 23 1.4.2. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS ..................................................................................................... 24

1.5. PROTECCIONES DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO ...................................................................... 26

2. ESTRUCTURAS Y SOPORTES .......................................................................... 28

2.1. T IPOS DE ESTRUCTURAS.................................................................................................. 29

2.2. DIMENSIONADO ............................................................................................................32

2.3. ESTRUCTURAS FIJAS Y CON SEGUIMIENTO SOLAR.......................................................................32

3. ACUMULADORES........................................................................................37

3.1. T IPOS DE ACUMULADORES ................................................................................................38

3.2. PARTES CONSTITUTIVAS DE UN ACUMULADOR ......................................................................... 40

3.3. REACCIONES QUÍMICAS EN LOS ACUMULADORES ......................................................................43



Unidad didáctica 5


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3.4. CARGA DE ACUMULADORES .............................................................................................. 44

3.5. F ASES DE CARGA DE UNA INSTALACIÓN DE ACUMULADORES ......................................................... 46

3.6. SEGURIDAD Y RECOMENDACIONES GENERALES DE LOS ACUMULADORES ............................................47 3.7. ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES (RECICLAJE DE BATERÍAS) .......................................................... 50

4. REGULADORES ..........................................................................................51

4.1. REGULADORES DE CARGA Y SU FUNCIÓN ................................................................................51

4.2. T IPOS DE REGULADORES.................................................................................................. 53

4.3. VARIACIÓN DE LAS TENSIONES DE REGULACIÓN ....................................................................... 55

4.4. SISTEMAS SIN REGULADOR................................................................................................57

4.5. PROTECCIÓN DE LOS REGULADORES .................................................................................... 58

5. INVERSORES ........................................................................................... 59

5.1. F UNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS INVERSORES FOTOVOLTAICOS.......................... 59

5.2. T IPOLOGÍAS ................................................................................................................ 62

5.3. DISPOSITIVOS DE CONVERSIÓN CC/CC Y CC/CA ....................................................................66

5.4. MÉTODOS DE CONTROL PWM ............................................................................................ 71

5.5. GENERACIÓN DE ARMÓNICOS .............................................................................................73

6. INVERSORES CONECTADOS A RED Y AUTÓNOMOS....................................................75

6.1. CONFIGURACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA...........................................................................75 6.2. REQUERIMIENTOS DE LOS INVERSORES AUTÓNOMOS Y CONECTADOS A RED.........................................78

6.2.1. REQUERIMIENTOS EN INVERSORES AUTÓNOMOS...................................................................................79 6.2.2. REQUERIMIENTOS EN INVERSORES CONECTADOS A RED...........................................................................82

6.3. COMPATIBILIDAD FOTOVOLTAICA .........................................................................................87

7. O TROS COMPONENTES ................................................................................ 88

7.1. DIODOS DE BLOQUEO Y DE PASO......................................................................................... 88

7.2. EQUIPOS DE MONITORIZACIÓN, MEDICIÓN Y CONTROL................................................................ 89

7.3. APARAMENTA ELÉCTRICA DE CABLEADO, PROTECCIÓN Y DESCONEXIÓN .............................................91 7.4. ESTRUCTURAS DE ORIENTACIÓN VARIABLE Y AUTOMÁTICA............................................................ 93

7.5. ELEMENTOS DE CONSUMO ............................................................................................... 94

7.6. O TROS GENERADORES ELÉCTRICOS...................................................................................... 98 7.6.1. PEQUEÑOS AEROGENERADORES......................................................................................................98 7.6.2. GRUPOS ELECTRÓGENOS ............................................................................................................ 99

7.7. DISPOSITIVOS DE OPTIMIZACIÓN ........................................................................................99

8. APARATOS DE MEDIDA Y PROTECCIÓN .............................................................. 102



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Unidad didáctica 5


CONCLUSIONES .......................................................................................... 105

RECAPITULACIÓN ........................................................................................ 106

AUTOCOMPROBACIÓN ................................................................................... 109

SOLUCIONARIO............................................................................................ 113

PROPUESTAS DE AMPLIACIÓN ...........................................................................114

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................115



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Unidad didáctica 5


MOTIVACIÓN

Existe una gran cantidad de configuraciones para una instalación solar fotovol-taica y multitud de tipos diferentes de cada componente que la conforma. Paraconseguir una instalación eficiente que se adapte a las necesidades del usuarioy al presupuesto del que se dispone, es muy importante conocer a fondo todoslos componentes y la manera en que pueden asociarse para trabajar conjunta-mente.

Como futuro profesional del sector, seguro que este tema te resulta de graninterés y utilidad, resolverá muchas de las dudas que te planteas y te servirápara determinar los elementos que mejor se adaptan a cada tipo de instalación,cuestión fundamental para comenzar a desarrollar tu capacidad de diseño.



Unidad didáctica 5


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PROPÓSITOS

Al final de esta unidad serás capaz de:

Describir cómo están constituidos los distintos tipos de instalacionesfotovoltaicas.

Diferenciar los distintos tipos de elementos de un sistema fotovoltaico yanalizar cuáles son los que mejor se adaptan a las necesidades de lainstalación.

Determinar qué elementos de protección son necesarios para conse-guir una instalación segura y fiable.

Proponer diversos métodos para optimizar una instalación fotovoltaica.



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Unidad didáctica 5




El generador fotovoltaico: fundamentos y características físicas y cons-tructivas.

Estructuras y soportes: tipos y dimensionado.

Acumuladores: tipos; características químicas y constitutivas; fases decarga; seguridad, y aspectos medioambientales

Reguladores: tipos, modos de operación y protección.

Inversores: funcionamiento, características y requerimientos.

Aparatos de medida y protección.



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Unidad didáctica 5


1. GENERADOR FOTOVOLTAICO

Las bases teóricas del efecto fotovoltaico ya se conocían a principios del sigloanterior, pero fue en el año 1954 cuando se construyó la primera célula queaprovechaba el efecto fotovoltaico con un rendimiento rentable, siendo cons-truida por la compañía Bell Telephone de New Jersey. Durante los años cin-cuenta y sesenta, los científicos intentaron desarrollar el proceso de purificaciónde monocristales de silicio, lo que impulsó en gran medida el avance de la in-dustria electrónica.

La Agencia Espacial de Estados Unidos (NASA) fue una de las primeras corpo-

raciones que realizó una aplicación práctica de la electricidad fotovoltaica uti-lizándola para alimentar equipos de control, medida, transmisión, informática,etc., en los vehículos espaciales. Tras esto, se empezarían a fabricar los prime-ros paneles de forma industrial dirigidos a las zonas donde no podía llegar la redgeneral de distribución eléctrica, siendo finalmente competitivos estos produc-tos en la década de los ochenta, momento en el que se incrementaron los pre-cios eléctricos y apareció la concienciación sobre el medio ambiente.

Actualmente, las investigaciones continúan para aumentar los rendimientos yreducir los costes de material.

1.1.

PANEL FOTOVOLTAICO

El panel o módulo fotovoltaico es un generador capaz detransformar la radiación luminosa incidente en energíaeléctrica. El fenómeno mediante el cual se consigue estatransformación es el denominado efecto fotovoltaico .



Unidad didáctica 5


10

Un panel fotovoltaico está formado por un conjunto de células solares conecta-das en serie que actúan como pequeños generadores de corriente.

Los paneles fotovoltaicos se conectan entre sí formando ramas en serie y enparalelo para obtener los valores de tensión e intensidad deseados del grupogenerador.

Figura 1. Agrupaciones fotovoltaicas

Dependiendo de la composición material de sus células, los podemos clasificar en:

Cristalinos: son el tipo de paneles más comunes, y dentro de estos po-demos diferenciar dos tipos:

Monocristalinos: las células que constituyen el panel están consti-tuidas por un solo cristal de silicio. Pueden identificarse por suaspecto uniforme. Son los que proporcionan mayor rendimiento,entre un 15 y 18% de rendimiento en producción, pero su precioes muy superior al resto.

Figura 2. Panel monocristalino

Policristalinos: las células que constituyen el panel están consti-tuidas por la unión de multitud de cristales de silicio, lo que supo-ne menor pureza. Pueden identificarse por su aspecto de mosai-



11

Unidad didáctica 5


co. Su rendimiento en producción está entre el 12 y14%, pero suprecio es mucho más reducido que los monocristalinos.

Figura 3. Panel policristalino

Amorfos: las células que conforman el panel están fabricadas de siliciono cristalizado. Se identifican por su color negro o rojizo uniforme y laausencia de conexiones visibles. Su rendimiento en producción es me-nor del 10%, pero son los más económicos.

Figura 4. Panel amorfo



Unidad didáctica 5


12

1.2. CONVERSIÓN ELÉCTRICA

Existen dos fenómenos mediante los cuales puede obtenerse energía eléctrica apartir de la energía luminosa: el efecto fotoeléctrico externo y el efecto fotovol-taico.

El primero de ellos consiste en la liberación de electrones de la superficie de losmetales, que se produce cuando los fotones de suficiente energía chocan condicha superficie dando lugar a una corriente eléctrica denominada fotoeléctrica.Las células que llevan este nombre se basan en este efecto.

Albert Einstein, en 1905, consiguió explicar el efecto foto-eléctrico, considerando que la luz se podía comportarcomo un conjunto de partículas en determinados casos,aportando así nuevas ideas que llevarían al desarrollo de lateoría cuántica

Para nosotros es mucho más ventajoso y aprovechable el llamado efecto foto-voltaico, con el que se consigue más cantidad de energía, que el fotoeléctrico, yes mucho más eficiente.

En los materiales llamados semiconductores puede aparecer una fuerza elec-tromotriz como consecuencia de aplicar una energía externa; esta fuerza elec-tromotriz puede producir una corriente eléctrica a través de un circuito. Es decir,los semiconductores tratados adecuadamente tienen la propiedad de transfor-mar determinados tipos de energía en energía eléctrica.

1.3. ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA

La electricidad fotovoltaica es la energía eléctrica obtenida a partir de la energíasolar mediante el efecto fotovoltaico. En este apartado vamos a ver en profun-didad en que consiste dicho efecto y de qué manera puede conseguirse.

Presta mucha atención, esto son las bases y los funda-mentos de la generación fotovoltaica, solo comprendién-dolos conseguirás desarrollar tu capacidad de análisis eneste campo.



13

Unidad didáctica 5


1.3.1. EL EFECTO FOTOVOLTAICO

El efecto fotovoltaico consiste en aprovechar la energíaradiante del Sol, en forma de fotones, para generar electri-cidad por medio de un cristal formado por dos semicon-ductores de diferente carga.

Para favorecer el efecto fotovoltaico se introducen en el material semiconductorelementos químicos que ayudan a producir un exceso electrones y de huecos,

proceso llamado dopado. A los elementos químicos que ayudan a realizar esteproceso los denominaremos dopantes.

El dopado de un semiconductor consiste en añadir impu-rezas, dependiendo de las cuales obtendremos un semi-conductor tipo N, si la impureza es fósforo (P-Si), o de tipoP, si las impurezas son de aluminio (Al-Si).

Existen dos tipos de semiconductores:

Tipo P o positivo. En los semiconductores de tipo P o positivo, el agen-te dopante del silicio (Si) es el boro (B). Este elemento químico tiene unelectrón menos en su capa de valencia más externa que el silicio. Launión del boro y el silicio provocará la existencia de un hueco debido ala falta de un electrón en el boro; este hueco permitirá el movimiento delos electrones al incidir los fotones procedentes del Sol sobre la super-ficie del semiconductor.

Tipo N o negativo. En los semiconductores N o negativos, el agentedopante del silicio (Si) es el fósforo (P). Este elemento tiene un electrónmás que el silicio, y cuando sustituye a un átomo de silicio, provocaque exista un electrón de más, que quedará libre, lo que permitirá elmovimiento de los electrones al incidir los fotones del Sol.

Al semiconductor P se le denomina positivo

por la falta deun electrón en su configuración cristalina.

Al semiconductor N se le denomina negativo

por la exis-tencia de un electrón sobrante en su configuración crista-lina.



Unidad didáctica 5


14

Al unir un semiconductor tipo P con uno tipo N, los electrones del semiconduc-tor N se dispersan hacia el semiconductor P, acumulándose en las zonaspróximas a la frontera y viceversa ocurre con los huecos del semiconductor P.

Por este motivo, la zona próxima a la frontera del semiconductor P queda concarga negativa y la zona próxima a la frontera del semiconductor N con cargapositiva.

De este modo queda establecida una unión P-N en donde el campo eléctricocreado por el movimiento de cargas creará una barrera de potencial que no de- jará que el proceso de difusión siga indefinidamente.

Figura 5. Unión PN

Cuando los fotones procedentes del Sol, inciden sobre la superficie del lado N,con la suficiente energía, provocan que los electrones adquieran la suficiente

energía para saltar la barrera de potencial, liberándose y estableciendo una co-rriente eléctrica a través de un circuito externo conectado a los extremos libresde los semiconductores.

Figura 6. Efecto fotovoltaico



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Unidad didáctica 5


Los fotones al incidir sobre la unión PN excitan sus elec-

trones, poniéndolos en movimiento, generando de estemodo una corriente eléctrica a través de un circuito exter-no.

Hay que decir que no todos los fotones incidentes son capaces de liberar elec-trones y producir electricidad, dado que solamente algunas longitudes de ondaconsiguen este propósito.

La eficiencia de los materiales semiconductores dependede la respuesta espectral del mismo, puesto que solamen-te a una determinada longitud de onda de la radiación so-lar se producirá la conversión energética a electricidad.

1.3.2. LA CÉLULA SOLAR

La célula solar es el elemento fundamental para la conver-sión directa de la energía solar en energía eléctrica; suprincipio de funcionamiento está basado en el efecto fo-tovoltaico.

Para que tenga lugar el efecto fotovoltaico la célula solar está constituida por launión de dos semiconductores uno tipo P y otro tipo N. Ambos semiconducto-res son de silicio, pero uno está dopado con sustancias aceptoras y otro condonadoras respectivamente.

Características eléctricas

La tensión de una célula solar viene impuesta por el campo eléctrico asociado ala barrera de potencial de la unión PN, por tanto, su valor depende de las carac-terísticas constitutivas de la célula. Esta tensión tiene un valor aproximado0,6 voltios para las células de silicio cristalino y de unos 0,85 voltios para las de



Unidad didáctica 5


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silicio amorfo. Estos valores de tensión tienen una ligera variación dependiendode la radiación incidente y pueden considerarse constantes en un amplio rango. A diferencia de la tensión, la intensidad generada por la célula es proporcional a

la radiación luminosa incidente.

La intensidad generada por las células fotovoltaicas es propor-cional a la radiación incidente sobre ellas, mientras que su ten-sión se mantiene prácticamente constante en un amplio rangode radiación.

Figura 7. Curva tensión corriente de una célula solar

Observa en la figura la pequeña variación de la tensión enpara los diferentes valores de energía incidente y como lacorriente generada es proporcional a la energía incidente.

Dado el bajo valor de sus tensiones, las células son conectadas en serie paraobtener módulos fotovoltaicos con valores de tensión más comunes, entre 6 y24 voltios.



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Unidad didáctica 5


La intensidad generada por una célula, para un mismo valor de irradiación, de-penderá de la eficiencia del material del que está fabricada y del tamaño de lacélula, obteniéndose, como es lógico, mayor corriente cuanto mayor sea la célu-

la. El tamaño de estas va desde unos pocos centímetros cuadrados hasta100 cm2 o, incluso más, variando su forma desde la circular hasta la cuadrada ouna forma derivada de las dos. Aunque todas las células son obtenidas de unfino corte transversal de una barra cilíndrica, son recortadas a una forma máspróxima al cuadrado para obtener un máximo aprovechamiento de la superficie.

Figura 8. Panel de células redondas

Influencia térmica

La temperatura de funcionamiento de una célula siempre es superior a la tempe-ratura ambiente, debido al propio calentamiento por efecto Joule y al calor aso-ciado a la radiación solar.

La temperatura afecta de modo negativo a la eficiencia de la célula. Aunque lacorriente generada aumenta ligeramente, es mucho más significativa la reduc-ción de la tensión. Por cada grado que aumenta la temperatura, la tensión dis-minuye entre 2 y 2,5 mV, lo que implica unas pérdidas entorno al 0,5% por cadagrado.



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Unidad didáctica 5



En una célula solar el valor de __________1 es proporcionala la energía solar incidente, mientras que el valor de__________2 se mantiene prácticamente constante. Porotro lado, para un mismo valor de irradiación, si aumentala temperatura, aumenta ligeramente la __________3 perodisminuye apreciablemente la __________4, por tanto, elrendimiento __________5.

Solución:1 intensidad.

2

tensión.3 intensidad.4 tensión.

5 disminuye.

Constitución de la célula

Como ya sabemos, una célula solar está constituida principalmente por la uniónde dos semiconductores de silicio, uno tipo P y otro tipo N. Para aumentar la

eficiencia del efecto fotovoltaico se le añade una impureza al semiconductor P,con lo que se obtiene otro más dopado (P+ ).

Figura 10.

Composición de una célula solar

Para aumentar la absorción de la radiación luminosa se aplica un recubrimientoantirreflexión a la superficie de la célula, este cual consiste en hacer que la su-perficie receptora sea irregular, de modo que la radiación reflejada es recogidade nuevo, minimizando pérdidas por reflexión.



Unidad didáctica 5


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Figura 11. Perfil de la superficie de la célula para minimiza la reflexión

Por último, la parte posterior está formada por un material reflectante cuyo obje-tivo es devolver a la superficie captadora la radiación transmitida que ha atrave-sado la célula sin ser aprovechada.

Todo lo estudiado hasta este momento nos va a ayudar acomprender mejor los elementos que componen las ins-talaciones solares fotovoltaicas.

1.3.3. T IPOS DE CÉLULAS

En el apartado sobre el panel fotovoltaico hemos visto los diferentes panelesque existen según el material de que están compuestas las células que los for-man. Por tanto, ya sabemos qué tipos de células existen:

De silicio cristalino, que a su vez pueden ser:

Monocristalino.

Policristalino.

De silicio amorfo.

A continuación analizaremos más de cerca los tipos de células, viendo cómo seobtienen y cuáles son sus características diferenciadoras.



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Unidad didáctica 5


Células de silicio monocristalino

El primer tipo de célula que se fabricó y que todavía hoy día sigue siendo de las

más comunes es la fabricada de silicio puro monocristalino. El procedimiento defabricación de este tipo de células es el llamado método Czochralski o Cz , en elque se parte de la sílice de silicio excepcionalmente puro, que es fundido en uncrisol con una pequeña proporción de boro, hasta que se forma una masa a1.400 °C. Cuando toda la mezcla se encuentra en estado líquido, se coloca ensu interior una varilla en cuyo extremo hay un cristal germen de silicio, sobre elcual se van disponiendo lentamente nuevos átomos del material procedentesdel líquido, quedando perfectamente ordenados según la estructura del cristal.

Así, se obtiene un monocristal cilíndrico de tamaño suficiente que será cortadocuando se enfríe en obleas circulares extrafinas (o cuadradas si el cilindro se hacortado convirtiéndolo en paralelepípedo rectangular) de tres décimas de milí-

metro de grosor, que serán tratadas químicamente en su superficie.

Figura 12.

Barras cilíndricas de silicio y obleas resultantes de su corte

El coste de este tipo de células y la energía empleada parasu fabricación continúa siendo elevado, por lo que en laactualidad se está investigando la posibilidad de realizarcortes de silicio más finos que permitirían abaratar costes.

Dichas obleas son un producto semielaborado que se suele exportar para com-pletar el proceso de fabricación en otros países. Este proceso final consiste enla creación de la unión P-N, para ello se introduce la oblea de silicio puro en unhorno especial para este procedimiento, dentro del cual se difunden ciertas can-tidades de átomos de boro o fósforo, dependiendo de si se desea obtener unaoblea semiconductora de tipo P o N respectivamente, que se depositarán enuna cara, alcanzando cierta profundidad bajo la superficie de la oblea.

Seguidamente, se somete a la célula a un tratamiento antirreflectante, para con-seguir formar estructuras piramidales minúsculas sobre la superficie que va arecibir la radiación, de tal forma que el rayo reflejado tenga muchas posibilida-des de volver a incidir antes de perderse.



Unidad didáctica 5


22

Por último, se provee a la célula de los contactos eléctricos. Para ello, medianteprocesos electroquímicos, serigráficos, etc., se deposita una rejilla formada poruna aleación conductora de buena calidad y con la geometría necesaria para

conseguir recoger de forma óptima los electrones, tratando de tapar la mínimasuperficie útil de la célula.

Células de silicio policristalino

Si en el proceso de fabricación, en lugar de partir de un monocristal, se realizadejando solidificar lentamente en un molde rectangular la pasta de silicio, ob-tendremos un sólido formado por multitud de pequeños cristales, del que seobtienen células policristalinas cuadradas, que también son muy comerciables,ya que, aunque tienen menores rendimientos que las células monocristalinas,sus precios son inferiores.

El proceso de cortar las células a partir de una única pieza genera una gran can-tidad de desperdicio de semiconductor en forma de polvo. Esto se puede evitarutilizando otro método de fabricación distinto, que consiste en producir una tirade material policristalino que se corta en trozos rectangulares.

Algunos tipos de películas delgadas semiconductoras tienen la peculiaridad deque los fotones que no logran aportar su energía a los electrones atraviesan lapelícula a causa de su escaso espesor, lo que posibilita el diseño de módulossemitransparentes para su utilización en ventanales de edificios, techos de au-tomóviles, etcétera.

Células de silicio amorfo

Este tipo de células están constituidas por silicio amorfo, es decir, que no tienenuna estructura cristalina. Su fabricación consiste en proyectar sobre una láminade vidrio el gas resultante de la transformación del silicio. Este proceso resultarelativamente económico y requiere de mucha menos energía que los demástipos de células. En contrapartida su rendimiento es menor.

Comparativa

En la tabla que se muestra a continuación se comparan las características de

los diferentes tipos de células así como sus ventajas e inconvenientes.Tipo de célulaTipo de célulaTipo de célulaTipo de célula

ssssoooolarlarlarlarRendimieRendimieRendimieRendimiennnntotototo

real en %real en %real en %real en %VentajasVentajasVentajasVentajas InconvenientesInconvenientesInconvenientesInconvenientes

Siliciomonocristalino

14 - 17- La mayor eficiencia- Larga vida útil

- Tecnología fiable

- Materiales caros- Requiere mucha energía para sufabricación- Se desperdicia mucho material

Siliciopolicristalino

10 - 14

- Buena eficiencia- Más barata que el monocristalino- Larga vida útil- Tecnología fiable

- Materiales caros

- Requiere mucha energía para sufabricación (aunque menos que elmonocristalino)- Se desperdicia mucho material

- Menor eficiencia que el monocristalino



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Unidad didáctica 5


Tipo de célulaTipo de célulaTipo de célulaTipo de célulassssoooolarlarlarlar

RendimieRendimieRendimieRendimiennnntotototoreal en %real en %real en %real en %

VentajasVentajasVentajasVentajas InconvenientesInconvenientesInconvenientesInconvenientes

Silicio amorfo 4 - 8

- Máximo aprovechamiento delmaterial

- La mejor respuesta a radiacionessolares bajas- Mayor tensión de operación- Mucho más baratas que las crista-linas

-Vida útil más corta-Menor eficiencia

1.4. EL PANEL SOLAR

Un panel o módulo fotovoltaico es un conjunto de variascélulas fotovoltaicas conectadas en serie, debidamenteensambladas y protegidas por un encapsulado que a lavez que permite la entrada de la luz las protege de ele-mentos externos.

Una célula fotovoltaica tan solo es capaz de proporcionar una tensión de algu-nas décimas de voltio (aproximadamente 0,6 V si dicha célula es de silicio), yuna potencia de unos tres vatios máximo. Por esto, si queremos obtener tensio-nes más elevadas de 6, 12 ó 24 voltios, valores utilizados en la mayoría de lasaplicaciones, tendremos que conectar entre sí numerosas células en serie. Paraobtener un panel de 12 voltios de tensión nominal, se requiere conectar entre30 y 40 células en serie, en función de sus características eléctricas.

1.4.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y CONSTRUCTIVAS

En la siguiente figura podemos ver un corte transversal de un panel fotovoltaicoen el que se aprecian sus distintas partes:

Figura 13. Partes de un panel fotovoltaico



Unidad didáctica 5


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Un material envolvente de protección de las células fotovoltaicas del pa-nel, que está constituido por varias capas de material orgánico transpa-rente. Este material orgánico deberá tener un elevado coeficiente de

transmisión de la radiación solar y un bajo índice de degradación bajo laacción de los rayos solares y UV durante un largo periodo de tiempo, esdecir, que las características del material orgánico sean lo más constan-tes posibles durante la vida operativa del panel fotovoltaico.

Una o varias capas protectoras posteriores, generalmente de Tedlar,opacas y de color claro, ya que presentan la propiedad adicional de re-flejar la luz que ha podido pasar por los intersticios de las células,haciendo que la radiación regrese nuevamente a la parte frontal delmódulo, pudiendo ser de nuevo reflejada por la cara interior del vidrio eincidiendo otra vez sobre las células.

Un marco de acero inoxidable o aluminio anodizado para dar firmeza alconjunto y permitir su sujeción. Llevara mecanizados los taladros oagujeros necesarios para su correcto anclaje.

1.4.2. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

El comportamiento de un módulo fotovoltaico frente a la radiación solar inciden-te viene determinado por las células que lo forman y puede ser descrito median-te una serie de parámetros característicos que definimos a continuación:

Intensidad de cortocircuito (ISC ). Es la máxima intensidad que podemosobtener de un panel solar en unas determinadas condiciones normali-

zadas. Sería la corriente obtenida entre bornes del panel, medida conun amperímetro. Al medir de esta manera, el amperímetro hará de cor-tocircuito pues su resistencia interna es prácticamente nula. Obviamen-te, si no existe resistencia al paso de corriente, la caída de tensión seránula.

Tensión en circuito abierto (VOC ). Es el máximo voltaje medido con unvoltímetro en bornes del panel. Al medir de esta manera el voltímetro secomporta como un circuito abierto puesto que su resistencia internapuede considerarse prácticamente infinita.

Potencia máxima (PMÁX. ). Máxima potencia que es capaz de generar elpanel para unas determinadas condiciones de irradiación. El punto demáxima potencia se consigue para una resistencia de carga óptima.

Intensidad a potencia máxima (Imp ). Es el valor de intensidad generadapor el panel cuando las condiciones de carga le permiten trabajar en elpunto de máxima potencia.

Tensión a potencia máxima (Vmp ). Es el valor de intensidad generadapor el panel cuando las condiciones de carga le permiten trabajar en elpunto de máxima potencia.



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1.5. PROTECCIONES DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO

Los sombreamientos en una instalación fotovoltaica son algo no deseado, nosolo porque reduce la energía generada, sino por los diferentes problemas eléc-tricos que causa, algunos de ellos nefastos. A continuación analizaremos losdiferentes casos de sombreamiento que pueden producirse, y la problemáticaasociada a ellos.

Sombreamiento de una célula

El sombreamiento de una célula puede ser causado, por ejemplo, por una hojaque ha caído sobre el panel. Al estar las células conectadas en serie la corriente

total será la de la célula que menos genere. Si el sombreamiento sobre la célulaes tal que su corriente es prácticamente 0, pasa a comportarse como una cargareceptora, lo que supondrá un sobrecalentamiento de la célula produciendo undaño irreversible o incluso, en el peor de los casos, puede llegar a producirse unincendio. Este fenómeno es conocido como hot spots que puede traducirsecomo ‘puntos calientes’.

Este problema puede solucionarse fácilmente conectando un diodo en paralelopor grupo de células, a estos diodos se les denomina diodos by-pass o diodosde paso. Gracias a este sistema, aunque una de las células se comporte comocarga, la potencia que tendrá que disipar quedará limitada a la generada por elresto de células del grupo en lugar de por todas las del panel o de la fila de pa-

neles.

La práctica totalidad de fabricantes incluyen ya los diodos by-pass en sus pane-les (suelen ir ubicados en el interior de la caja de conexiones del panel). En pa-neles de 36 células se coloca un diodo by-pass por cada grupo de 18 células,de este modo el calentamiento de la célula sombreada quedaría limitado a unatemperatura inferior a 60 ºC.

Los diodos by-pass son diodos de protección colocados

en los paneles fotovoltaicos para evitar el sobrecalenta-miento excesivo de una célula sombreada. Gracias a ellosse consigue que la corriente generada por el resto de gru-pos de células circule por el diodo en lugar de circular porla célula sombreada.



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Unidad didáctica 5


Sombreamiento de una fila

No es raro que una instalación fotovoltaica una de las filas o parte de ella quedesombreada en algún momento, ya sea por una nube o por algún obstáculo que

a determinada hora, proyecta sombra sobre ella. Esto supone que su tensiónsea ligeramente inferior al resto de filas de la instalación y pase a comportarsecomo una carga, disipando parte de la potencia generada. Para evitar este pro-blema se coloca un diodo a la salida de cada fila, evitando que la corriente fluyacon sentido de entrada hacia ella.

Es difícil que la diferencia de tensiones entre filas sombrea-das y no sombreadas sea significativa, por tanto, el uso deestos diodos se limita a generadores cuya tensión de opera-

ción sea superior a 120 V.

Estos diodos antirretorno también evitan que durante la noche las baterías sedescarguen a través del generador fotovoltaico. Aunque esto suele evitarlo elregulador de carga.

En la siguiente figura se muestra la conexión de los dos tipos de diodos de pro-tección (by-pass, diodos negros y antirretorno, diodos rojos).

+ _

BATERÍASI

Figura 15. Diodos de protección para el generador fotovoltaico



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2. ESTRUCTURAS Y SOPORTES

Las estructuras en grandes instalaciones vienen determinadas por el tipo depaneles, por el conexionados entre ellos y por el lugar donde se vaya a situarla estructura. Por el contrario, en el caso de pequeñas instalaciones, el propiofabricante del panel pone a disposición de los instaladores estructuras norma-lizadas.

Figura 16. Estructura especialmente diseñada para soportar un gran número

de paneles

Las propias empresas que suministran paneles fotovoltai-cos suelen ofrecer también estructuras de montaje espe-cialmente diseñadas para las características físicas de suspaneles, o bien dan respuestas técnicas a problemas es-tructurales concretos, de forma que facilitan la labor delinstalador.



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2.1. TIPOS DE ESTRUCTURAS

En general, se pueden distinguir cuatro tipos de estructuras dependiendo delelemento o ubicación donde vayan instaladas.

Apoyadas sobre un mástil. Los montajes sobre mástiles en instalacio-nes autónomas, solo son adecuados para pequeños sistemas de unospocos paneles, ya que para mayores tamaños serían necesarios postesmuy resistentes. Este montaje es más sensible a la acción del viento y alas vibraciones producidas por este. Se utilizan sobre todo en instala-ciones de alimentación de repetidores, donde la torre de la propia an-tena puede utilizarse como soporte de los paneles.

Apoyadas sobre suelo o superficie. Las instalaciones sobre el suelo son

idóneas para grandes potencias y presentan las siguientes ventajas:

Permiten emplear estructuras robustas y pesadas.

Se pueden aplicar procedimientos de amarres sencillos y resis-tentes.

La realización de montajes es siempre más sencilla a nivel delsuelo.

Figura 17. Estructura apoyada sobre el suelo

Aunque también presentan algunos inconvenientes:

Mayor accesibilidad a actos vandálicos.

El problema de las sombras arrojadas por los obstáculos cerca-nos se presenta con mayor facilidad.



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En lugares en los que nieve con cierta frecuencia se deben utilizarsobreapoyos elevados (encarecimiento de la instalación).

Figura 18. Instalación fotovoltaica para sistema de telecomunicaciones enmontaña. Observa que los apoyos se han elevado para prevenir el riesgo denevadas

Apoyadas sobre cubiertas planas o inclinadas. Son también muy fre-cuentes, generalmente, tienen mayores dificultades de montaje que lassituadas sobre el suelo y son más ligeras, lo que va en contra de la re-sistencia frente al viento, que siempre es superior que el registrado anivel de tierra. El punto más delicado es el anclaje, debiendo cuidarse laestanqueidad al agua de lluvia. Una de sus ventajas es su menor acce-sibilidad contra las acciones de vandalismo.

Figura 19. Estructura sobre cubiertas inclinadas



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Figura 20. Estructura sobre cubierta plana

Apoyadas sobre paredes verticales. Son especialmente adecuadas pa-ra pequeñas potencias. Permiten utilizar estructuras ligeras, ya que lapared proporciona un punto de anclaje seguro y sencillo. Además, losriesgos de las cargas producidas por el viento también se ven reduci-dos al incidir este solo sobre la cara frontal, presionando los panelescontra su asiento y no generando esfuerzos de tracción. Presentantambién la ventaja de ser poco accesibles a los actos vandálicos.

Figura 21. Estructura sobre pared vertical



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Las estructuras fijas son aquellas cuya inclinación y orien-tación no puede ser automáticamente variada, está fijada

a unos valores óptimos previamente calculados.Las estructuras con seguimiento solar, denominadas se-

guidores solares varían su orientación, su ángulo de incli-nación o ambos para conseguir que los rayos solares inci-dan sobre los paneles solares lo más perpendicularmenteposible, para de este modo obtener la máxima captaciónde energía.

Figura 22. Seguidor solar

En función de la cantidad de movimientos que pueden realizan, podemos dife-

renciar dos tipos de seguidores solares:

De un eje: la estructura puede moverse en una sola dirección, depen-diendo de cuál se esta, podemos distinguir los siguientes tipos de se-guidores solares de un solo eje:

Polar: la superficie captadora gira sobre un eje inclinado un ángu-lo óptimo y orientado en dirección Sur, de modo que la superficiecaptadora bascula conforme se va desplazando el Sol desde elamanecer hasta el ocaso.



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Figura 23. Seguidor solar de un eje polar

Acimutal: la superficie captadora sigue la posición acimutal delSol, para ello, gira sobre un eje vertical, mientras se mantiene aun ángulo fijo de inclinación.

Figura 24. Seguidor solar de un eje acimutal



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El acimut del Sol es el ángulo de desviación del Sur ge-ográfico.

Representación del acimut

Horizontal: la superficie captadora gira sobre un eje horizontal conorientación Norte-Sur, de modo que dicha superficie captadoraqueda orientada hacia el Sur y su ángulo de inclinación variará si-guiendo el ángulo de altura solar.

Figura 25. Seguidor solar de un eje horizontal

De dos ejes: tanto la inclinación como la orientación de la superficiecaptadora son variables, lo que permite seguir la posición acimutal y elángulo de altura solar obteniendo siempre una posición perpendicular alos rayos solares. Con este sistema se obtiene el máximo aprovecha-miento de la radiación solar.



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Figura 26.

Seguidor solar de dos ejes

Un seguidor solar de un eje puede incrementar la produc-ción energética entre un 15 y un 25% respeto a una es-tructura fija.

Un seguidor solar de dos ejes puede llegar a incrementarla producción energética entre un 30 y un 45% respecto auna estructura fija.

Evidentemente, el coste de una instalación con seguidoressolares es mucho mayor que el de una de estructura fija.Será necesario hacer un estudio económico-productivopara determinar que tipo de estructura resulta más renta-ble.


Encontrarás información sobre este tema enwww.campusmasterd.es.



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Unidad didáctica 5


3. ACUMULADORES

Los acumuladores o baterías son células electroquímicas en las que las reac-ciones en los electrodos son reversibles, por lo que pueden ser utilizadas para

acumular la energía solar fotovoltaica y luego liberarla cuando se conectan a uncircuito de carga exterior.

Un acumulador se encargará de cubrir las demandas energéticas de las cargasdel sistema, sin tener en cuenta la electricidad que está generando en el mo-mento el campo fotovoltaico, todo esto conllevará:

En los periodos de nula o baja insolación se encargará del suministroeléctrico, pudiendo ser estos periodos de horas o días.

Suministrar una potencia instantánea, o durante un tiempo limitado,mayor que la que podría generar el campo generador fotovoltaico aunen los momentos más favorables. Tal es el caso, por ejemplo, de losarranques de motores que durante unos segundos requieren una po-tencia varias veces superior a la nominal, en funcionamiento normal.

Mantener junto con el regulador, un nivel de tensión estable de funcio-namiento de la instalación. Recordemos que la tensión de salida de unmódulo fotovoltaico varía en función de la intensidad de la radiación in-cidente, lo que no es adecuado para el funcionamiento de las cargas. Elacumulador se encarga de proporcionar una tensión estable y constan-te, dentro de un cierto rango, independientemente de las condicionesde radiación.

En una instalación fotovoltaica, el voltaje de la batería, quees aproximadamente constante, es el que determina latensión de funcionamiento de los paneles.

Aunque un panel pueda suministrar una tensión de 22 V,no significa que, al conectarlos a una batería de 12 V, seestén aplicando sobre los bornes de esta 22 V, ya que laintensidad que suministra el panel se ajustará automáti-camente al valor de tensión, según queda definido en sucurva característica I-V.



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3.1. TIPOS DE ACUMULADORES

Las baterías más utilizadas en instalaciones fotovoltaicas autónomas son las deplomo-ácido (Pb-a) y sus aleaciones y las de níquel-cadmio (Ni-Cd).

Baterías de plomo-ácido

Son, con diferencia, el tipo de baterías más utilizado en aplicaciones fotovoltai-cas, debido principalmente a su bajo coste comparado con otros tipos.

Las baterías de plomo-ácido se pueden clasificar en:

Baterías de arranque: se caracterizan por tener ciclos poco profundosy proporcionar elevadas corrientes en cortos periodos de tiempo. Sonutilizadas en el sector de la automoción.

Baterías de tracción: se utilizan principalmente en vehículos eléctri-cos, estando diseñadas para ciclados muy profundos.

Baterías estacionarias: son el tipo de baterías más adecuado parainstalaciones fotovoltaicas. Están diseñadas para operaciones intermi-tentes y raramente se descargan. Las baterías de uso fotovoltaico sediferencian de las demás por su capacidad para aguantar ciclos dedescarga, dependiendo su duración de la profundidad del ciclo. Lasbaterías de Pb-a estacionarias se pueden clasificar:

Plomo-antimonio (Pb-Sb). El principal elemento en la aleación conplomo en las rejillas es el antimonio. La utilización de antimonioda una mayor fortaleza mecánica a las rejillas y permite regíme-nes de descarga altos con muy buena profundidad de ciclado. Lapérdida de material activo está limitada y tienen mayor tiempo devida que las baterías de Pb-Ca cuando operan a altas temperatu-ras. Tienen como inconvenientes su elevada autodescarga, requi-riendo una frecuente adición de agua.

Las baterías más apropiadas y utilizadas en instalacionesfotovoltaicas son baterías de plomo-ácido de tipo estacio-narias.

Plomo-calcio (Pb-Ca). Utilizan calcio como elemento en la alea-ción de las rejillas. Tienen baja autodescarga y menor manteni-miento que las de Pb-Sb. Aceptan peor la carga después dedescargas profundas y tienen menor tiempo de vida bajo des-



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cargas repetitivas mayores del 25%. No toleran bien la sobre-carga, las descargas muy profundas y la operación a temperatu-ras elevadas.

También existen baterías híbridas, que combinan las ven-tajas de las baterías de plomo-antimonio y las de plomo-calcio. En este tipo de baterías se suelen utilizar placas po-sitivas tubulares de calcio y placas negativas planas de an-timonio.

Atendiendo a los vasos de las baterías, pueden ser de tipo monoblock si todos

los vasos están unidos en un solo cuerpo o carcasa, y de vasos independientes,si los vasos se suministran de forma independiente, debiendo unir en serie 6 ó12 de estos elementos para conseguir la tensión de 12 ó 24 V deseada. El co-nexionado de los vasos se efectúa mediante los accesorios suministrados porlos fabricantes y siguiendo sus indicaciones.

Realiza el siguiente ejercicio. Rellena los huecos.

En las baterías de Pb-Sb el__________1 es el elementoprincipal en la aleación con plomo en las __________2.

Tienen __________3 tiempo de vida que las bateríasde__________4 cuando operan a __________5 temperatu-ras. Tienen una elevada __________6 y requieren una fre-cuente adición de agua.

Solución:1 antimonio.

2 rejillas.3 mayor.4 Pb-Ca.

5 altas.6 autodescarga.

Baterías de níquel-cadmio

Las baterías de Ni-Cd se suelen utilizar en aquellas instalaciones fotovoltaicassituadas en sistemas remotos que precisen alta fiabilidad y bajo mantenimiento.Su construcción, básicamente, es la misma que las baterías de Pb-ácido; laprincipal diferencia consiste en que el electrolito no participa en las reaccionesde carga y descarga, y por tanto, la densidad de este no está influida por el es-tado de carga.



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Las ventajas de este tipo de baterías son:

Larga vida de uso.

Bajo mantenimiento.

Permiten largos periodos de tiempo en bajo estado de carga.

No están afectadas por sobrecargas.

Las desventajas principales de las mismas son:

Precio superior frente a las de Pb-ácido.

Peor autodescarga que las de Pb-ácido.

3.2.

PARTES CONSTITUTIVAS DE UN ACUMULADORLas baterías o acumuladores constan de las siguientes partes:

Células.

Placas.

Materia activa.

Rejillas.

Separadores.

Electrolito.

Una célula en una batería es el elemento electroquímico básico de la misma, seconstituye por un grupo de placas cargadas positivamente y por otro grupo car-gadas negativamente, entre las cuales existen separadores fabricados por unmaterial aislante, todo el conjunto de placas positivas y negativas están cubier-tas por un electrolito que permitirá las reacciones químicas para la acumulaciónde electricidad. Para dar rigidez a la misma poseen una carcasa que soportatanto a las placas electroquímicas como al propio electrolito, y donde se sitúanlos bornes positivo y negativo de la batería.

Las placas consisten en unas rejillas con material activo denominado electrodo.En cada célula hay un número de placas conectadas en paralelo a un bus situa-do en la parte superior de las placas, tanto positivas como negativas. Estánformadas por la rejilla y la materia activa.

El espesor de las placas determina la profundidad del ci-clado de una batería. Las placas gruesas permiten descar-gas profundas sobre largos periodos.



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La rejilla distribuye la corriente por toda la placa y actúa como soporte de lamateria activa. En las baterías de plomo-ácido está formada por una aleación deplomo. Como elementos de aleación para fortalecer la rejilla se suelen utilizar el

antimonio o el calcio. Según la forma de la rejilla diferenciaremos entre bateríastubulares y planas.

La actividad eléctrica de las baterías se basa en los materiales utilizados en lasplacas positivas y negativas, y son los implicados en los procesos de carga ydescarga de la misma (se dan unas determinadas reacciones químicas).

La cantidad de materia activa determina la capacidad (enAh) que la batería es capaz de suministrar.

Los separadores aislantes se elaboran con materiales plásticos porosos parapermitir la adecuada acción del electrolito (ácido en baterías Pb-a), ya que asípermite la rápida difusión del correspondiente electrolito presente en la batería.

Los separadores aislantes se colocan entre las placas posi-

tiva y negativa para evitar el contacto eléctrico directo en-tre las mismas.

Un elemento se define como un conjunto de placas positivas y negativas y se-paradores, montado junto con los buses que interconectan las placas positivasy las negativas.

El electrolito es el medio encargado de transportar la carga eléctrica entre loselectrodos positivo y negativo. Dependiendo del tipo de batería también puede

participar de forma directa en las reacciones de carga y descarga. Su densidadse elige según las especificaciones del fabricante, que están definidas para lascondiciones de diseño, fijadas estas últimas en función de los regímenes detrabajo a que se será sometida la batería.

Los bornes son las conexiones eléctricas externas positiva y negativa de la ba-tería.

Finalmente, la carcasa contiene todos los elementos de la batería y suele ser deplástico o goma dura.



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Figura 27. Vasos de acumulación para instalaciones fotovoltaicas

Los principales elementos constructivos de un acumula-dor son las células, las placas, la materia activa, las rejillas,los separadores y el electrolito.


Relaciona los siguientes conceptos con su definición.

1 Célula2 Rejilla

3 Electrolito4 Material

activo

Soporte de la materia activa a

Medio conductivo que permite la transfe-rencia de electrones entre las placas de labatería. b

Materiales que forman las placas positivas ynegativas y que intervienen en las reaccio-nes de carga y descarga c

Conjunto de placas positivas y negativasseparadas por separadores aislantes, in-mersas en una solución de electrolito, to-do ello dentro de una carcasa d

Solución:

1d, 2a, 3b y 4c.



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3.3. REACCIONES QUÍMICAS EN LOS ACUMULADORES

Acumuladores plomo-ácido

Los materiales activos de una batería plenamente cargada de plomo-ácido sonóxido de plomo (PbO2 ) en la placa positiva y plomo (Pb) en la negativa. Las pla-cas están inmersas en una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4 ) y agua (H2O).

Las reacciones de carga y descarga son las siguientes:

En la placa positiva:

PbO2 + 4H+ + 2e- Pb2++ 2H2O

Pb2+ + SO42- PbSO4

En la placa negativa:

Pb Pb2++ 2e-

Pb2+ + SO42- PbSO4

La reacción global es:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

Durante la descarga, el material activo se convierte en sulfato de plomo y la di-solución electrolítica se hace más diluida como consecuencia del consumo deácido sulfúrico, lo que origina una reducción de la tensión en los bornes de labatería.

Por el contrario, durante la carga la corriente circula a través de la batería endirección opuesta a la de la descarga, restableciéndose los materiales activos.

Acumuladores níquel-cadmio

Las placas de estas baterías están fabricadas con níquel hidratado (NiO(OH))para las positivas, mientras que los electrodos negativos son de cadmio (Cd). Elelectrolito utilizado es una disolución de hidróxido de potasio (KOH), es decir,una base.

Las reacciones químicas en una batería de níquel-cadmio son:

En la placa positiva:

2NiO(OH) + 2H2O+ 2e-

2ni(OH)2 + 2OH-



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En la placa negativa:

Cd + 2OH- Cd(OH)2 + 2e-

La reacción global es:

Cd + 2NiO(OH) + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

En el proceso de descarga el NiO(OH) cambia a NI(OH)2 y el cadmio se trans-forma en hidróxido de cadmio (Cd(OH)2 ). La concentración del electrolito nocambia durante la reacción. En el proceso de carga ocurre lo contrario.

La tensión de cada elemento es de 1,2 V nominales, por lo que una batería de12 V estará formada por 10 de estos elementos conectados en serie.

3.4. CARGA DE ACUMULADORES

A continuación vamos a analizar los procesos que tienen lugar en una bateríadurante su carga y descarga, así como los términos que definen las característi-cas de estas.

Carga/descarga

Hablamos de carga de la batería cuando el acumulador absorbe corriente di-recta de una fuente de energía externa para cambiar químicamente el materialactivo en las placas negativas. Así se almacena en la batería la energía eléctricaen forma de energía química.

Al final de la carga ocurre una reacción química que genera oxígeno en las pla-cas positivas. El oxígeno se transfiere de la batería y se absorbe y consume enla superficie de las placas negativas. Esta reacción electroquímica se puede veren el siguiente diagrama:

La descarga es la operación contraria, en la que se envía energía eléctrica parahacer que funcione un dispositivo externo.



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La carga y descarga de un acumulador viene caracterizada por los siguientestérminos:

Régimen de carga (o descarga)

Parámetro que relaciona la capacidad nominal de la batería y el valor de corrien-te al cual realiza su carga (o la descarga). Se expresa normalmente en horas, yse representa como un subíndice en el símbolo de la capacidad y de la corrientea la cual se realiza la carga (o la descarga).

Por ejemplo, si una batería de 400 Ah se descarga en 100

horas a una corriente de 4 A, se dice que el régimen dedescarga es de 100 horas (C100 = 400 Ah) y la corriente seexpresa como I100 = 4 A.

Profundidad de descarga (PD)

Expresado generalmente en tanto por ciento, es el cociente entre la energía ex-traída y la capacidad nominal de la batería.

Estado de carga (SOC)

Al igual que la PD, se expresa en tanto por ciento, y es el cociente entre la ca-pacidad residual de la batería y la nominal.

Por definición, PD + SOC = 100%.

Autodescarga

Cuando la batería permanece en circuito abierto se produce una pequeñapérdida de carga, a esto se denomina autodescarga de una batería. Suele ex-presarse como un porcentaje de la capacidad nominal en periodos de un mes ya una temperatura constante de 20 ºC.

Ciclo

Se entiende por ciclo cada vez que se hace una carga y descarga de la bateríapara unos valores determinados de profundidad y régimen de descarga.

1 carga + 1 descarga = ciclo



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Ciclo de vida

Es el número de ciclos que es capaz de realizar una batería bajo unas determi-

nadas condiciones.

Para hacernos idea de lo que influye la profundidad de descar-ga en la vida de una batería, diremos que el número de ciclosque podremos hacerle a una batería al 80% de profundidad dedescarga es del orden de 1.800 ciclos, y podríamos hacerleunos 4.000 ciclos si utilizáramos profundidades de descargadel orden del 25%.

Se suele recomendar reemplazar la batería cuando haya

perdido el 20% de su capacidad nominal.

3.5. FASES DE CARGA DE UNA INSTALACIÓN DE ACUMULADORES

En una instalación de acumuladores es importante realizar un proceso de cargaadecuado con el fin de que las baterías trabajen de forma equilibrada y se man-

tengan a unos niveles de carga óptimos. De esta manera, no solo se consigue unfuncionamiento eficiente de la instalación sino que además se alarga su vida útil.

Veamos a continuación las diferentes fases de carga de una instalación deacumuladores:

Igualación: esta fase consiste en equilibrar la carga de los acumulado-res hasta un cierto nivel, después de que hayan sufrido una descargaparcial o total.

Carga profunda: una vez realizada la igualación se suministra corrientede carga a las baterías sin interrupción hasta alcanzar la tensión final decarga, correspondiente a un nivel de carga entorno al 90% de su capa-cidad.

Carga final y flotación: para completar la carga, se sigue suministran-do corriente a las baterías hasta que alcanzan una tensión un 10% su-perior al valor de tensión nominal, aproximadamente. A esta tensión sele denomina tensión de flotación y su valor es de 2,17 voltios por celda,(para una tensión nominal de 2,0 V). Una vez alcanzada dicha tensiónse mantiene una pequeña corriente de suministro para mantener las ba-terías a plena carga (corriente de flotación) cuya finalidad es compensarla autodescarga de las baterías.



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3.6. SEGURIDAD Y RECOMENDACIONES GENERALES DE LOSACUMULADORES

Los acumuladores están constituidos por elementos químicos peligrosos y no-civos que además producen gases inflamables que son expulsados al exterior.Por tanto es necesario seguir una serie de indicaciones de seguridad.

Por otro lado, para un correcto funcionamiento de las baterías, es aconsejablemantenerlas en unas determinadas condiciones ambientales y seguir una seriede recomendaciones generales.

A continuación vamos a ver las indicaciones de seguridad y recomendacionesgenerales acerca de la ubicación y el transporte y manipulación de los acumula-dores.

Ubicación

En la ubicación de los acumuladores se deben tener en cuenta algunas conside-raciones importantes, como son:

Los acumuladores deberán estar situados lo más cerca posible delcampo generador fotovoltaico para evitar las posibles caídas de tensiónen el cableado.

Los acumuladores deberán ubicarse siempre en un lugar cerrado protegi-

do de la intemperie y no estarán expuestos a la radiación directa del Sol.

La ubicación destinada a albergar los acumuladores se deberá mante-ner, siempre que sea posible, entre los 15 ºC y los 25 ºC.

El rendimiento de un acumulador depende de forma im-portante de la temperatura ambiente. Los fabricantes espe-cifican los valores de capacidad para una temperatura de20 °C, valor para el cual se produce el rendimiento óptimodel acumulador.

La capacidad de una batería disminuye con la temperatura,mientras que las temperaturas elevadas reducen la vida útilde la misma.

Si los acumuladores empleados en la instalación son del tipo de elec-trolito líquido (no sellados), el local o sala de baterías donde se ubiquendeberán disponer de una ventilación adecuada, ya sea natural o forza-da, con la finalidad de evitar la acumulación de emanaciones de gases(hidrógeno y oxígeno) que siempre se producen en la parte final delproceso de carga de una batería. En cualquier caso, si la capacidad



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fuese elevada y esto obligará a disponer de aberturas de ventilación,estas se situarán siempre en la parte superior de las paredes, ya que elhidrógeno, al ser menos pesado que el aire, asciende una vez liberado.

Ten en cuenta que una buena ventilación de la sala dondeestén ubicadas las baterías contribuye a la seguridad de lamisma, evitando la acumulación de gases inflamables co-mo el hidrógeno.

En algunas ocasiones puede ser necesario construir una caseta desti-

nada exclusivamente a la ubicación de los acumuladores, con la co-rrespondiente obra civil. En estos casos, los acumuladores se ubicaránen su interior en una serie de bancadas o estanterías de forma ordena-da y estable, quedando aislados del suelo.

Los lugares donde se ubiquen los sistemas acumuladoresde las instalaciones fotovoltaicas deberán regirse por elReglamento Electrotécnico de Baja Tensión y, en concre-to, por lo recogido en la ITC-BT-29: “Prescripciones parti-

culares para las instalaciones eléctricas de los locales conriesgo de incendio o explosión”.


¿Serías capaz de indicar los aspectos más importantes res-pecto a la ubicación de las baterías en una instalación fo-tovoltaica autónoma?

Solución:

Punto 3.6.

Una vez vistas las consideraciones para la ubicación de una batería, vamos aver a continuación algunas cuestiones relativas a la colocación de las mismas.

Las baterías siempre se deberán aislar del suelo mediante bancadas(de madera o metálicas) o contenedores. Generalmente, los propios fa-bricantes de baterías y empresas instaladoras suelen disponer de ban-



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Unidad didáctica 5


cadas y contenedores diseñados especialmente para el modelo y tipode batería que comercializan. Estos elementos estarán protegidos con-tra la corrosión, la humedad y el ácido de las baterías.

Cuando el número de acumuladores sea elevado, con objeto de reducir

el espacio se podrán disponer estos en estanterías.

En la colocación de las baterías en bancada se tendrán en cuenta lassiguientes recomendaciones prácticas generales:

Asegurarse de la horizontalidad de la bancada.

Para evitar situaciones de inestabilidad se deben colocar inicial-mente algunas baterías en el centro de la bancada.

Si las baterías se colocan en estanterías se fijarán de forma con-veniente y el montaje siempre se iniciará desde las filas inferiores

hacia las superiores.

Se utilizarán los medios mecánicos adecuados al peso de las ba-terías durante su colocación, evitando sujetarlas por los bornes.

La disposición de los acumuladores deberá corresponder con lasespecificaciones recogidas en los planos de diseño, prestando es-pecial cuidado en la separación y disposición relativa de los bornes.

Transporte y manipulación de los acumuladores

Los acumuladores se deben manejar con mucho cuidado, para evitar quemadu-

ras tanto en la piel como en la ropa, el suelo, etcétera.

En el transporte de las baterías es donde mayores precauciones se deben to-mar, evitando en la medida de lo posible la fuga de electrolito. Para esto, seaconseja que el fabricante de las baterías nos suministre estas cargadas en se-co, pudiendo de esta manera transportar los recipientes con mayor facilidad (elpeso de una batería sin carga obviamente es menor que el de una batería car-gada) y sin riesgos. El electrolito en estos casos se transporta en botellas inde-pendientes, procediendo posteriormente al rellenado de los acumuladores unavez que estos se hayan instalado en su bancada o contenedor correspondiente.Por último, tras rellenar los acumuladores revisaremos que el nivel de electrolito

sea el correcto, verificando que este cubre completamente las placas.

El electrolito de las baterías contiene ácido, que es unasustancia sumamente corrosiva.



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50

3.7. ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES (RECICLAJE DE BATERÍAS)

Las baterías suponen un gran peligro para el ser humano y el medio ambientedebido a su elevado contenido en plomo. La presencia de plomo en cuerpohumano puede causar graves consecuencias para la salud pudiendo inclusocausar la muerte. Igualmente ocurre a los animales.

Una batería contiene unos 10 kg de plomo, aproximadamente 2 kg de disolu-ción de ácido sulfúrico y una cantidad considerable de plásticos contaminantespor tanto una batería gatada que no sea gestionada adecuadamente pude cau-sar un gran daño ecológico.

Si una batería es depositada en un contenedor de basura, esta llegará al verte-dero donde se descompondrá y el ácido, el plomo y otros componentes conta-minantes pasarán a la tierra, al llover serán arrastrados a ríos, donde puedenpasar a las plantas, animales, al agua de consumo y en general, a la cadenaalimentaria.

Por otro lado, prácticamente todos los componentes de una batería pueden serreutilizados. Especialmente el plomo es un material muy fácil de reciclar y puedereutilizarse una cantidad indefinida de veces.

Debido a la presencia de plomo y de ácido, las bateríasgastadas causan una grave contaminación ambiental si noson tratadas adecuadamente. Está prohibido dejar las ba-terías en contenedores de recogida de basura públicos,debiendo ser retiradas por empresas acreditadas o por lospropios fabricantes de baterías o instaladores. En algunasciudades existen puntos de recogida donde son gestiona-das para su reciclaje.



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Unidad didáctica 5


4. REGULADORES

El regulador de carga es uno de los principales elementos en las instalacionessolares fotovoltaicas aisladas. Salvo casos excepcionales todas instalacionesque cuentan con acumuladores requieren de este dispositivo electrónico parasu correcto funcionamiento y para conseguir una larga vida útil de las baterías.

4.1. REGULADORES DE CARGA Y SU FUNCIÓN

El regulador de tensión es un dispositivo electrónico cuyamisión es proteger a la batería frente a sobrecargas y des-cargas profundas, lo que permite alargar su vida útil.

En las baterías plomo-ácido el voltaje en bornes es proporcional al nivel de car-ga, por tanto, comprobando dicha tensión, es posible conocer en qué estado de

carga se encuentra, lo que permite al regulador actuar en consecuencia.

Cuando se detecta una tensión excesivamente elevada en bornes de la bateríase procede a su desconexión del generador o a la disipación de potencia me-diante un elemento electrónico.

Igualmente, cuando se detecta una tensión excesivamente baja en bornes de labatería se procede a su desconexión de la carga para evitar una descarga pro-funda.



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52

Figura 28. Reguladores de carga para instalaciones fotovoltaicas

La mayoría de los reguladores presentes en el mercado:

Permiten que la intensidad generada en el campo fotovoltaico paseíntegramente a la batería.

Permiten que la batería esté en estado de flotación cuando se acerca asu estado de carga completa, lo que se consigue, suministrando inter-mitentemente corriente eléctrica a la batería.

Realizan cargas de ecualización, es decir, sobrecargan las baterías pe-riódicamente, para conseguir así una homogenización de los elementoso vasos de las mismas. Esto evita la estratificación del electrolito y, en-tre otros, el peligro de congelación del mismo.

Avisan al usuario, mediante señales acústicas y luminosas, con ciertaantelación, antes de cortar el suministro por descarga profunda de lasbaterías. Para que el usuario adapte su consumo a esta situación.

Además de vigilar y controlar el estado de carga de la batería para maximizar suvida útil, la mayoría de los reguladores de carga disponen de funciones adiciona-les, como alarmas, compensación por temperatura de batería, monitorización yvisualizadores.

La selección del tipo de regulador en una planta o instalación fotovoltaica está

en relación con la tensión del sistema y la corriente de cortocircuito soportadapor el campo fotovoltaico, medidas en condiciones estándares, utilizando nor-malmente un margen o factor de seguridad del 25% (1,25), por si la radiaciónincidente pudiera ser superior a 1.000 W/m2.

En los reguladores actuales, los interruptores utilizados son mayoritariamente deestado sólido (MOSFET o transistores de potencia) y sus características princi-pales son:

Bajo consumo.

Dispositivos pequeños y compactos.

Larga vida útil y prácticamente no requieren de mantenimiento.



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Unidad didáctica 5


Realiza el siguiente ejercicio. Rellena los huecos.

Un regulador de carga, para evitar la __________1 profunda, el regulador desconecta el __________2 cuando la__________3 de la batería __________4 de unos determina-dos valores. Previamente a la __________5 del consumo, el__________6 avisa al usuario emitiendo una serie de alar-mas.

Solución:1 descarga.

2 consumo.3 tensión.

4 desciende.5 desconexión.

6 regulador.

4.2. TIPOS DE REGULADORES

Según la técnica que utilizan los reguladores para realizar su cometido se pue-den clasificar en dos tipos:

Tipo paralelo o reguladores shunt .

Tipo serie.

Regulador serie

El principio de funcionamiento del regulador serie es un relé o semiconductor depotencia (interruptor S1 ) que se coloca en serie entre el generador fotovoltaico yla batería. Este interruptor desconecta el generador de la batería, impidiendo el

paso de corriente cuando se alcanza la tensión límite de carga, evitando así lasobrecarga, volviéndose a conectar cuando disminuye la tensión de la batería.

Este regulador también incluye otro interruptor entre la batería y el consumo, S2,que evita la descarga de la misma, cortando el suministro de energía cuando sealcanza la tensión de corte por sobredescarga.



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Figura 29. Esquema básico de funcionamiento de un regulador serie

Regulador paralelo o shunt

El regulador paralelo funciona por disipación del exceso de energía a través deun transistor o MOSFET colocado en paralelo con el generador y el sistema debaterías.

Cuando la tensión en bornes de la batería llega al valor de la tensión de sobre-carga, Vsc, el regulador, en lugar de interrumpir la corriente que llega a la batería,deriva parte de la misma, dejando pasar solo una cantidad de corriente que evi-ta la autodescarga. La tensión en la batería se mantiene en un valor equivalentea la carga de flotación, permitiendo una carga más completa de las baterías yun mejor aprovechamiento de la energía que produce el campo fotovoltaico.

Una vez alcanzado el voltaje de corte por sobrecarga, el generador fotovoltaicose cortocircuita a través del dispositivo de disipación y el resto de la corriente seconsume como corriente de cortocircuito en el campo generador fotovoltaico,transformándose en calor.



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Unidad didáctica 5


Figura 30. Esquema de funcionamiento de un regulador shunt

4.3. VARIACIÓN DE LAS TENSIONES DE REGULACIÓN

Reciben el nombre de puntos de regulación los niveles de tensión en los que elregulador realiza el control de los cortes. En los reguladores se utilizan cuatrovalores de tensión de regulación:

Tensión de corte de sobrecarga, V sc: máxima tensión que el reguladorpermite que alcance la batería. Cuando el regulador detecta que la tensiónen bornes de la batería alcanza dicho valor, interrumpe la conexión entre elgenerador fotovoltaico y la batería, o reduce gradualmente la corrientemedia que entrega el generador fotovoltaico a la batería.

Los valores de corte recomendados para baterías de plo-mo-antimonio de 12 V de tensión nominal están entre los14,22 y los 14,82 V.

La tensión final de carga debe asegurar la correcta carga de la batería.Se permitirán sobrecargas controladas de la batería para evitar que elelectrolito se estratifique o para realizar cargas de igualación.



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Tensión de rearme de carga, V rc: valor de tensión a la que el regula-dor vuelve a reconectar el generador fotovoltaico a la batería.

Tensión de corte de sobredescarga, V sd: valor de tensión de la bate-ría por debajo del cual se interrumpe el suministro de electricidad a lascargas de consumo.

La desconexión del suministro de electricidad a las cargas de consumose deberá realizar cuando la batería alcance la profundidad de cargamáxima permitida, para ello debe configurarse adecuadamente la ten-sión de desconexión en el regulador.

Para baterías de plomo-ácido de 12 V de tensión nominal,los valores típicos utilizados para Vsd están entre 11,0 y11,5 V. Generalmente, se elige un Vsd, de forma que la des-carga de la batería no sea superior al 75-80% de profundi-

dad de descarga.

Tensión de rearme de descarga, V rd: tensión a la que se reconecta denuevo la batería, permitiendo consumos eléctricos.

Los valores típicos de tensiones de rearme para bateríasde plomo-ácido de 12 V nominales se encuentran entre12,5 y 13 V.

Figura 31. Gráfica de las tensiones de regulación de un regulador de carga



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Unidad didáctica 5


5.

INVERSORES

Como sabes los generadores fotovoltaicos producen energía eléctrica en formade corriente continua, en consecuencia, tanto si la energía producida se inyectaen la red de suministro eléctrico como si alimenta directamente a una viviendacon cargas de alterna; es necesario un sistema que convierta y adapte la co-rriente continua generada a corriente alterna con unos valores adecuados detensión y frecuencia.

¿Estás preparado para enfrentarte a este apasionante tema?Tómatelo en serio pero sin agobios, se trata de comprender,no de memorizar.

5.1. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOSINVERSORES FOTOVOLTAICOS

El inversor es un dispositivo electrónico capaz de trans-formar la corriente continua en corriente alterna de carac-terísticas y valores determinados.

El funcionamiento de un inversor está basado en un circuito formado por dispo-sitivos semiconductores que controlan el paso de corriente a la carga, alternan-do su sentido de circulación a través de la ella. Más adelante analizaremos losdiferentes circuitos capaces de realizar esta función.



Unidad didáctica 5


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Los inversores están definidos por las características técnicas que vienen dadaspor el fabricante y que nos ayudan a determinar qué inversor se adapta mejor alos requerimientos de la instalación solar fotovoltaica. A continuación se expo-

nen las diferentes características técnicas.

Características de entrada

Potencia máxima de CC: máxima potencia de entrada del inversor.

Tensión máxima de CC: máxima tensión de entrada que puede sopor-tar el inversor.

Rango de tensiones CC: el rango de tensiones de entrada a las quepuede funcionar el inversor. Esto determinará la estructura de conexiónserie-paralelo entre los paneles fotovoltaicos o entre las baterías.

Corriente máxima de entrada: máxima corriente de entrada que puedesoportar el inversor.

Características de salida

Potencia máxima de CA: potencia máxima que puede proporcionar elinversor a su salida durante un tiempo indefinido. El obtener esta po-tencia supone hacer trabajar al inversor en un régimen forzado.

Potencia nominal: potencia a la que el inversor trabaja en condicionesnormales.

Capacidad de sobrecarga: capacidad que tiene el inversor para pro-porcionar una potencia superior a la nominal durante un cierto intervalode tiempo.

Figura 32. Gráfica de la potencia suministrada por un inversor comercial de550 W en función del tiempo

Distorsión armónica, THD: parámetro utilizado para indicar el contenidoen armónicos de la onda de tensión de salida del inversor (frecuenciasdistintas de 50 Hz). Se refiere pues a la calidad de la onda producida,que será mejor cuanto menor sea el valor del parámetro THD.



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Tensión nominal de CA: tensión de salida del inversor en condicionesnormales de funcionamiento.

Frecuencia nominal: frecuencia de la onda de salida del inversor cuan-do este trabaja en condiciones normales de funcionamiento.

Rendimiento

El rendimiento de un inversor es la relación entre la potencia de salida y la po-tencia de entrada. Depende de la potencia y de la temperatura de operación.Hay que considerar que si un inversor de una potencia nominal determinada sehace funcionar solamente a una fracción de dicha potencia, su rendimiento bajade forma considerable.

El rendimiento de un inversor no es constante en todo elrango de su potencia de operación, sino que varía en fun-ción de la potencia proporcionada, siendo muy bajo amuy bajas potencias y aumentado de forma progresiva amedida que aumenta la potencia. La curva de rendimientocae rápidamente para pequeñas potencias.

El rendimiento de conversión en inversores autónomos también depende deltipo de carga (resistiva, capacitiva o inductiva) conectada a este, es decir, de-pende del factor de potencia, cosϕ.

Figura 33. Curva de la potencia en función de la potencia CA de salida adiferentes factores de potencia (cosϕ ) de un típico inversor autónomo

Observa la diferencia de rendimiento entre curvas de cargas inductivas con lacurva de carga resistiva (cos φ = 0,99). Con cargas inductivas la tensión y lacorriente están desfasadas, por tanto, el factor de potencia es distinto de la uni-dad y la potencia activa entregada por el inversor se puede reducir hasta en un30%.



Unidad didáctica 5


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El factor de potencia de un inversor se define como el co-ciente entre la potencia activa (W) y la potencia aparente(VA) a la salida del inversor.

5.2. TIPOLOGÍAS

Existen principalmente dos tipologías de inversores dependiendo del número y

configuración de los interruptores que utilizan para transformar la señal:

Inversor en medio puente.

Inversor en puente completo.

A partir de estas dos tipologías pueden desarrollarse otras más evolucionadas yperfeccionadas, como inversores trifásicos o con control PWM, que permitenobtener una señal de salida capaz de alimentar todo tipo de cargas de corrientealterna.

Inversor de medio puente

El inversor de medio puente es el método más sencillo para conseguir una señalalterna a partir de una continua, aunque, como veremos, esta señal se aleja mu-cho de una señal sinusoidal; a pesar de ello puede utilizarse para alimentar va-rios tipos de cargas.

Vamos a analizar su funcionamiento observando su circuito:

C2

Vcc

C1 D1

D2

T1

T2

R L

Vo+

0

Vcc/2

+

+

Vcc/2

A

Figura 34. Inversor de medio puente



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Inversor en puente completo

Este tipo de inversores utilizan generalmente interruptores de potencia controla-

dos como transistores MOSFET o los IGBT. A continuación vamos a analizar sufuncionamiento a partir del circuito esquemático representado por interruptores.

Figura 37. Circuitos equivalentes del inversor en puente completo en susdiferentes situaciones de funcionamiento



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Unidad didáctica 5


Dependiendo del estado de los interruptores, la salida V AB tomará el valor de+VCC, -VCC o cero.

Si se cierran S1 y S2 manteniendo abiertos S4 y S4 (circuito a), la corriente porla carga circula desde el punto A hacia el punto B consiguiendo que la salidaV AB tome el valor de +Vcc.

Si se abren S1 y S2 y se cierran S3 y S4 (circuito b), la corriente por la cargacircula en sentido contrario al anterior, es decir, desde el punto B hacia el punto A obteniéndose una valor a la salida de -Vcc.

Cerrando S1 y S3 o S4 y S2, el valor de tensión en la carga será nulo y no circu-lará corriente por ella.

Es importante darse cuenta que los interruptores de un mismo lado (S1 y S4 ó

S3 y S2) no pueden estar cerrados en el mismo instante puesto que se produci-ría el cortocircuito de la fuente.

De esta manera, controlando los interruptores adecuadamente, conseguiremosuna señal de salida alterna de forma cuadrada y de frecuencia deseada.

Figura 38. Señal de salida del inversor en puente completo

A pesar de que la señal de salida dista mucho de una señal senoidal, puedealimentar gran cantidad de tipos de cargas. Sin embargo, otros tipos de cargas

como motores requieren señales de mayor calidad, más próximas a la ondasenoidal.

Si comparamos esta onda con la obtenida mediante el inversor de medio puen-te, comprobaremos que se asemeja más a una forma sinusoidal, además puedemanejar el doble de potencia y resultar más eficiente, puesto que se obtienemejor factor de potencia.

Para conseguir una forma de onda más próxima a la sinusoidal se utilizan inver-sores de técnica PWM, que veremos en el próximo apartado.



Unidad didáctica 5


66

5.3. DISPOSITIVOS DE CONVERSIÓN CC/CC Y CC/CA

Tanto las cagas que funcionan a corriente continua como las que funcionan acorriente alterna requieren un dispositivo de conversión que adapte la energíagenerada y almacenada a los requerimientos de dicha carga, manteniendo algenerador trabajando en su punto óptimo de funcionamiento.

En función del tipo de conversión que se necesite realizar disponemos de dis-positivos de conversión de corriente continua a corriente continua (CC/CC) odispositivos de conversión de corriente continua a corriente alterna (CC/CA).

Convertidores CC/CC

No siempre las cargas que se desea alimentar con un sistema fotovoltaico tra-bajan a corriente alterna, en ocasiones se requiere alimentar cargas de corrientecontinua, con lo que podría pensarse que vasta con conectar directamente lacarga a las baterías. Esto solo sería posible si la tensión de alimentación de lacarga coincide con la tensión en bornes del grupo de baterías.

Si no se requiere el uso de acumuladores y se pretende conectar la carga direc-tamente al generador fotovoltaico, considerando que la carga de tensión de esteestá dentro del rango de alimentación de la carga, tampoco sería convenientehacerlo, puesto que los paneles fotovoltaicos no trabajarían en su punto demáxima potencia, lo que supondría una reducción significativa de su eficiencia.

Por tanto, se requiere un dispositivo capaz de adaptar la tensión del acumuladora la tensión de trabajo de la carga y que por otro lado haga trabajar al generadoren su punto de máxima potencia.

Un convertidor CC/CC es un dispositivo capaz de adaptarla tensión del acumulador o del generador fotovoltaico ala tensión de trabajo de la carga, además de hacer trabajaral generador en su punto de máxima potencia.

Los objetivos de un convertidor CC/CC son los siguientes:

Convertir la corriente continua, generada o almacenada en una corrien-te continua cuyo valor de tensión sea el adecuado para alimentar a lacarga. En función de si tienen que elevar o reducir la tensión, los con-vertidores pueden ser elevadores, reductores o incluso los hay quepueden realizar ambas funciones.



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Unidad didáctica 5


Mantener constante la tensión de salida ante variaciones en la tensiónde entrada (función de regulador).

Mantener al generador fotovoltaico operando su punto de máxima po-tencia para obtener el máximo rendimiento.

Figura 39. Diagrama de un convertidor CC/CC

Una de las aplicaciones más comunes de los convertido-res CC/CC es la alimentación de motores de corrientecontinua en sistemas solares de bombeo.

Figura 40. Conexión de un convertidor CC/CC

Como hemos comentado los convertidores CC/CC pueden ser elevadores oreductores; a continuación analizaremos las bases del funcionamiento de lasconfiguraciones más utilizadas para este tipo de convertidores partiendo de sucircuito electrónico.



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Reductor Buck

El reductor Buck es un convertidor de los llamados conmutados, lo que significa

que su funcionamiento está basado en la conmutación a frecuencia elevada deun transistor operando como interruptor, el cual actúa de manera intermitenteinterrumpiendo el paso de corriente a la bobina.

Vi

Q

D

L

C LR Vo

+

Figura 41. Esquema convertidor reductor Buck

Vi D

L

C LR Vo

+

Vi D

L

C LR Vo

+

Q

Q

tON

tOFF

Figura 42. Operación del convertidor Buck

Mientras el interruptor está cerrado, la corriente circula de la batería a la carga através de la inductancia, lo que permite que esta acumule energía. Cuando elinterruptor se abre, la energía acumulada en la bobina es comunicada a la cargaen forma de corriente, estableciéndose un circuito cerrado a través del diodo. Lafunción del condensador es filtrar la corriente para obtener una tensión de salidamás constante.



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Unidad didáctica 5


En consecuencia, a la salida se obtiene una tensión prácticamente constante quedependerá de la relación entre el tiempo que el interruptor está abierto con eltiempo que está cerrado. Vo puede ser calculada aplicando la siguiente fórmula:

Vo = D · Vi

Donde:

T

t D ON = o lo que es lo mismo D = tON · f

T = periodo de la onda de control del transistor.

f = frecuencia de conmutación del transistor.

Sustituyendo en la fórmula anterior, resulta:

Vo = tON· f · Vi

Mediante un sistema electrónico de control es posible regular el tiempo que eltransistor (interruptor) permanece saturado, consiguiendo de este modo regularla tensión de salida al valor deseado.

Si te cuesta comprender algunos conceptos, no te pre-

ocupes, es normal. Pregunta todo lo que no entiendas, tututor personal puede ayudarte.

Elevador Boost

Este convertidor conmutado es capaz de conseguir una tensión de salida hasta10 veces superior a la de entrada. A continuación analizaremos su circuitoelectrónico para comprender cómo trabaja.

Vi Q

DL

C LR Vo

+

Figura 43. Esquema convertidor elevador Boost



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Vi

DL

C LR

Vo

+

Q

Q

Vi

DL

C LR Vo

+

tON

tOFF

Figura 44. Operación del convertidor Boost

Cuando el interruptor está cerrado, la energía se transfiere de la fuente a la bo-bina y del condensador a la carga. La bobina almacena energía durante el tiem-po que permanece el interruptor en on.

Cuando el interruptor se pasa a off, la energía almacenada en la bobina setransfiere en forma de corriente al condensador y la carga. El condensador, cu-yo valor es lo suficientemente elevado, se carga a una tensión igual a la sumade Vi y VL (tensión en la bobina).

La tensión de salida puede ser regulada controlado el tiempo de encendido deltransistor Q. La relación entre ambos viene dada por la expresión:

Vi D

Vo ·1

1

−=

Donde, como ya hemos visto,T

t D ON =

Convertidores CC/CA

Los convertidores CC/CA son lo que conocemos como inversores. Como yasabes, su función es transformar la corriente continua generada en corrientealterna cuyas características sean las apropiadas para alimentar las cargas deconsumo o para inyectar la energía generada a la red de suministro eléctrico.Sus diferentes tipologías las hemos analizadas en el apartado anterior.



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5.4. MÉTODOS DE CONTROL PWM

La técnica de modulación por anchura de pulsos (Pulse-Width Modulation, PWM) tiene como objetivo obtener una señal de pulsos en la que la anchura decada pulso dependa de la amplitud instantánea de la onda senoidal con la quese trabaja. De este modo, se crea una relación directa entre amplitud y duracióndel pulso. Veamos la siguiente figura para comprender mejor el concepto.

Figura 45. Señal PWM correspondiente a una señal sinusoidal

Observa en la figura que cuanto mayor es el valor de laseñal sinusoidal mayor tiempo permanecen en estado altolos pulsos de la señal PWM.

La señal PWM es obtenida del resultado de comparar la onda sinusoidal (señalmoduladora) con una onda triangular (señal portadora) de mayor amplitud y fre-cuencia.



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t

t

V

SEÑAL

SEÑAL

SEÑAL

PORTADORA

PWM

MODULADORA

V

Vdc

Figura 46. Obtención de la señal PWM

Observando la figura anterior, piensa qué ocurre en la se-ñal PWM si aumentamos la amplitud de la señal portadora.

La anchura de los pulsos de la señal PWM puede variar al modificar la amplitudde la señal portadora manteniendo constante la de la señal moduladora. Uno delos parámetros que determinan el modo de operación del PWM es el denomina-do índice de modulación (M), que se define como la relación entre la amplitudde la señal moduladora y la de la señal portadora.

p

m

A

A M =

El valor medio instantáneo de una señal PWM describeuna forma sinusoidal. Es por este motivo que una señalPWM puede alimentar cargas sinusoidales.



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Mediante inversores PWM se obtienen señales de salida pulsatorias de anchuravariable, cuyo valor medio instantáneo sigue una forma sinusoidal. Medianteeste sistema es posible regular el valor medio de la tensión de salida y además,

es capaz de alimentar todo tipo de cargas que requieren de onda sinusoidal,incluyendo motores. Por otro lado, se consigue mayor eficiencia energética,puesto que se mejora el factor de potencia.

Figura 47. Salida del inversor monofásico PWM

En el caso del inversor trifásico se obtendrán tres señales PWM, similares a ladel inversor monofásico, desfasadas 120º entre ellas.

5.5. GENERACIÓN DE ARMÓNICOS

Los aparatos de consumo eléctrico en corriente alterna están diseñados paratrabajar a una frecuencia de 50 ó 60 hercios (dependiendo el país). Si se les

hace trabajar a frecuencias distintas, la energía aplicada no será aprovechadaen su totalidad, solo una pequeña parte de ella podrá utilizarse para desarrollartrabajo, el resto se disipará en calor.

Por diferentes motivos, el flujo eléctrico puede contener componentes sinusoi-dales de frecuencias distintas a la fundamental; a estas componentes se lesdenomina componentes armónicos o simplemente armónicos.

La energía de los componentes armónicos no es energía útil,

puesto que no puede ser utilizada por las cargas para realizartrabajo.

Si una onda está formada por varias componentes de distintas frecuencias sedice que es una onda con distorsión armónica.



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Figura 48. Descomposición de una onda con distorsión armónica

Los armónicos son componentes de la onda de corrientealterna de suministro eléctrico cuyas frecuencias son va-rias veces superiores a la frecuencia fundamental (50 Hzen España).

Los armónicos quedan definidos por dos parámetros:

Amplitud: valor de tensión o intensidad del armónico.

Orden: número de veces que su frecuencia es superior a la fundamen-tal. Por ejemplo, un armónico de orden 3 significa que tiene una fre-cuencia de 3 x 50 Hz = 150 Hz.

La generación de armónicos viene asociada al uso de electrónica de potenciapara el control y conversión de la corriente. Como sabes, un inversor está for-mado por semiconductores (componentes de electrónica de potencia comodiodos, MOSFET, IGBT), que conmutan la corriente continua para convertirla enuna señal lo más parecida posible a una sinusoidal. La señal de salida resultantelleva asociada en mayor o menor medida una componente armónica.

El fabricante del inversor nos da el valor del contenido dearmónicos de la onda de salida mediante el parámetroconocido como THD (Total Harmonic Distorsion) .



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6. INVERSORES CONECTADOS A RED Y AUTÓNOMOS

Aunque fundamentalmente todos los inversores realizan la misma función, con-vertir corriente continua en corriente alterna, existen diferencias entre los inver-sores conectados a red y los inversores autónomos, puesto que la finalidad delas instalaciones es diferente y por tanto, también sus requerimientos.

6.1. CONFIGURACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA

Para comprender los requerimientos de los inversores y su implantación en lasinstalaciones fotovoltaicas es importante tener clara la configuración del circuitode potencia de la instalación y la conexión de inversor en ella.

Circuito de potencia en instalaciones conectadas a red

En la siguiente figura, se representa el esquema unifilar de una instalación foto-voltaica conectada a la red eléctrica de baja tensión, según la legislación espa-ñola.



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Figura 49. Esquema unifilar de instalación fotovoltaica conectada a red

En las instalaciones de conexión a red la entrada del inversor va conectada di-rectamente al generador fotovoltaico, a través de las correspondientes protec-ciones. Por lo tanto, su potencia de entrada dependerá de la potencia fotovol-taica generada en cada momento.

Por otro lado, su salida va conectada a la red de distribución eléctrica a travésde un cuadro eléctrico donde irán ubicadas las correspondientes protecciones,un interruptor general y el contador de energía generada.

Circuito de potencia en instalaciones aisladas

Las instalaciones solares fotovoltaicas son instalación eléctricas en baja tensión,por lo que deberán cumplir con el Reglamento Técnico de Baja Tensión.



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generador fotovoltaico

regulador de carga

acumulador

proteccionesintegradas

protecciones

AC

cuadro dedistribución

inversor

Figura 50. Esquema unifilar de instalación fotovoltaica aislada

En instalaciones aisladas o autónomas, la entrada del inversor va directamenteconectada con las baterías, por tanto, su potencia de entrada no depende de la

potencia fotovoltaica instantánea generada sino de la potencia demandada porla carga y de la que es capaz de proporcionar el acumulador.



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Figura 51. Detalle de conexión de un inversor autónomo


¿Cuánto hace que no te pones en contacto con tu entre-nador? Mira la guía didáctica y no dudes en utilizar los ser-vicios que te hemos ofrecido. Están pensados para perso-nas como tú.

6.2. REQUERIMIENTOS DE LOS INVERSORES AUTÓNOMOS YCONECTADOS A RED

Los inversores deben cumplir con una serie de requerimientos impuestos pordiferentes factores como los aparatos de consumo, seguridad eléctrica, condi-ciones ambientales, normativas de la empresa distribuidora en caso de instala-ciones conectadas a red, etcétera.

A la hora de seleccionar el inversor más apropiado parauna instalación será necesario hacer un estudio exhausti-vo de todos los requerimientos impuestos por los diferen-tes factores



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Dependiendo si se trata de un inversor autónomo o conectado a red las necesi-dades, y por tanto los requerimientos serán diferentes, así pues, los analizare-mos por separado.

6.2.1. REQUERIMIENTOS EN INVERSORES AUTÓNOMOS

A continuación analizaremos los distintos requerimientos que se exigen a uninversor para una instalación fotovoltaica aislada.

Capacidad de sobrecarga

Este parámetro ya lo conocemos, puesto que lo vimos en las característicastécnicas de los inversores; ahora, lo analizaremos desde el punto de vista derequerimiento del inversor.

Se define capacidad de sobrecarga de un inversor como lacapacidad de este para proporcionar durante un cierto in-tervalo de tiempo una potencia superior a la nominal.

Un inversor debe ser capaz de proporcionar potencias punta varias veces supe-riores a su potencia nominal durante periodos de tiempo limitados. De esta for-ma se consigue arrancar cargas con elevados picos de corriente de arranque,como motores, sin tener que sobredimensionarlo.

Cuando hablamos de motores como aparato de consumoestamos haciendo referencia a electrodomésticos tan co-tidianos como la lavadora o la nevera.

Para instalaciones fotovoltaicas autónomas, la selección del inversor que utilizardeberá permitir arrancar y operar con todas las cargas de corriente alterna de lainstalación.



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Seguridad

Los inversores utilizados en instalaciones fotovoltaicas autónomas deberán es-

tar protegidos frente a las siguientes situaciones:

Desconexión de la batería.

Cortocircuito en la salida de corriente alterna.

Sobrecargas que excedan la duración y límites permitidos por el inversor.

Sobrecalentamientos de los componentes debido a condiciones adver-sas de operación. El inversor deberá parar la operación o limitar la po-tencia de operación a determinados niveles de seguridad.

Inversión de polaridad. Los inversores estarán protegidos ante cambiosde polaridad de la entrada CC.

Rendimiento

El rendimiento del inversor debe ser lo más alto posible. En la siguiente tabla sefijan los valores mínimos de rendimiento para el caso de alimentación de cargasresistivas.

Rendimiento de un inversor en función del tipo de onda de salida y de la poten-cia que suministra:

Estabilidad de voltaje

El inversor debe mantener un voltaje de salida prácticamente constante, inde-

pendientemente de la potencia que se demande en cada momento. De lo con-trario podrían dañarse los aparatos conectados a él.

La regulación de un inversor senoidal debe permitir que las tensiones estén enlos siguientes márgenes en cualquier estado de operación del mismo:

Vo = Vn ± 5%

Siendo:

Vn = 220 VRMS o 230 VRMS.



81

Unidad didáctica 5


Regulación en frecuencia

Un inversor autónomo debe mantener constante la frecuencia de operación. En

el caso de inversores senoidales, la regulación del inversor deberá asegurar quela frecuencia de salida está en un margen de 50 Hz ± 2%, para cualquier condi-ción de operación.

Posibilidad de conectar inversores en paralelo

En aplicaciones donde existe una variabilidad grande en el consumo, resulta di-fícil encontrar un inversor que mantenga un alto rendimiento en todo el rango depotencia. La utilización de dos o más inversores conectados en paralelo puedemejorar el rendimiento de forma considerable, siempre y cuando estén prepara-dos para dicha conexión.

Arranque automático

Los inversores deben ser capaces de arrancar automáticamente cuando detec-ten que alguna carga ha sido activada y apagarse cuando detecten que no haycargas conectadas a su salida. De esta forma se evita que el inversor estésiempre en funcionamiento en ausencia de consumos que demanden energía.Esto se logra mediante un sistema automático de detección de conexión decualquier carga.

Autoconsumo

Cuando un inversor no tiene carga conectada, asume siempre un pequeño con-sumo de potencia. Este consumo será menor o igual al 2% de la potencia nomi-nal de salida.

Un buen inversor deberá tener pérdidas por autoconsumo diarias de energíainferiores al 5% del consumo diario de energía.

La mayoría de los inversores incluyen un sistema stand-by para reducir estas pérdidas cuando el inversor trabaja envacío (sin carga conectada).



Unidad didáctica 5


82

6.2.2. REQUERIMIENTOS EN INVERSORES CONECTADOS A RED

Los requerimientos de los inversores conectados a red vienen definidos en sumayor parte por las imposiciones de la compañía distribuidora de energía. Acontinuación los analizaremos uno a uno.

Potencia máxima de entrada

El inversor debe ser capaz de seguir inyectando potencia en la red con irradian-cias superiores al 10% en CEM, y también de soportar picos de potencia supe-riores al 30% de la correspondiente en CEM.

CEM: ≡condiciones estándar de medida.

Las condiciones estándar de medida hacen referencia a lascondiciones de radiación y temperatura en que son indi-cados los valores de los parámetros de los paneles foto-voltaicos.

Estas condiciones estándar son:

Radiación perpendicular a la superficie del panel:1.000 W/m2.

Temperatura del panel: 25 °C.

Potencia de entrada mínima

El inversor deberá inyectar potencia a la red a partir de potencias generadasmayores del 10% de su potencia nominal.

Rendimiento

Los inversores cuya potencia nominal sea inferior a 5 kW deberán proporcionarun rendimiento superior al 88% trabajando a potencia nominal y superior al 85%trabajando a una potencia del 25% de nominal.

En el caso de inversores cuya potencia nominal sea superior a 5 kW su rendi-miento a potencia nominal deberá ser superior al 92% y cuando trabaje al 25%de la potencia nominal, su rendimiento deberá ser superior al 90%.



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Unidad didáctica 5


Autoconsumo

Los inversores conectados a red deben tener un autoconsumo inferior al 0,5%

de su potencia nominal cuando trabajan en modo nocturno.

Factor de potencia

Se requiere que los inversores conectados a red obtengan un factor de potencia(cos φ ) superior al 0,95.

El factor de potencia hace referencia a la cantidad de

energía eléctrica que se transforma en trabajo. Su valorideal es 1, ya que indica una eficiencia del 100%, es decir,toda la energía se ha convertido en trabajo, pero, en gene-ral, el factor de potencia es inferior a la unidad, lo queconlleva un consumo extra en energía. Si en una instala-ción fotovoltaica de conexión a red este es inferior a 0,9, lacompañía eléctrica puede penalizar al propietario.

Grado de protección

El grado de protección mínima frente a la entrada de cuerpos sólidos y líquidosal interior del inversor será:

Condiciones ambientales de trabajo

Deberá asegurarse el buen funcionamiento de los inversores en los siguientesrangos de temperatura y humedad:

Entre 0 y 40 ºC.

Entre 0 y 85% de humedad relativa.



Unidad didáctica 5


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Seguimiento del punto de máxima potencia

El inversor deberá disponer de la función de seguimiento del punto de máxima

potencia del generador; de este modo se consigue hacer trabajar al generadorfotovoltaico al máximo rendimiento.

Si observamos las curvas características tensión-corriente de un módulo o unpanel fotovoltaico, según sea el nivel de irradiancia solar que incida sobre él ydependiendo de la temperatura, tendremos múltiples puntos de trabajo posi-bles. Para cada uno de ellos, el módulo entregará una determinada potencia,existiendo un punto que, para las mismas condiciones de irradiancia y tempera-tura, entrega la máxima potencia; este punto recibe el nombre de punto de máxima potencia.

Figura 52. Curva de trabajo de un panel fotovoltaico

Protecciones

Los inversores deberán incorporar algunas protecciones generales que serán,como mínimo, las siguientes:

Protección frente a cortocircuitos en alterna. Protección frente a tensión de red fuera de rango.

Protección frente a frecuencia de red fuera de rango.

Protección frente a tensión de red fuera de rango.

Protección frente a sobretensiones mediante varistores o similares.

Protección frente a perturbaciones presentes en la red como micro-cortes, pulsos, defectos de ciclos, ausencia o retorno de red, etcétera.



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Unidad didáctica 5


Separación galvánica. Los inversores suelen incorporar en su interior untransformador de seguridad para realizar la separación eléctrica entre lared de distribución de la compañía distribuidora y la instalación fotovol-

taica. De este modo se evita la transmisión de fallos eléctricos entre lainstalación y la red y viceversa.

A continuación se muestra un ejemplo de las hojas carac-terísticas de un inversor de conexión a red. Analiza dete-nidamente todos sus parámetros y comprueba que susvalores cumplen con los requerimientos mínimos.

GENERALGENERALGENERALGENERAL

Artículo nº: Artículo nº: Artículo nº: Artículo nº: 130703200

Diseño típico de las series:Diseño típico de las series:Diseño típico de las series:Diseño típico de las series: 4-6 módulos (72 células), 6-9 módulos (54 células)or 8-12 módulos (36 células)

TemperatTemperatTemperatTemperatura de funcionamiento:ura de funcionamiento:ura de funcionamiento:ura de funcionamiento: -20 ºC to 50 ºCCompletamente protegido contra sobrecalentamiento

Temperatura de almacenamiento:Temperatura de almacenamiento:Temperatura de almacenamiento:Temperatura de almacenamiento: -20 ºC to 70 ºCHumedad relativa:Humedad relativa:Humedad relativa:Humedad relativa: máx. 95%El PCB ha sido tratado contra humedad

Grado de protección:Grado de protección:Grado de protección:Grado de protección: IP23

Clase de seguridad:Clase de seguridad:Clase de seguridad:Clase de seguridad: class I

Separación galvánica:Separación galvánica:Separación galvánica:Separación galvánica: class II

Dimensiones:Dimensiones:Dimensiones:Dimensiones: 462x294x140 mm

Peso:Peso:Peso:Peso: 7 kg

ENTRADA SOLAR (CC)ENTRADA SOLAR (CC)ENTRADA SOLAR (CC)ENTRADA SOLAR (CC)

Potencia nominal:Potencia nominal:Potencia nominal:Potencia nominal: 2750W DC

Potencia solar:Potencia solar:Potencia solar:Potencia solar: 2000-3600 Wp

Potencia máxima:Potencia máxima:Potencia máxima:Potencia máxima: 2950WEntradas MPP (tracking):Entradas MPP (tracking):Entradas MPP (tracking):Entradas MPP (tracking): 2 MPP trackers (dinámicos)

Rango de voltaje en MPPRango de voltaje en MPPRango de voltaje en MPPRango de voltaje en MPP:::: 75-260V CC

Voltaje máximo:Voltaje máximo:Voltaje máximo:Voltaje máximo: 325V CC

Valor corriente nominal:Valor corriente nominal:Valor corriente nominal:Valor corriente nominal: 2x 10A or 1x 20A

Potencia de arranque:Potencia de arranque:Potencia de arranque:Potencia de arranque: 4W

BBBBoooorrrrnnnneeeessss ddddeeee ccccoooonnnneeeexxxxiiiióóóónnnn:::: 2x 2

CCCCoooonnnneeeeccccttttoooorrrreeeessss CCCCCCCC:::: para puntera-regleta terminales de 4mm_máx. sobre PCB oconectores Multicontact.



Unidad didáctica 5


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ELEMENTOS DE SEGURIDADELEMENTOS DE SEGURIDADELEMENTOS DE SEGURIDADELEMENTOS DE SEGURIDAD

General:General:General:General: separación galvánica entre CC y CA, mediante un trasformador dealta frecuencia de clase II

Protección isla:Protección isla:Protección isla:Protección isla: control sobre la ventana de voltaje y la frecuencia (QNS);corte independiente a través de un relé de dos polos de estado sólido, ENSVDE 0123 (opcional), UK G83: control de frecuencia por software.

DISPOSITIVOS DE SEGURIDADDISPOSITIVOS DE SEGURIDADDISPOSITIVOS DE SEGURIDADDISPOSITIVOS DE SEGURIDAD

ProteccProteccProteccProtección temperatura:ión temperatura:ión temperatura:ión temperatura: reducción de potencia a partir de 75 ºC internos,desconexión a 90 ºC

Lado CC:Lado CC:Lado CC:Lado CC: detección de derivación a tierra, detección de sobre voltaje, pro-tección de polaridad (diodos), limitación de corriente transitorios (varistor ycondensador) sobrecarga controlado por temperatura, reducción de la po-tencia.

Lado CA:Lado CA:Lado CA:Lado CA: limitación de corriente. Alto y bajo voltaje. Alta y baja frecuencia,corto circuito (fusibles cerámicos) transitorios/salida (varistores).

Tiempo de cierre:Tiempo de cierre:Tiempo de cierre:Tiempo de cierre: 10-300s (según modelo)

MONITORIZACIÓN / INFORMACIÓN SOBRE EL SISTEMA MONITORIZACIÓN / INFORMACIÓN SOBRE EL SISTEMA MONITORIZACIÓN / INFORMACIÓN SOBRE EL SISTEMA MONITORIZACIÓN / INFORMACIÓN SOBRE EL SISTEMA

En el frontal:En el frontal:En el frontal:En el frontal: 6 LED bi-funcionales para la indicación del nivel de potenciagenerada y diagnósticos de fallos.

Comunicación externa:Comunicación externa:Comunicación externa:Comunicación externa: 2 conexiones RS 485 para conectar el puerto dedatos del QS.

MonitorizaMonitorizaMonitorizaMonitorización (opcional)ción (opcional)ción (opcional)ción (opcional) ––––ver descripción en pag. 12:ver descripción en pag. 12:ver descripción en pag. 12:ver descripción en pag. 12:

• QS display:QS display:QS display:QS display: Pantalla LCD integrada (idiomas: inglés, alemán, holandés,italiano, español, francés, danés)

• QS Data Central “Basic”:QS Data Central “Basic”:QS Data Central “Basic”:QS Data Central “Basic”: software para PC (descargable gratuitamentedesde www:mastervolt.com)

• QS PC linQS PC linQS PC linQS PC link:k:k:k: para conectar el puerto de datos del QS al PC.

• QS Data Central “Premium”:QS Data Central “Premium”:QS Data Central “Premium”:QS Data Central “Premium”: datalogger y software con facilidades deconexión vía telefónica.

• QS Data Central “Profesional” (weblog):QS Data Central “Profesional” (weblog):QS Data Central “Profesional” (weblog):QS Data Central “Profesional” (weblog): datalogger usando informaciónmeteorológica desde Internet.

REGULACIONEREGULACIONEREGULACIONEREGULACIONES Y DIRECTIVASS Y DIRECTIVASS Y DIRECTIVASS Y DIRECTIVAS

Conformidad CE:Conformidad CE:Conformidad CE:Conformidad CE: sí

Directiva EMC:Directiva EMC:Directiva EMC:Directiva EMC: EMC 89/336/EEG

Emisiones:Emisiones:Emisiones:Emisiones: EN 50081-1. EN 55014. EN 55022. VDE 08/71 clase B.

Armónicos: Armónicos: Armónicos: Armónicos: EN 61000-3-2. IEEE p929. Flicker: 61000-3-3

Inmunidad:Inmunidad:Inmunidad:Inmunidad: EN50082-2

Directiva bajo voltaje:Directiva bajo voltaje:Directiva bajo voltaje:Directiva bajo voltaje: 73/23/EEG

Seguridad eléSeguridad eléSeguridad eléSeguridad eléctrica:ctrica:ctrica:ctrica: EN 60950/ENS: VDE 0126/UK: certificación G83-2003

Figura 53.

Hoja de características de un inversor deconexión a red

Tal vez es el momento de descansar un poco, de tomarteun respiro.




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Unidad didáctica 5


6.3. COMPATIBILIDAD FOTOVOLTAICA

Debe existir una relación compatible entre las tensiones y potencias de toda lainstalación fotovoltaica.

Partiendo de los requerimientos de consumo, aparecen unas necesidades deenergía y potencia mínimas, que deberán ser suministradas por el generadorfotovoltaico, almacenadas por las baterías y transferidas por el inversor. Si serompe la compatibilidad de potencias en esta cadena, la instalación no funcio-nará adecuadamente.

Una vez elegido el inversor capaz de convertir las potencias requeridas, esteestablecerá unos rangos de tensión a su entrada. Dicho rango marcará la ten-sión del acumulador, definiendo la configuración serie-paralelo de la conexiónde las baterías. Asimismo, esta tensión debe corresponder con la del generadorfotovoltaico; en consecuencia determinará también la configuración de la co-nexión de los paneles. Evidentemente, el regulador de carga tendrá que ser ele-gido en función de los valores de tensión y corriente generada y de las carac-terísticas del acumulador.

De esta manera podemos decir que debe existir una compatibilidad fotovoltaicaentre todos los componentes que conforman la instalación para conseguir uncorrecto funcionamiento de la misma.

Figura 54. Diagrama de compatibilidades



Unidad didáctica 5


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7. OTROS COMPONENTES

En este apartado abordaremos todos aquellos componentes de una instalaciónfotovoltaica que han quedado en el tintero y que no por ello son menos impor-tantes. También haremos hincapié en otros que, aunque ya hemos mencionado,no se han visto en profundidad.

7.1. DIODOS DE BLOQUEO Y DE PASO

Los diodos de bloqueo y paso tienen la función de proteger al generador foto-voltaico de los efectos negativos del sombreamientos parcial de este.

Una hoja depositada sobre una célula del panel fotovoltaico provoca que dichacélula pase de comportarse como generador a comportarse como carga, ab-sorbiendo la potencia generada por el resto de células del panel o de la serie depaneles. La potencia absorbida es disipada en forma de calor, lo que supone unsobrecalentamiento excesivo de la célula, que puede conducir a un daño irre-versible de esta. Este efecto se conoce como hot spots (puntos calientes). Elproblema puede evitarse colocando un diodo en paralelo a un reducido grupode células, de este modo, cuando una o varias células del grupo queden som-breadas, la corriente generada por el resto del panel circulará por el diodo, evi-tando así que la potencia tenga que ser disipada por la célula. Estos diodos,que dan un camino alternativo a la corriente cuando se produce el sombrea-

miento parcial de un panel, son llamados diodos de paso o diodos by-pass.

Los diodos by-pass son diodos de protección colocadosen los paneles fotovoltaicos para evitar el sobrecalenta-miento excesivo de una célula sombreada. Gracias a ellosse consigue que la corriente generada por el resto de gru-pos de células circule por el diodo en lugar de circular porla célula sombreada.



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Unidad didáctica 5


Otra situación que puede ocurrir es que el sombreamiento afecte a una fila ente-ra de paneles en serie. Al igual que antes, esta fila pasará a comportarse comocarga, absorbiendo la potencia generada por el resto del generador, aunque

ahora es difícil que pueda llegar a dañarse toda la fila. Este efecto causa unanotable reducción de la eficiencia de la instalación. Para evitar el problema bas-ta con colocar diodos en serie a la salida de cada fila para bloquear la circula-ción de corriente en sentido de entrada a la fila; los diodos que realizan estecometido son conocidos como diodos de bloqueo o antirretorno. Además, es-tos diodos evitarán que durante la noche las baterías se descarguen a través delos paneles fotovoltaicos.

Los diodos de bloqueo o antirretorno son diodos conec-

tados en serie a la salida de las filas para evitar que, cuan-do una de ellas quede sombreada, la corriente generadapor el resto de la instalación circule a través de esta, disi-pando la potencia generada y reduciendo la eficiencia dela instalación.

7.2. EQUIPOS DE MONITORIZACIÓN, MEDICIÓN Y CONTROL

Los equipos de monitorización, medición y control contribuyen a garantizar elbuen funcionamiento de la instalación, permiten el seguimiento de todas lasvariables que influyen en la generación fotovoltaica e, incluso, son de gran ayu-da a la hora de detectar averías. Desde el punto de vista de los propietarios deinstalaciones de conexión a red, estos sistemas les permiten conocer con cifrasla rentabilidad económica que están obteniendo de su inversión.

Por lo general, tanto el regulador de carga como el inversor llevan incorporadoslos equipos de medición y monitorización de las variables de la instalación.

En instalaciones aisladas, un regulador de carga convencional proporciona los

siguientes datos:

Tensión de batería.

Estado de la batería y fase de carga.

Temperatura actual y mínima/máxima histórica.

Energía acumulada (en Wh).

Potencia y corriente generada.

Potencia y corriente consumida.



Unidad didáctica 5


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En instalaciones de conexión a red el inversor proporciona los siguiente datos:

Energía diaria generada.

Potencia instantánea inyectada a red.

Factor de potencia de la energía inyectada a red.

Energía total producida.

Dinero total obtenido (en algunos modelos).

Horas totales durante las que se ha inyectado potencia a la red.

La mayoría de los modelos de inversores de conexión a red ofrecen la posibili-dad de enviar los datos vía radio o por cable. Estos datos pueden ser enviadosa un ordenador de control, a un teléfono móvil o a un servidor de Internet, y

pueden ser consultados desde cualquier lugar del mundo en tiempo real.En grandes plantas fotovoltaicas, los datos obtenidos del inversor no son sufi-cientes para un seguimiento total de la instalación, para ello se utilizan equiposindependientes de adquisición de datos.

Figura 55. Sistema de adquisición de datos y módem para enviarlos

Estos sistemas de adquisición de datos recogen la información proporcionadapor los inversores, por sensores de temperatura, viento e irradiación y la trans-miten a un procesador de datos que puede ser un ordenador o un servidor web.

Algunos fabricantes facilitan un portal web donde el usuario puede entrar en sucuenta desde cualquier punto de acceso a Internet y ver cómo está funcionandosu instalación.



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Unidad didáctica 5


Algunos fabricantes muestran en su web, de manera libre,los datos enviados en tiempo real de algunas instalaciones

que utilizan sus productos.En la siguiente dirección puedes encontrar datos reales yactuales de gran número de instalaciones:http://www.sunnyportal.com

7.3. APARAMENTA ELÉCTRICA DE CABLEADO, PROTECCIÓN YDESCONEXIÓN

Además de los principales elementos que conforman la instalación fotovoltaica,existen otros más discretos pero no menos importantes; hablamos de la apara-menta eléctrica de cableado, protección y desconexión. Gracias a estos ele-mentos se consiguen instalaciones fotovoltaicas fiables y seguras, se minimizanlos riesgos eléctricos que pueden sufrir las personas y se limitan los daños quepuede producir una avería.

Veamos a continuación en qué consisten estos elementos según su campo deaplicación.

Cableado

Fichas de conexión: permiten realizar una conexión firme y segura en-tre dos o más conductores. Es obligatorio su uso siempre que se vayaa realizar esta operación.

Protección

Fusibles: elementos de protección contra cortocircuitos. Cuando estos

se producen, la alta intensidad que provoca hace que se funda el fila-mento del fusible, evitando que esa altísima corriente alcance y dañelos equipos de la instalación.

Interruptor magnetotérmico: interruptor que abre el circuito cuandodetecta una intensidad superior de la que está tarado. Por tanto, prote-ge la instalación contra sobrecorrientes. Una vez disparado, tiene queser restablecido manualmente cuando se haya solventado el motivo dela sobrecorriente.

Varistores: elementos de protegen la instalación contra sobretensionesdebidas a descargas atmosféricas como rayos, electricidad estáticaatmosférica, etcétera.



Unidad didáctica 5


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Vigilante de aislamiento: un dispositivo de protección que, al detectarun fallo en el aislamiento en las instalaciones de corriente continua, abreel circuito; de este modo previene riegos de electrocución del personal.

Interruptor diferencial: dispositivo de protección que abre el circuitocuando detecta una diferencia de corriente entre dos fases, lo que sig-nifica de que parte de la corriente ha ido a tierra. De esta manera, pre-viene del riego de electrocución en caso de que una persona haga con-tacto con un conductor o parte metálica bajo tensión.

Desconexión

Seccionador: sistema electromecánico de accionamiento manual parala conexión/desconexión de circuitos eléctricos que operan a tensioneselevadas. El seccionador incorpora un muelle que hace que el contactosea desplazado a gran velocidad para evitar la formación de arco eléc-trico. En las instalaciones fotovoltaicas se utiliza para cortar la corrientecontinua de entrada al inversor, por tanto, separa el generador fotovol-taico del inversor.

Interruptor general manual: dispositivo de maniobra y seguridad quepermite cerrar el circuito de la instalación fotovoltaica y separarlo de lared general de la empresa distribuidora. Consiste en un interruptormagnetotérmico omnipolar con intensidad de cortocircuito superior a laindicada por la empresa distribuidora en el punto de conexión (normal-mente 6 kA). Será accesible a la empresa distribuidora para el caso dedesconexión manual de la instalación. Este dispositivo va conectadoaguas abajo del inversor, es decir, en el lado de alterna.

Interruptor automático a la interconexión: dispositivo con función devigilancia de tensión y frecuencia, encargado de permitir (o no), me-diante la actuación de un interruptor automático de interconexión, la in-yección de corriente en la red externa. Será un interruptor omnipolarpara la desconexión y la conexión automática de la instalación fotovol-taica en caso de pérdida de tensión o frecuencia nominal de la red, ac-cionado por relés de máxima y mínima tensión (1,1 y 0,85 Um, respec-tivamente, y menos de 0,5 segundos de tiempo de actuación) y demáxima y mínima frecuencia (51 y 49 Hz, respectivamente durante más

de 5 periodos). Estas protecciones, una vez comprobadas, deben que-dar precintadas por la empresa distribuidora. El rearme del sistema deconmutación y, por tanto, de la desconexión con la red de baja tensiónde la instalación fotovoltaica, será automático una vez restablecida latensión por la compañía distribuidora.

Muchos modelos de inversores ya llevan integrado el in-terruptor automático a la interconexión.



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Unidad didáctica 5


7.4. ESTRUCTURAS DE ORIENTACIÓN VARIABLE Y AUTOMÁTICA

Las estructuras de orientación variable y automática, también denominadas seguidores solares, permiten variar automáticamente la orientación e inclinaciónde los paneles fotovoltaicos para obtener la máxima irradiación solar en todomomento, lo que implica un aumento considerable del rendimiento de la instala-ción en comparación con estructuras fijas.

Se estima que el rendimiento de una instalación solar va-riable puede ser hasta un 45% superior al de una fija.

Para realizar su posicionamiento automáticamente, los seguidores solares in-corporan un autómata que ejecuta los movimientos mediante motores eléctricoso sistemas hidráulicos. El control de estos movimientos puede realizarse me-diante tres métodos:

Programación astronómica: consiste en un software que calcula, me-diante algoritmos matemáticos, la posición solar en cada momento.

Sensores de irradiancia: consiste en la utilización de sensores para de-

terminar la posición en la que se consigue captar mayor cantidad deenergía solar. Además, se le suele añadir un control adicional para po-sicionar horizontalmente la superficie captadora en caso de cielo cu-bierto o bajas irradiancias para captar la radiación difusa. Los sensoresutilizados pueden de tipo fotorresistivo, fotovoltaico o infrarrojo. Estesistema confiere mayor exactitud de posicionamiento que el de pro-gramación astronómica.

Mixto: está basado en los dos sistemas anteriores. En primer lugar, serealiza un posicionamiento aproximado mediante software astronómicoy a continuación, un ajuste fino mediante sensores de irradiancia.



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Figura 56. Seguidor solar de control por sensor

7.5. ELEMENTOS DE CONSUMO

Los elementos de consumo o cargas son los que van a determinar el tamaño ylas características de una instalación fotovoltaica aislada. De estos dependerá la

necesidad o no de utilizar un inversor y la potencia que debe ser capaz de su-ministrar, incluso pueden ser determinantes a la hora de calcular el ángulo deinclinación de los paneles fotovoltaicos en función de la estacionalidad del usode las cargas.

Podemos diferenciar cuatro tipos característicos de consumo de los sistemasfotovoltaicos:

Vivienda

Agrupa gran variedad de elementos de consumo que pueden ser tanto de co-

rriente continua como de corriente alterna. En la mayoría de los casos se requie-re un inversor, puesto que los electrodomésticos utilizados suelen ser de co-rriente alterna, ya que son más comunes y más económicos que los de conti-nua. También puede aprovecharse la salida de consumo del regulador de cargapara alimentar a corriente continua el sistema de iluminación.

Elementos de consumo como neveras, lavadoras o secadoras funcionan me-diante motores eléctricos, que requieren, en el momento del arranque, poten-cias varias veces superiores a la nominal. Es importante tener en consideracióneste tipo de cargas a la hora de elegir el inversor, puesto que este debe tener lasuficiente capacidad de sobrecarga como para suministrar la potencia necesariaen el momento de arranque de estos consumos, sin necesidad de tener quesobredimensionarlo.



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Unidad didáctica 5


Cuando los elementos de consumo son de corriente continua de baja tensión esmuy importante tener en cuenta la caída de tensión en el cable, especialmentesi estas se encuentran alejadas del regulador de carga y baterías. Puede ocurrir

que la tensión que llegue a la carga sea menor que el valor mínimo necesariopara su funcionamiento.

Analiza el siguiente ejemplo y observa la tensión final que le llega a la carga.

Supongamos que tenemos una lámpara de 25 W alimen-tada a 12 voltios de corriente continua. La lámpara se en-cuentra distante y se requiere una longitud de cable de 50metros para alimentarla. El cable utilizado es bipolar y de1,5 mm2 de sección. Vamos a calcular la tensión que lellega a la lámpara.

1.º Calculamos la resistencia que presenta el cable:

Ω=⋅Ω⋅

=⋅⋅

= 133,125,1

/·017,0502

2

2

mm

mmmm

S

L R

ρ

2.º Calculamos la intensidad que demanda la lámpara yque tendrá que circular por el cable:

AV

W

V

P I 08,2

12

25===

3.º Calculamos la caída de tensión en el cable:

V A R I V CABLE 36,2133,108,2 =Ω⋅=⋅=

Por tanto, la tensión que le llega a la lámpara es:

VLÁMPARA= 12 V - 2,36 V = 9,64 V

Iluminación

Uno de los servicios más demandado en los sistemas fotovoltaicos autónomoses la iluminación, principalmente para pequeñas instalaciones destinadas a do-tar de energía eléctrica a viviendas rurales, granjas, chalés, refugios, etcétera.



Unidad didáctica 5


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Figura 57. Sistema autónomo de iluminación mediante energía fotovoltaica

Existen numerosos tipos de iluminación, así que para seleccionar el más ade-cuado a los requerimientos del sistema fotovoltaico, hay que tener en cuentauna serie de criterios técnicos, entre los que destacaremos: flujo luminoso, efi-cacia, tiempo de vida y coste.

La luz emitida por una luminaria se define en términos deflujo luminoso, y su unidad de medida es el lumen (lm).

La eficacia luminosa vendrá dada en lúmenes por vatio depotencia, es decir, por el cociente entre la cantidad de luzque emite y la potencia absorbe (lm/W).

El tiempo de vida se define en términos del número dehoras de funcionamiento continuo con ciclos de encendi-do y apagado.

En la siguiente tabla se muestran las características de los principales tipos deiluminación.

Tipo de luz Lúmenes (lm) Eficacia (lm/w)

Candela 10-30 0,2

Lámpara de parafina 20-80 0,3

Lámpara de parafina presurizada 500-1.500 1,2

Lámpara de gas LPG 300-1.200 1

Incandescente (40 W) 400 10

Incandescente (60 W) 660 11



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Unidad didáctica 5


Tipo de luz Lúmenes (lm) Eficacia (lm/w)

Halógena (50 W) 1.000 20

Fluorescente (12 W) 600-3.000 50-75

Vapor de mercurio de alta presión (400 W) 4.000 40

Vapor de sodio alta presión (250 W) 25.000 99

La iluminación LED está entrando con fuerza en el merca-do, con eficacias cada vez mayores y precios más compe-titivos, por tanto es una opción para tener muy en cuenta.

En instalaciones fotovoltaicas se utilizan siempre lámparas de alta eficacia (bajoconsumo) desechando la posibilidad de utilizar lámparas de tipo incandescente,actualmente ya en desuso. Uno de los tipos más utilizados son los tubos fluo-rescentes, los cuales pueden ser alimentados a corriente continua mediante unpequeño balasto electrónico que convierte la corriente continua en señal de altafrecuencia.

Equipos autónomos

En este tipo de consumos hacemos referencia aquellos equipos tales como re-petidores de telecomunicaciones, estaciones meteorológicas, alimentación desistemas de radiotransmisión. Estos consumos son prácticamente constantes ydebe garantizarse su funcionamiento en las peores condiciones. Por lo generalfuncionan a corriente continua por lo que no requieren de inversor.

Bombeo de agua

Una aplicación muy común de los sistemas fotovoltaicos es la de alimentaciónde bombas de extracción de agua. Estos equipos son muy utilizados en para elabastecimiento de agua en zonas rurales o bien para riegos agrícolas.

Las bombas pueden ser de varios tipos pero todas ellas implican el uso de unmotor eléctrico, lo que supone una corriente de arranque elevada que deberáser tenida en cuenta a la hora de dimensionar la instalación.

El motor de la bomba puede ser de corriente continua o de corriente alterna, eneste último caso será necesario el uso de un inversor.

En los sistemas de bombeo, en lugar de utilizar baterías para almacenar laenergía, se utilizan depósitos para almacenar el agua, permitiendo de este mododisponer de ella en periodos de baja radiación solar. Se recomienda almacenaragua al menos para tres días.



Unidad didáctica 5


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Un elemento característico en instalaciones de bombeo con motor de corrientecontinua es el convertidor CC/CC cuya función es, por un lado, adaptar el valorde tensión de los paneles fotovoltaicos a la tensión de trabajo de la bomba y por

otro hacer trabajar al generador fotovoltaico en su punto de máxima potencia.

7.6. OTROS GENERADORES ELÉCTRICOS

En ocasiones, dependiendo de las condiciones climáticas y meteorológicas dellugar y de los requerimientos de consumo, la energía fotovoltaica no es suficien-te para suministrar toda la energía necesaria. En estos casos se requiere elaporte eléctrico de otro sistema generador.

Principalmente los generadores eléctricos utilizados en combinación con el ge-nerador fotovoltaico son pequeños aerogeneradores y/o grupos electrógenos.

7.6.1. PEQUEÑOS AEROGENERADORES

Son turbinas capaces de aprovechar la fuerza del viento y comunicarla al eje dede un generador, normalmente de corriente continua, acoplado a ellas. Por tan-to, trasforman la energía cinética del viento en energía eléctrica en forma decorriente continua. La potencia de estos pequeños aerogeneradores suele estarentre los 0,5 y 5 kilovatios.

Figura 58. Pequeño aerogenerador



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Unidad didáctica 5


7.6.2. GRUPOS ELECTRÓGENOS

Son motores de combustión en cuyo eje llevan acoplado un alternador (genera-dor de corriente alterna), que es capaz de producir energía eléctrica en forma decorriente alterna.

Figura 59. Grupo electrógeno

El grupo electrógeno puede ser conectado directamente a las cargas eléctricaso utilizarse para cargar las baterías, para lo cual se conectará a ellas a través deun cargador que rectifica la corriente alterna para transformarla a continua ycontrola la carga de las baterías.

En caso de requerimientos puntuales de gran consumo noresulta adecuado dimensionar la instalación fotovoltaicapara que sea capaz de suministrar la suficiente energía, re-sulta más práctico y económicamente más viable el apoyode un grupo electrógeno.

7.7. DISPOSITIVOS DE OPTIMIZACIÓN

Existen diferentes dispositivos para optimizar una instalación fotovoltaica:unos están destinados a maximizar la captación de radiación solar y otros aque la transformación de la energía solar en energía eléctrica sea lo más efi-ciente posible.

La mayoría de estos dispositivos, que vamos a ver a continuación, ya los cono-ces puesto que han ido apareciendo a lo largo de la unidad.

Seguidores solares: como sabes, su función es orientar la superficie decaptación solar para que la radiación incida de manera perpendicular aella, consiguiendo así la máxima captación de energía solar. Estos dis-positivos pueden elevar el rendimiento de la instalación hasta un 45%.



Unidad didáctica 5


100

Concentradores solares fotovoltaicos: estos dispositivos captan y con-centran la radiación solar por medio de lentes, proyectándola con ma-yor intensidad sobre una pequeña célula fotovoltaica de alta eficiencia.

Lo que se pretende es cambiar área de células por área de concentra-dor, mucho más económico, con lo que se obtiene mayor energía porunidad de superficie fotovoltaica. En el diseño de estos sistemas ha detenerse en cuenta que implican un importante incremento de tempera-tura en la célula y que por tanto, necesitarán un sistema de refrigera-ción apropiado.

Figura 60. Modulo fotovoltaico con concentrador solar

Seguidores del punto de máxima potencia del generador: como hemosvisto, el generador fotovoltaico proporciona la máxima potencia para unrégimen de trabajo concreto. El régimen de trabajo depende de la cargaen extremos del generador, por tanto, el punto de máxima potencia so-lo se obtendrá para un valor de carga específico. La función del segui-dor del punto de máxima potencia es variar la resistencia en bornes del

generador para conseguir que este trabaje en dicho punto, el cual varíaen función de la radiación solar incidente y de la temperatura de losmódulos.

Para cada valor de irradiación existe un punto de máximapotencia.



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Unidad didáctica 5


Figura 61. Curvas de máxima potencia

Los dispositivos seguidores del punto de máxima potencia de un generadorfotovoltaico vienen incorporados en los reguladores de carga, en los inversoresautónomos y en los convertidores CC/CC.

Diodos de bloqueo o antirretorno: estos diodos son un sencillo métodode optimizar determinadas instalaciones fotovoltaicas. En instalacionescon acumulador, un diodo antirretorno evita que las baterías se descar-guen durante la noche a través del generador fotovoltaico (durante lanoche la tensión del generador fotovoltaico puede ser inferior a la de labatería).

El regulador de carga incorpora un diodo antirretorno paraevitar que las baterías se descarguen durante la noche, porlo que no es necesario añadir uno externo.

Por otro lado, en instalaciones en las que la tensión de las filas es elevada,el sombreamiento de una de ellas puede causar que esta pase a funcionarcomo carga, disipando parte de la potencia genera por el resto de las filas.Esto supondría una importante reducción del rendimiento del sistema. Pa-ra evitarlo, se instalan diodos de bloqueo a la salida de cada fila, consi-guiendo así que la corriente no pueda circular por ellas con sentido de en-trada.



Unidad didáctica 5


102

8. APARATOS DE MEDIDA Y PROTECCIÓN

Los aparatos de medida y protección son partes de la instalación fotovoltaicaque vienen regulados por la normativa eléctrica vigente y por las normas im-puestas por la empresa distribuidora que compra la energía generada, en el ca-so de las instalaciones de conexión a red.

Aparatos de medida

En las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red, es necesario un contador

de energía a la salida del inversor. Este contador, al mismo tiempo que mide laenergía inyectada a la red, marca la frontera entre la instalación privada y lapropiedad de la compañía eléctrica. Una vez la energía atraviesa el contador, seconsidera vendida a la empresa distribuidora.

La función de los aparatos de media es contabilizar laenergía consumida por la instalación o la energía inyecta-da a la red, dependiendo de si se trata de un contador deentrada o de salida respectivamente, para posteriormente

realizar el cálculo económico pertinente en base a laenergía comprada y vendida.

Todos los elementos de medición de energía neta producida y consumida de-berán estar situados en un módulo ubicado a la salida de la instalación fotovol-taica y lo más cerca posible del punto de acometida a la red general, debiendoestar, además, adecuadamente señalizados e identificados.



103

Unidad didáctica 5


Las características de este módulo de salida serán las siguientes:

No está dotado de fusibles.

Será tipo armario para su instalación a la intemperie.

Será de doble aislamiento para instalación en interiores.

Cumplirá con las normativas de la empresa distribuidora.

Estará precintado por la empresa distribuidora.

Aparatos de protección

El Real Decreto 1663/2000, de 29 de septiembre, sobre Conexión de Instalacio-nes Fotovoltaicas a la Red de Baja Tensión , establece los elementos de protec-

ción con los que deben contar las instalaciones fotovoltaicas: Interruptor general manual: interruptor magnetotérmico con intensidad

de cortocircuito superior a la indicada por la empresa distribuidora en elpunto de conexión.

Interruptor automático diferencial, con el fin de proteger a las personasen el caso de derivación de algún elemento de la parte continua de lainstalación.

Interruptor automático de interconexión, para la desconexión-conexiónautomática de la instalación fotovoltaica en caso de pérdida de tensióno frecuencia de la red, junto a un relé de enclavamiento.

Protección para la interconexión de máxima y mínima frecuencia (51 y49 Hz, respectivamente) y de máxima y mínima tensión (1,1 y 0,85 Um,respectivamente).

El inversor podrá llevar integrados los interruptores automáticos de in-terconexión y en tal caso, las maniobras automáticas de desconexión--conexión serán realizadas por este. Solo se precisará disponer adicio-nalmente de las protecciones de interruptor general manual y de inter-ruptor automático diferencial, si se cumplen las siguientes condiciones:

Las funciones serán realizadas mediante un contactor, cuyo rear-me será automático una vez se restablezcan las condiciones nor-males de suministro de la red.

El contactor, gobernado normalmente por el inversor, podrá seractivado manualmente.

El estado del contactor (on/off) deberá señalizarse con claridad enel frontal del equipo, en un lugar destacado.

En caso de que no se utilicen las protecciones precintables parala interconexión de máxima y mínima frecuencia, y de máxima ymínima tensión mencionadas en este artículo, el fabricante del in-versor deberá certificar:



Unidad didáctica 5


10

Los valores de tara de tensión.

Los valores de tara de frecuencia.

El tipo y características del equipo utilizado internamente pa-ra la detección de fallos (modelo, marca, calibración, etc.).

Que el inversor ha superado las pruebas correspondientesen cuanto a los límites establecidos de tensión y frecuencia.

Toda instalación fotovoltaica conectada a red deberácumplir con la totalidad de las consideraciones técnicasexpuestas en:

Real Decreto 1663/2000. En los reglamentos electrotécnicos de baja y alta tensión.


Concédete un capricho. Felicítate por tu esfuerzo, estamosseguros de que te lo mereces.



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Unidad didáctica 5


CONCLUSIONES

Ahora ya tienes unos buenos conocimientos de los componentes que confor-man las instalaciones solares fotovoltaicas, conoces el gran abanico de posibili-dades que existe y eres capaz de diferenciar y seleccionar las opciones másapropiadas a cada instalación.

¿Serías capaz de determinar todos los componentes necesarios de una instala-ción conociendo únicamente las necesidades de consumo?



Unidad didáctica 5


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RECAPITULACIÓN

El efecto fotovoltaico consiste en aprovechar la energía radiante delSol, en forma de fotones, para generar electricidad por medio de uncristal formado por dos semiconductores de diferente carga.

Los fotones, al incidir sobre una unión PN, excitan sus electrones, po-niéndolos en movimiento, generando de este modo una corriente eléc-trica a través de un circuito externo.

La célula solar es el elemento fundamental para la conversión directade la energía solar en energía eléctrica, su principio de funcionamientoestá basado en el efecto fotovoltaico.

La intensidad generada por las células fotovoltaicas es proporcional ala radiación incidente sobre ellas, mientras que su tensión se mantieneprácticamente constante en un amplio rango de radiación.

Las células fotovoltaicas pueden ser de silicio cristalino o de silicioamorfo. Dentro de las de silicio cristalino podemos encontrar las mono-cristalinas, que son las que mayor rendimiento proporcionan, y las poli-cristalinas, con rendimientos más reducidos que las anteriores. Las desilicio amorfo son las que menor rendimiento presentan pero las quemás económicas y las que mejor operan en radiaciones bajas.

Un panel o módulo fotovoltaico es un conjunto de varias células foto-voltaicas conectadas en serie, debidamente ensambladas y protegidaspor un encapsulado que a la vez que permite la entrada de la luz lasprotege de elementos externos.

Los diodos by-pass son diodos de protección colocados en los panelesfotovoltaicos para evitar el sobrecalentamiento excesivo de una célulasombreada. Gracias a ellos se consigue que la corriente generada porel resto de grupos de células circule por el diodo en lugar de circularpor la célula sombreada.

Un seguidor solar de un eje puede incrementar la producción energéti-ca entre un 15 y un 25% respeto a una estructura fija.



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Unidad didáctica 5


Un seguidor solar de dos ejes puede llegar a incrementar la producciónenergética entre un 30 y un 45% respecto a una estructura fija.

En una instalación fotovoltaica, el voltaje de la batería, que es aproxi-madamente constante, es el que determina la tensión de funcionamien-to de los paneles.

Las baterías más apropiadas y utilizadas en instalaciones fotovoltaicasson baterías de plomo-ácido de tipo estacionarias.

La capacidad de una batería disminuye con la temperatura, mientrasque las temperaturas elevadas reducen la vida útil de la misma.

Está prohibido dejar las baterías en contenedores de recogida de basu-ra públicos, debiendo ser retiradas por empresas acreditadas o por lospropios fabricantes de baterías o instaladores.

El regulador de tensión es un dispositivo electrónico cuya misión es

proteger a la batería frente a sobrecargas y descargas profundas, loque permite alargar su vida útil.

El inversor es un dispositivo electrónico capaz de transformar la co-rriente continua en corriente alterna de características y valores deter-minados.

Un convertidor CC/CC es dispositivo capaz de adaptar la tensión delacumulador o del generador fotovoltaico a la tensión de trabajo de lacarga además de hacer trabajar al generador en su punto de máximapotencia.

Para cada valor de irradiación existe un punto de máxima potencia.

El valor medio instantáneo de una señal PWM describe una forma sinu-soidal, por este motivo, una señal PWM puede alimentar cargas sinu-soidales.

Los armónicos son componentes de la onda de corriente alterna desuministro eléctrico cuyas frecuencias son varias veces superiores a lafrecuencia fundamental (50 Hz en España). La energía de los compo-nentes armónicos no es energía útil, puesto que no puede ser utilizadapor las cargas para realizar trabajo.



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Unidad didáctica 5


AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿Mediante qué fenómeno se consigue la transformación de energía de

la radiación luminosa en energía eléctrica?

a) Efecto radiactivo.

b) Efecto lumínico.

c)

Efecto fotovoltaico.

d) Efecto solar.

2. ¿Cuál es el máximo rendimiento que puede obtenerse de los paneles

fotovoltaicos?

a) Entre el 3 y el 8%.

b)

Entre el 15 y el 18%.

c) Entre el 40 y el 50%.

d) Entre el 80 y el 90%.

3.

¿Qué se le hace al material semiconductor para favorecer el efecto

fotovoltaico?

a)

Calentarlo.

b) Endurecerlo.

c) Doparlo añadiéndole impurezas.

d)

Darle un recubrimiento brillante.



Unidad didáctica 5


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4.

¿Cómo afecta a la tensión y a la intensidad de un panel fotovoltaico el

aumento de la temperatura?

a) La intensidad aumenta ligeramente y la tensión disminuye apreciable-mente.

b)

La tensión aumenta ligeramente y la intensidad disminuye apreciable-mente.

c) Tanto la tensión como la corriente disminuyen apreciablemente.

d)

Tanto la tensión como la corriente aumenta considerablemente.

5. ¿Qué ocurre si una hoja se deposita sobre la célula de un panel sin pro-

tecciones, sombreándola por completo?

a)

El panel completo dejará de producir energía.

b) La célula pasará a funcionar como carga, disipando la potencia generadapor las otras células, pudiendo llegar a dañarse.

c) Al tratarse solamente de una célula el efecto es inapreciable.

d) La corriente generada por el panel disminuirá pero aumentará su tensión.

6.

¿Qué medida tomarías para que los paneles fotovoltaicos presenten

menor resistencia al viento?

a)

Aumentar su ángulo de inclinación.

b) Orientarlos hacia la dirección del viento predominante para que seanmás aerodinámicos.

c)

Orientarlos transversalmente a la dirección del viento predominante.

d) Guardar una separación mínima entre ellos de al menos tres centímetros.

7. ¿Qué parámetro característico del inversor nos indica la capacidad que

tiene para suministrar una potencia superior a la nominal?

a)

THD.b)

Regulación en potencia.

c) Capacidad de sobrecarga.

d) Capacidad potencial.



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Unidad didáctica 5


8. ¿Cómo conectarías una bomba de corriente continua para la extrac-

ción de agua al generador fotovoltaico?

a) A través de un inversor.

b)

A través del acumulador.

c) A través de un convertidor CC/CC.

d) A través de un regulador de carga.

9.

¿Qué dispositivo se encarga de conectar y desconectar automática-

mente la instalación fotovoltaica de la red en caso de incompatibilidad

de tensiones o frecuencias?

a) Interruptor automático a la interconexión.

b) Interruptor magnetotérmico.

c) Detector de compatibilidad fotovoltaica.

d)

Regulador de tensión.

10. ¿Qué tipo de panel es el mostrado en la imagen?

a) Monocristalino.

b)

Policristalino.

c)

Tetracristalino.

d) Silicio amorfo.



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Unidad didáctica 5


SOLUCIONARIO

1.

c 2.

b 3.

c 4.

a 5.

b

6. d 7. c 8. c 9. a 10. b



Unidad didáctica 5


11


Todos los componentes que hemos tratado en esta unidad están continuamentemejorando para obtener mayores rendimientos a costes más reducidos; portanto, te recomendamos que visites las páginas web de los fabricantes, consul-tes catálogos de productos y te metas en foros de energía fotovoltaica. De estemodo estarás informado de las innovaciones del sector.

Uno de los foros más activos que puedes visitar es el de Solarweb:

http://www.solarweb.net/forosolar/



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Unidad didáctica 5


BIBLIOGRAFÍA

BAYOD RÚJULA, A. Sistemas fotovoltaicos. Zaragoza: Prensas Univer-sitarias de Zaragoza, 2009.

SALGADO FERNÁNDEZ, J. M. Tecnología de las energías renovables.Madrid: AMV Ediciones, 2009.

LORENZO, E. Electricidad Solar . Ingeniería de los sistemas fotovoltai-cos. España: Progensa, 1994.

FERNÁNDEZ SALGADO, J. M. Compendio de energía solar, fotovoltai-ca, térmica, termoeléctrica. Madrid: AMV Ediciones, 2008.

LABOURET, A. y VILLOZ, M. Energía solar fotovoltaica, manual prácti-co. Madrid: AMV Ediciones, 2008.

Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (2002).





6

E_

T e x t o ( 0 1 ) . d o t

Emplazamientos y

dimensionado de una

instalación solar

fotovoltaica

D I P 2 7 8_

0 6_

V ( 0 1 )



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Unidad didáctica 6


ÍNDICE

MOTIVACIÓN ................................................................................................ 3

PROPÓSITOS ................................................................................................ 4

PREPARACIÓN PARA LA UNIDAD ........................................................................... 5

1. OPTIMIZACIÓN Y ELECCIÓN DE EMPLAZAMIENTOS.....................................................7

1.1. EMPLAZAMIENTOS RURALES ................................................................................................7

1.2. PROTECCIÓN CONTRA ROBOS Y ACTOS VANDÁLICOS .................................................................... 9

1.3. EMPLAZAMIENTOS URBANOS ..............................................................................................11

2. DIMENSIONADO DE LOS EMPLAZAMIENTOS POR UTILIZACIÓN Y APLICACIÓN .....................14

2.1. CÁLCULO DEL NÚMERO DE PANELES FOTOVOLTAICOS .................................................................. 15

3. CÁLCULO DE CONSUMOS ............................................................................. 22

4. DIMENSIONADO DE ALMACENAMIENTO.............................................................. 25

5. DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN CON APOYO DE AEROGENERADOR Y / O GRUPO

ELECTRÓGENO ......................................................................................... 28

6. CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA MEDIANTE SOPORTE

INFORMÁTICO U OTROS MEDIOS ..................................................................... 34

6.1. CARACTERIZACIÓN DE CARGAS ...........................................................................................35

6.2. CÁLCULO DE POTENCIA DE PANELES .....................................................................................35

6.3. ELECCIÓN DEL PANEL. DISEÑO Y DIMENSIONADO DEL ACUMULADOR ................................................37

6.4. DIMENSIONADO DEL REGULADOR ........................................................................................38

6.5. DIMENSIONADO DEL CARGADOR DE BATERÍAS ..........................................................................38



Unidad didáctica 6


2

6.6. DIMENSIONADO DEL INVERSOR.......................................................................................... 39

6.7. DIMENSIONADO Y CÁLCULO DEL AEROGENERADOR Y / O GRUPO ELECTRÓGENO DE APOYO ......................... 39

ANEXOS.....................................................................................................41

CONCLUSIONES ........................................................................................... 53

RECAPITULACIÓN ......................................................................................... 54

AUTOCOMPROBACIÓN .....................................................................................57

SOLUCIONARIO.............................................................................................61


BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 63



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Unidad didáctica 6


MOTIVACIÓN

La energía solar fotovoltaica proporciona, por un lado, un medio efectivo paraobtener energía eléctrica en lugares remotos y por otro, una inversión rentable alvender la energía generada mediante una conexión a red. Pero para que estetipo de instalaciones sean verdaderamente efectivas y rentables es necesariouna correcta elección del emplazamiento y un óptimo dimensionado de sus ele-mentos, de lo contrario la instalación podría resultar económicamente poco ren-table y deficientemente funcional.

Sin duda, un buen profesional del sector debe conocer con detalle los procedi-mientos de dimensionado para así poder ofrecer al cliente una instalación acor-de a sus necesidades y adaptada a su bolsillo.

¿No estas impaciente por conocer todo aquello que te va a llevar a ser un buenprofesional capaz de diseñar sistemas fotovoltaicos óptimos y rentables?

¡No pierdas más tiempo y vamos allá!



Unidad didáctica 6


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PROPÓSITOS

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

Diferenciar entre los distintos tipos de emplazamientos donde instalarun sistema fotovoltaico.

Reconocer que emplazamiento es más adecuado a cada tipo de insta-lación.

Proponer medidas antirrobo en las instalaciones.

Dimensionar una instalación solar fotovoltaica completa.

Determinar la conveniencia de utilizar instalaciones fotovoltaicas hibri-das con aerogenerador y/o grupo electrógeno.

Utilizar herramientas informáticas aplicadas al dimensionado y diseñode instalaciones fotovoltaicas.



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Unidad didáctica 6




Análisis de los emplazamientos para determinar cual se adapta mejor acada tipo de instalación.

Dimensionado del espacio necesario para un generador fotovoltaicocapaz de satisfacer una demanda de consumo.

Estimación de la demanda energética de una aplicación.

Dimensionado del sistema de acumulación.

Dimensionado de sistemas fotovoltaicos híbridos.

Calculo y dimensionado mediante soporte informático.



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Unidad didáctica 6


1. OPTIMIZACIÓN Y ELECCIÓN DE EMPLAZAMIENTOS

1.1. EMPLAZAMIENTOS RURALES

Los emplazamientos rurales o agrícolas son por lo general lugares óptimos parala instalación de sistemas fotovoltaicos, no solo debido al bajo precio de losterrenos en comparación con los urbanizables, sino también a la ausencia deconstrucciones que proyecten sobra y a la alta reflexividad del entorno, quecontribuye al aumento de la producción debido a la irradiación obtenida poralbedo.

A la hora de elegir un emplazamiento hay que considerar previamente una seriede factores para determinar su grado de aptitud:

Irradiación solar. Deberá hacerse un análisis de los posibles elementossombreantes y de la amplitud del horizonte desde el sureste al suroes-te. Además se analizaran los datos de irradiación mediante atlas sola-res o bases de datos de la zona donde se encuentra.

La latitud del lugar es un factor que influye en el ángulo de incidenciade la radiación solar, por tanto a latitudes más distantes del ecuador laenergía radiante incide de modo más oblicuo, lo que supone menorenergía por unidad de superficie.

El viento es un elemento que permite obtener mayor rendimiento de lainstalación puesto que refrigera los módulos fotovoltaicos. El rendi-miento diminuye con el aumento de la temperatura.

La altitud del emplazamiento es otro factor a tener en cuenta puestoque a mayor altitud más limpio es el aire y menor es su densidad, loque supone menor atenuación de la radiación solar.

Proximidad del emplazamiento a un punto de conexión de la red eléc-trica.



Unidad didáctica 6


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Los emplazamientos rurales suelen consistir principalmente en instalacionessobre techos o cubiertas de granjas o en campos fotovoltaicos

Techos de granjas

Las instalaciones fotovoltaicas sobre techos de granjas presentan la ventaja deque aprovechan superficies inservibles para otros fines, pudiendo calificar aestas ubicaciones de económicamente ideales. Otra ventaja destacable es sudificultad de acceso a personas ajenas, lo que supone menor exposición a ac-tos vandálicos y robos que otros tipos de ubicaciones, aun así no son inmunesa estos delitos.

En contra partida estas ubicaciones presentan limitaciones en cuanto a espacioy orientación y requieren de estructuras adaptadas a las características especí-

ficas de la cubierta, por lo que suelen ser más caras que las utilizadas en insta-laciones sobre superficies planas.

Figura 1. Instalación solar sobre el tejado de una granja

El techo de granja ideal sería una cubierta a un agua conorientación sur y una inclinación aproximada 10º inferior ala latitud del lugar. Así se conseguiría un máximo aprove-chamiento de la superficie y un mínimo requerimiento delas estructuras.



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Unidad didáctica 6


Campos fotovoltaicos

Se denomina campos fotovoltaicos a aquellas instalacio-nes solares fotovoltaicas conectadas a red, ubicadas enparcelas o terrenos agrícolas.

Los precios relativamente económicos de los terrenos agrícolas, sumado a laausencia de elementos sombreantes, y al elevado albedo de este tipo de entor-nos hacen que los campos fotovoltaicos sean una de las mejores opciones paragrandes instalaciones solares fotovoltaicas.

Los campos fotovoltaicos no suponen una limitación directa de la potencia de lainstalación como ocurre en los techos de granjas. Además pueden utilizarseestructuras estándar, lo que implica un precio mucho menor que las adaptadasa las características de una cubierta. Otro factor a valorar es la posibilidad deinstalar sistemas de seguimiento solar, aumentando considerablemente el ren-dimiento de la instalación.

Los campos fotovoltaicos requieren de sistemas antirrobo (alambradas, alar-mas, videovigilancia…) puesto que su fácil accesibilidad los hacen muy vulnera-bles a estas acciones.

1.2. PROTECCIÓN CONTRA ROBOS Y ACTOS VANDÁLICOS

Una gran parte de las instalaciones fotovoltaicas se encuentran en lugares ais-lados, alejados de las poblaciones y poco frecuentados, esto supone que unode sus principales problemas sea la vulnerabilidad que presentan en cuestiónde robos. Una instalación supone una gran inversión y un robo implica grandespérdidas económicas, en muchas ocasiones esto lleva a desechar la idea deinvertir en energía fotovoltaica.

Por estos motivos se han desarrollado gran cantidad de sistemas de proteccióncontra robos y actos vandálicos, estos sistemas van desde tecnologías rudi-mentarias hasta avanzados sistemas electrónicos capaces de localizar dondese encuentra el elemento robado.

A continuación se analizan algunos de los sistemas y procedimientos más utili-zados para evitar robos y actos vandálicos:

Pegado de los módulos fotovoltaicos mediante una resina a la estructu-ra o superficie donde van instalados. Aunque puede ser un método efi-caz, supone un problema a la hora de desmontar los módulos para susustitución o mantenimiento.



Unidad didáctica 6


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Estructuras de enrailado donde los módulos son introducidos por loslaterales, que posteriormente serán sellados mediante soldadura. Losmódulos pueden remacharse en varios puntos a la estructura para con-

seguir una protección adicional. Este sistema confiere una eficaz pro-tección pero también supone una laboriosa faena de reemplazamiento.

Alarma de activación al detectar que los paneles son desconectadosdel inversor. Estas alarmas no solo consisten en una avisador acústico,sino que transmiten por radiofrecuencia u otros medios la señal de alar-ma a una central de asistencia.

Fijación de los módulos y estructuras mediante tuercas bloqueantesantirrobo.

Vallado del campo fotovoltaico e instalación de sistemas de videovigi-lancia.

Inserción de un microchip en los elementos de la instalación. Este mi-crochip es capaz de enfocar las cámaras de seguridad a la zona dondese ha detectado la incidencia y es posible un rastreo mediante GPS quepermite localizar los objetos robados.

Cada día se van desarrollando nuevos sistemas antirrobomás eficaces y difíciles de burlar, por ello es convenientemantenerse al día de los productos que oferta el mercadopara conseguir la mayor protección.

Figura 2. Campo fotovoltaico vallado



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Unidad didáctica 6


No solamente deben tomarse medidas contra el robo de los paneles fotovoltai-cos sino también del resto de sistemas de la instalación como inversores, acu-muladores, reguladores de carga, etcétera. Para ello se recomienda que estén

ubicados en un habitáculo o caseta de obra con cerradura de seguridad.

1.3. EMPLAZAMIENTOS URBANOS

Dado el elevado precio de los terrenos urbanizables y el escaso suelo disponibleen áreas urbanas, las instalaciones fotovoltaicas en estos emplazamientos nun-ca se encuentran sobre el terreno, sino que se aprovechan superficies de edifi-caciones, tales como techos de viviendas, fachadas, aparcamientos o cubiertasde naves industriales principalmente.

Techos de viviendas

Comúnmente los techos de viviendas unifamiliares son inclinados a dos aguas,en este tipo de ubicaciones solo será aprovechable el lado inclinado con orien-tación Sur o Sureste y por lo general se utiliza la propia inclinación del tejado apesar de que diste ligeramente de la inclinación ideal, puesto que supone unimportante ahorro en estructuras así como mejor estética y menor resistencia alviento.

Figura 3. Instalación fotovoltaica sobre techo de vivienda unifamiliar

Si hacemos referencia a bloques de viviendas es común que las azoteas seanplanas en cuyo caso se requerirá de estructuras que provean de la inclinaciónóptima a los módulos fotovoltaicos. Deberá hacerse un estudio tanto de los ele-mentos que puedan causar sombras sobre los paneles (chimeneas, antenas,cercas…) como del máximo aprovechamiento de la superficie disponible te-niendo en cuenta el espacio mínimo entre filas de paneles para evitar sombrasentre ellos.



Unidad didáctica 6


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Figura 4. Instalación sobre techo plano de bloque de viviendas

En instalaciones fotovoltaicas en azoteas de bloques deviviendas es importante diseñar correctamente la trayec-toria y canalizado de los cables evitando el contacto contuberías de agua caliente o chimeneas.

Fachadas

Las fachadas con orientación sur son unas de las superficies más expuestas ala radiación solar por eso su aprovechamiento para la producción de electrici-dad mediante paneles solares fotovoltaicos es una opción a tener en cuenta quepuede retribuir considerables beneficios a las comunidades de vecinos.

Figura 5. Integración fotovoltaica en fachadas



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Unidad didáctica 6


Aparcamientos

Los aparcamientos de centros comerciales o servicios públicos como estacio-

nes, o aeropuertos ocupan un gran área que puede ser aprovechada para lainstalación de sistemas fotovoltaicos en sus cubiertas obteniendo, una granrentabilidad de estas superficies.

Figura 6. Instalación fotovoltaica integrada en aparcamiento

Cubiertas de naves industriales

Muchas empresas buscan rentabilizar las cubiertas de sus naves industrialesmediante instalaciones fotovoltaicas y así reinvertir parte de sus beneficios.

Por lo general las cubiertas de naves industriales suelen ser planas o con muypoca inclinación y en consecuencia se requiere de estructuras que proporcionena los módulos el ángulo óptimo de inclinación.

Figura 7. Instalación solar fotovoltaica en cubierta de nave industrial



Unidad didáctica 6


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2. DIMENSIONADO DE LOS EMPLAZAMIENTOS PORUTILIZACIÓN Y APLICACIÓN

En instalaciones de conexión a red la potencia vendrá determinada o bien por elpresupuesto de que se disponga, sería el caso de campos fotovoltaicos; o bienpor la superficie disponible, como podría ser el caso de una instalación sobretecho de vivienda o cubierta de nave industrial, donde se buscará aprovechar almáximo el espacio disponible.

Sin embargo en instalaciones aisladas cuyo propósito es satisfacer una deman-da de consumo, el número de paneles fotovoltaicos vendrá determinado pordicho consumo y la irradiación solar incidente en ese lugar.

El dimensionado de un emplazamiento para una instala-cion fotovoltaica aislada tendrá una relación directa con elnúmero de módulos fotovoltaicos necesarios para satisfa-cer la demanda de consumo.

Para dimensionar un emplazamiento habrá que considerar los siguientes pará-metros y factores:

Potencia de los consumos y frecuencia de uso.

Irradiación solar en la zona de la ubicación.

Potencia nominal de los paneles fotovoltaicos a utilizar.

Dimensiones de los paneles fotovoltaicos.

Grado de inclinación de los módulos fotovoltaicos.

El dimensionado es el proceso de diseño mediante el cualse determina el tamaño de los diferentes elementos ofactores de una instalación.



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Unidad didáctica 6


Para realizar el dimensionado de un emplazamiento habremos de calcular prin-cipalmente:

El número de paneles necesarios para satisfacer la demanda

La distancia que habrá que guardar entre filas de paneles para evitarque se proyecten sombra entre ellos.

2.1. CÁLCULO DEL NÚMERO DE PANELES FOTOVOLTAICOS

Existen diversos métodos para el dimensionado de instalaciones fotovoltaicasaisladas, nosotros vamos a utilizar el “método de mes peor método de mes peor método de mes peor método de mes peor ”. Es uno de los másutilizados dada su sencillez y buenos resultados, aunque al trabajar solo con un

mes, en determinadas situaciones, no optimiza la instalación.

El método de mes peor consiste en dimensionar la instala-ción para que funcione correctamente durante el mes cu-ya relación entre radiación y consumo es más desfavora-ble. Si la instalación funciona correctamente durante estemes también lo hará en el resto.

Todo proceso de dimensionado consta de tres partes fundamentales:

Estimación de la demanda energética o necesidades que se han de cu-brir.

Evaluación de la energía solar disponible.

Cálculo y elección de los componentes de la instalación.

Estimación de la demanda energética

Los datos de consumo pueden obtenerse a partir de:

Valores medidos en años anteriores, a partir de la lectura de contadoreso facturas eléctricas.

Especificación de la potencia eléctrica de los equipos de corriente al-terna y continúa con el número de horas diarias de funcionamiento es-timado.

Lo ideal sería conocer de modo preciso los consumos en función del tiempopero esto solo es posible para cargas de consumo constante o predecible comopudieran ser sistemas de telecomunicaciones o alumbrado público.



Unidad didáctica 6


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En sistemas fotovoltaicos autónomos es necesario cono-

cer detalladamente las necesidades y deseos del usuario,estos son el eje fundamental de diseño. Si una instalaciónse dimensiona sin conocer estas necesidades, podría re-sultar excesivamente cara o, por el contrario, podría nosuministrar la energía demandada.

Para obtener el número de paneles necesarios por el método de mes peor ne-cesitaremos calcular el consumo medio diario de cada mes, dicho cálculo loveremos en detalle en el próximo epígrafe.

Evaluación de la energía solar disponible

Para dimensionar una instalación fotovoltaica es necesario conocer los valoresde energía solar incidente en la zona donde se va a ubicar. Para obtener estosvalores recurriremos a la consulta de atlas solares o a bases de datos irradia-ción solar por provincias. Estas fuentes nos proporcionan los valores de irra-diancia (energía por unidad de superficie) media diaria de cada mes, correspon-diente a una superficie plana horizontal.

Para obtener el valor de irradiancia de una superficie inclinada con orientaciónsur, existen tablas donde, en función del grado de inclinación de los paneles y lalatitud de la ubicación, se indica el factor de corrección (k) correspondiente, por

el que hay que multiplicar la irradiancia sobre superficie horizontal.

Recordar que tenéis a vuestra disposición los anexos de launidad didáctica al final del tema, donde podréis consultartablas con datos sobre irradiación y el factor de correcciónk

Para realizar el dimensionado por el método de mes peor necesitaremos cono-cer los valores de irradiación media diaria en cada mes para el ángulo de incli-

nación que consideremos óptimo.

Para elegir el ángulo optimo de inclinación analizaremos en qué época del añotienen lugar las condiciones más “desfavorables” para la instalación. Normal-mente coincidirá con el mes de menor radiación solar, que generalmente es di-ciembre. Pero puede darse el caso de que el mayor consumo se produzca ve-rano, permaneciendo la instalación prácticamente sin uso durante el invierno,como podría ser el caso de residencias vacacionales. Por ello deberá analizarsedetenidamente donde va ser aplicada la instalación y cual va a ser el uso quese le va a dar.



17

Unidad didáctica 6


La siguiente tabla nos indica los ángulos de inclinación óptimos dependiendodel periodo de diseño, es decir dependiendo de que mes se desea conseguir lamáxima captación posible de energía solar.

Periodo de diseñoPeriodo de diseñoPeriodo de diseñoPeriodo de diseño βoptoptoptopt

Diciembre (invierno) + 10

Julio (verano) – 20

Anual - 10


Una vez hemos decidido el ángulo de inclinación de los paneles y conocemos lairradiancia sobre una superficie plana correspondiente a la ubicación de la insta-

lación podemos calcular del valor de irradiación (H) sobre una superficie inclina-da un ángulo β de la siguiente manera:

H = Hhorizontal · k

Calcularemos las irradiancias medias diarias de todos los meses del año co-rrespondientes al ángulo de inclinación tomado para los paneles. (H (enero)…H (diciembre) )

Las tablas de irradiación solar pueden dar los valores enunidades de MJ/m2/día o en kWh/m2/día. Para efectuar loscálculos es necesario expresar la irradiación enkWh/m2/día puesto que la energía de consumos la obte-nemos en Kwh/día. Para transformar los MJ/m2/día enkWh/m2/día los dividiremos entre 3.6.

3.6 MJ/m2/día = 1 kWh/m2/día

El siguiente paso es comprobar la relación entre irradiación y consumo, paradeterminar cual es el mes más crítico y conocer la energía necesaria y la energíadisponible.

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

H

Ec

H /Ec



Unidad didáctica 6


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Se desea dimensionar por el método de mes peor una instalación fotovoltaica paraabastecer el consumo de una vivienda, esta vivienda se encuentra en la ciudad de

Teruel (Latitud 40º). La demanda energética media diaria de cada mes en kWh/día esla mostrada en la siguiente tabla:

E F M A M J J A S O N D

EC 1,38 1,35 1,34 1,3 1,35 1,32 1,29 1,28 1,29 1,32 1,34 1,31

¿Cuál será el mes crítico con el que deberemos centrarnos para realizar el dimensio-nado?

1º- Consultando las tablas de irradiación solar sobre superficie horizontal de losanexos, obtenemos la radiación media diaria en Teruel en unidades de Mj/m2/día.


Hh 6,1 8,8 12,9 16,7 18,4 20,6 21,8 20,7 16,9 11 7,1 5,3

2º- Observa que los valores de la tabla vienen dados en Mj/m2/día y nos interesa te-nerlos en kWh/m2/día. Para ello será necesario dividir los valores anteriores entre 3,6.

3º- Como el consumo es prácticamente constante a lo largo del año podemos supo-ner que el mes crítico corresponderá a uno de los meses de invierno, por tanto da-

remos un ángulo de inclinación a los paneles de 40º+ 10º; β = 50º.4º- Con el ángulo de inclinación obtenido podemos aplicar el factor de correcciónconsultando la tabla de Latitud 40º y la fila de incitación 50º, asi obtendremos la irra-diación media por metro cuadrado para el una superficie con una inclinación de 50º.

El la siguiente tabla se muestra el resultado. Hβ[kWh/m2/día] = Hh x K/3,6


Hβ 2,39 3,13 4,05 4,55 4,44 4,75 5,26 5,69 5,54 4,25 3,04 2,23

Finalmente calculamos la relación entre la irradiación disponible y el consumo previs-

to:E F M A M J J A S O N DDDD

Hβ/EC 1,73 2,31 3,02 3,50 3,28 3,60 4,07 4,44 4,29 3,21 2,26 1,701,701,701,70

Buscando el valor más bajo de la relación obtenemos que es diciembre el mes peor,por tanto para los cálculos de dimensionado tomaremos los valores de radiación yconsumo de este mes.



19

Unidad didáctica 6


Con los valores de irradiancia y consumo del mes más critico (el menor valor deH /Ec ) podemos calcular la potencia mínima necesaria del generador fotovoltai-co utilizando la siguiente formula:

PR H

G Ec P CEM

FV ⋅

⋅=

β

min )(

Donde:

Ec = Consumo medio diario del mes crítico, expresado en kWh/día

GCEM = Radiación en condiciones estándar de medida. Su valor essiempre 1kW/m2

Hβ = Irradiación solar media diaria sobre una superficie inclinada un án-

gulo β, del mes crítico. PR = (Performance Ratio) Rendimiento de la instalación. Por lo general

se toma un valor de 0,7 para instalaciones con inversor sin acumuladory de 0,6 para instalaciones con inversor y acumuladores.

Conociendo la potencia minima necesaria del generador fotovoltaico podemoscalcular el número de paneles necesarios dividiéndola por la potencia de cadapanel, es decir:

P

FV

P

P paneles N

min )( º =

Si el resultado obtenido de la operación no es un número entero tomaremoscomo resultado el inmediatamente superior.


Basándonos en los datos obtenidos en el ejemplo anteriorcalcula la potencia minima necesaria del generador foto-voltaico y el número de paneles necesarios si la potencia

pico de cada uno de ellos es de 100 W.

La instalación incorpora acumulador e inversor y se puedeconsiderar que su rendimiento es del 60%.

SoluciónSoluciónSoluciónSolución::::

W dia m kWh

m kW dia kWh

PR H

G Ec P CEM

FV 979

60232

1311

2

2

=⋅

⋅=

⋅

⋅=

, / / ,

/ / ,min )(

β

paneles W

W

P

P paneles N

P

FV 10799

100

979⇒=== ,

min )( º



Unidad didáctica 6


20

Una vez conocido el número de paneles necesarios, las dimensiones de estos(dadas por el fabricante) y el ángulo de inclinación, podemos calcular el espacionecesario para el emplazamiento del generador fotovoltaico. Aunque tendremos

que calcular previamente la distancia que habrá que guardar entre filas de pane-les para evitar que se proyecten sombra entre ellos.

Para calcular la distancia entre filas de paneles aplicaremos la siguiente fórmula:

β β

Cos L Latitud

Sen L d ·

)ºtan(

·min +

−=

61

Donde, recordemos que:

L: Longitud del captador

β : Angulo de inclinación del captador

La siguiente figura ilustra los factores que intervienen en el cálculo del sombreado:

hb

L

h

a b

d min

s

Figura 8. Ilustración para el cálculo de distancia entre filas de colectores solares

Finalmente para obtener la superficie mínima necesaria para la ubicación delgenerador fotovoltaico calcularemos la longitud total, que será la distancia míni-ma entre filas multiplicada por el número de filas menos una; más la distanciahorizontal que ocupa la última fila. Esta longitud total la multiplicaremos por laanchura de cada fila, que se obtendrá de la suma de la anchuras de todos los

paneles más la suma de las distancias de separación entre ellos. Es decir:

(SFV )min = [ dmin · (nºfilas -1) + L · Cos ] · [nºpaneles/fila · apanel + (nºpanles/fila – 1) · dsep ]

Donde:

dmin: Distancia mínima entre filas para evitar sombreamiento. Previa-mente calculada.

nºfilas: Número de filas de paneles fotovoltaicos que conforman el gene-rador.



21

Unidad didáctica 6


: Angulo de inclinación de los paneles fotovoltaicos.

nºpaneles/fila: Numero de paneles que tiene cada fila.

apanel: Anchura de cada panel. dsep: Distancia de separación entre los paneles de una misma fila.

Para el cálculo del dimensionado de los emplazamientospor el método de mes peor, seguiremos los siguientes pa-sos:

Estimación de la demanda energética media diariade cada mes.

Evaluación de la energía solar disponible. Irradiaciónmedia diaria de cada mes para el ángulo de inclina-ción tomado.

Tomar los valores de irradiación y consumo delmes más crítico obtenido de observar la relación en-tre los puntos anteriores.

Calcular el número de paneles necesarios para satis-facer la demanda.

Calcular la superficie total de la ubicación del gene-rador fotovoltaico.



Unidad didáctica 6


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3. CÁLCULO DE CONSUMOS

Como ya hemos mencionado anteriormente los datos de consumo pueden ob-tenerse a partir de:

Los valores de las lecturas de contadores o facturas eléctricas.

La potencia eléctrica de los equipos de corriente alterna y continúa porel número de horas diarias de funcionamiento estimado.

Para realizar la estimación del consumo es necesario queel usuario final de la instalación nos de indicaciones de losaparatos que desea utilizar y sus hábitos de consumo.

Para obtener una estimación del consumo en función de los aparatos o equiposque se van a utilizar haremos el siguiente análisis:

Evaluaremos por separado los consumos de corriente continua y los de

corriente alterna.

Los consumos de corriente alterna son suministrados des-de una salida del regulador de carga de las baterías mien-tras que los de corriente alterna son suministrados desdela salida del inversor.



23

Unidad didáctica 6


Para evaluar el consumo necesitaremos conocer la potencia nominal decada dispositivo. Este dato lo encontraremos en la placa de caracterís-ticas del mismo.

Tendremos que hacer una estimación del número de horas diarias deuso de cada aparato lo más cercana posible a la realidad. En caso deaparatos que no se utilicen diariamente como puede ser el caso de lalavadora, haremos su estimación semanal y dividiremos entre 7 el valorobtenido para sumarlo al consumo diario.

Para cada mes se estima el consumo medio diario mediante la realiza-ción de un inventario de los diferentes equipos eléctricos de c. a. y c.c., indicando su potencia y tiempo estimado de utilización diaria.

El consumo diario de energía en continua, Ecc en Wh/día, lo calcu-laremos mediante la siguiente expresión:

Ecc = Pcc,1.h1 + Pcc,2.h2 + Pcc,3.h3 +...+ Pcc,i.hi

Donde:

Pcc,i: potencia del aparato i de corriente continua, en W.

hi: horas de utilización diaria del aparato i.

Análogamente, el consumo diario de energía en alterna, Eca enWh/día, vendrá dado por la siguiente expresión:

Eca = Pca,1 · h1 + Pca,2·h2 + Pca,3 · h3 +...+ Pca,i · hi

Donde:

Pca,i: potencia del aparato “i” de corriente alterna, en W.

hi: horas de utilización diaria del aparato “i” .

El consumo diario total, EC en Wh/día, vendrá dado por la suma de losconsumos de alterna y continua, teniendo en cuenta los rendimientosdel regulador e inversor; por lo tanto, tendremos:

invreg

ca

reg

cc

C

E E E

η η η ·+=

Donde:

reg: Rendimiento del regulador en tanto por uno. Se puede consi-derar un valor medio de 0,9.



Unidad didáctica 6


24

inv: rendimiento del inversor en tanto por uno. Aunque dependedel tipo de inversor y carga a la que está trabajando se puedeconsiderar un valor medio de 0,85.


Calcula el consumo diario total (EC) de una instalación enla cual se prevén las siguientes cargas:

AparatoAparatoAparatoAparato TipoTipoTipoTipo Pn [W]Pn [W]Pn [W]Pn [W] CantidadCantidadCantidadCantidad h/díah/díah/díah/día

Lámpara DC 20 5 3

Nevera DC 150 1 10

TV AC 220 2 3

Microondas AC 800 1 0,5

PC AC 150 1 2

El regulador de carga tiene un rendimiento del 92% y elinversor del 88%.


Ecc = 20·5·3 + 150·1·10 = 1800 Wh/día

Eca = 220·2·3 + 800·1·0,5 + 150·1·2 = 2020 Wh/día

día Wh día Wh día Wh E E

E

inv reg

ca

reg

cc C / ,

,·,

/

,

/

·574451

880920

2020

920

1800=+=+=

η η η


Si en algún momento te bloqueas o simplemente no en-tiendes algún término o descripción, ponte en contactocon tu tutor, tu profesor de prácticas o tu entrenador. Elloste pueden ayudar.



25

Unidad didáctica 6


4. DIMENSIONADO DE ALMACENAMIENTO

La capacidad de la batería se calcula en función del número de días de auto-nomía (N), del consumo medio diario (EC ), y de la profundidad de descarga (PD).

A partir de estos parámetros seguiremos los siguientes pasos para dimensionarel sistema de acumulación:

La capacidad útil del sistema de acumulación (Cu), tendrá que asegurarque satisfacen las necesidades diarias de consumo para el número dedías de autonomía establecido. Por cuestiones de seguridad se aumen-

tará esa capacidad en un 10%:

Cu = 1,1 · EC · N [Wh]

Normalmente se establecen entre 4 y 6 días de autonomíapara viviendas rurales y más de 10 días para equipos deuso profesional. (El IDAE recomienda al menos 3 días deautonomía)

La capacidad se expresa normalmente en Ah, por lo que tendremos quedividir el valor obtenido en Wh por la tensión nominal de la instalación, VN:

N

C u

V

N E C

··,11= [Ah]



Unidad didáctica 6


26

La capacidad nominal (Cn), del sistema de acumulación se calculará apartir de la capacidad disponible (Cu), en función de la profundidad dedescarga (PD) permitida:

N

C u n

V PD

N E

PD

C C

···,11

== [Ah]

Suele tomarse un valor de profundidad de descarga máximapermitida del 70% (0.7) para aplicaciones de vivienda y de un90% (0.9) para otras aplicaciones.

En la fórmula el valor de PD vendrá dado en tanto por uno

Se elegirá el modelo de batería que nos proporcione el fabricante cuyacapacidad nominal más se aproxime a la capacidad nominal de diseñocalculada.

Si elegimos para nuestro sistema una batería formada por vasos o ele-mentos, el número de estos en serie, Nvasos, serie, se calculará como elcociente entre la tensión nominal de la instalación, VN, y la tensión no-minal de cada vaso o elemento, Vvaso.

vaso

N serie vasos

V

V N =,

La tensión nominal de un vaso o elemento de Pb-ácido esde 2 V y de un vaso de Ni-Cd de 1,2 V.

Del mismo modo, en caso de elegir baterías monobloc, el número de baterías enserie, Nbaterías, serie, se puede calcular como el cociente entre la tensión nominal dela instalación, VN, y la tensión nominal de cada batería, Vbatería.

bateria

N serie baterias

V

V N =,



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Unidad didáctica 6


Si, por ejemplo, la tensión nominal de una instalación esde 24 V y escogemos baterías monobloc de Pb-ácido de

12 V de tensión nominal, necesitaremos 2 de estas bater-ías conectadas en serie; mientras que si la batería escogidaes de vasos o elementos de Pb-ácido, serán necesarios 12de estos vasos o elementos conectados en serie.

Aunque no es recomendable conectar baterías en paralelo, debido esencialmen-te a que la degradación de las baterías no es homogénea (las baterías no secargan y descargan en la misma proporción) y a la posible aparición de corrien-tes parásitas entre ellas (las corrientes producidas por unas baterías en lugar deir hacia los consumos van hacia otras baterías), en caso de ser necesario, elnúmero de baterías en paralelo se puede obtener como el número entero supe-rior al cociente entre la capacidad necesaria de batería, Cn, y la capacidad no-minal del modelo de batería seleccionado, Cbatería.

bateria

n paralelo baterias

C

C N =,


Calcula la capacidad nominal del acumulador y el númerode vasos de Pb-ácido conectados en serie que se necesi-tan para una instalación fotovoltaica en la que se ha esti-mado una demanda energética de 4081 Wh/día. La ten-sión CC nominal de la instalación es de 24 Voltios, se des-ea que tenga una autonomía de 5 días y la profundidad dedescarga máxima admisible para el acumulador se esta-blece en el 70%.


Ah V

días día Wh

V PD

N E

C N

C

n 1336

2470

540811111

=⋅

⋅⋅

== ,

/ ,

·

··,

vasos vaso V

V

V

V N

bateria

N serie baterias 12

2

24===

/ ,


Encontrarás más información sobre este tema en

www.masterd.es.



Unidad didáctica 6


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5. DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN CON APOYO

DE AEROGENERADOR Y/O GRUPO ELECTRÓGENO

Existen situaciones en las que dimensionar una instalación solar fotovoltaicapara que pueda suministrar la energía requerida en el peor mes puede dar comoresultado una instalación sobredimensionada durante el resto de los meses,bien sea porque la radiación solar durante dicho mes es muy baja, o porque elconsumo es anormalmente alto. Este sobredimensionado implica un elevadocoste económico que lleva a buscar otras soluciones como el apoyo de otrossistemas generadores, como puede ser un pequeño aerogenerador o un grupo

electrógeno.

En caso de requerimientos puntuales de gran consumono resulta óptimo dimensionar la instalación fotovoltaicapara que sea capaz de suministrar la energía requerida enesos instantes, resulta económicamente más rentable elapoyo de un grupo electrógeno.

También puede darse el caso de que no se disponga del espacio suficiente parael generador fotovoltaico que se requiere, y se necesite de un sistema genera-dor adicional. Por otro lado al hacer un estudio económico de la instalaciónpuede resultar menor coste económico la incorporación de un pequeño aeroge-nerador para la misma producción energética, manteniendo o mejorando la fia-bilidad de la instalación. Hay que tener en cuenta que en una instalación hibridade energía fotovoltaica y energía eólica disminuye el requerimiento de días deautonomía, lo que supone una reducción de la capacidad de acumulación nece-saria y por tanto un menor coste de esta parte de la instalación.



29

Unidad didáctica 6


En una instalación hibrida fotovoltaica-eólica se reduce la

probabilidad de permanecer varios días con baja genera-ción eléctrica, por tanto disminuye el requerimiento dedías de autonomía, lo que supone, un ahorro económicoen los acumuladores que puede ser mayor que el costeadicional del aerogenerador frente a los paneles fotovol-taicos que sustituye.

Para el dimensionado de instalaciones hibridas o mixtas se partirá del motivo desu elección, pudiendo encontrar principalmente los siguientes casos:

1. Corto periodo de tiempo con muy baja radiación solar, que supondríauna instalación fotovoltaica muy sobredimensionada el resto del año.

2. Requerimientos puntuales de gran consumo.

3. Espacio insuficiente para la colocación de todos los paneles fotovoltai-cos necesarios para satisfacer la demanda

4. Meses con largos periodos de muy baja radiación solar, lo que requerir-ía dimensionar el acumulador para muchos días de autonomía (más de6 días en el caso de viviendas).

5. Haciendo un estudio económico se ha demostrado que para las condi-

ciones climatológicas y de uso de la instalación resulta más rentableuna instalación hibrida que una fotovoltaica simple.

Para los dos primeros casos se recomienda el apoyo de un grupo electrógeno,pues son casos puntuales para los que no resulta óptimo dimensionar la insta-lación para satisfacer la demanda en esos cortos periodos de tiempo.

En el primer casoprimer casoprimer casoprimer caso se elegirá un grupo electrógeno cuya potencia eléc-trica de salida sea capaz de proporcionar la energía media diaria reque-rida. El grupo electrógena tendrá como finalidad directa el cargar lasbaterías por tanto irá conectado a ellas a través de un cargador.

En el segundo casosegundo casosegundo casosegundo caso se elegirá un grupo electrógeno cuya potenciaeléctrica de salida sea capaz de alimentar directamente a la carga pun-tual de gran consumo.

Para el resto de los casos (3, 4 y 5) la solución optima es una instalación mixtaformada por generador fotovoltaico y aerogenerador. En este tipo de instalacio-nes, como ya hemos mencionado, el número de días de autonomía requeridos esmenor y se establece entorno a tres, pudiendo ser inferior si queda justificado.

En el tercer casotercer casotercer casotercer caso se colocaran tantos paneles fotovoltaicos como que-pan en el espacio disponible y el resto de energía para satisfacer elconsumo medio diario deberá ser aportado por el aerogenerador. El



Unidad didáctica 6


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dimensionado del sistema se realizara del modo que ya conocemos. Elaporte de energía del generador fotovoltaico quedara limitado al nume-ro de paneles que puedan instalarse y el resto deberá suplirlo el aero-

generador. En cuanto al dimensionado de los acumuladores podrá re-ducirse el número de días de autonomía.

En el cuarto casocuarto casocuarto casocuarto caso el objetivo es reducir el número de días de autonom-ía, reduciendo la capacidad de los acumuladores y proporcionandomayor fiabilidad a la instalación. Para ello calcularemos el requerimientode consumo de la vivienda o aplicación y analizaremos el mes máscrítico conociendo la radiación solar de la zona, como hemos hechohasta ahora. Una vez conocemos la energía media diaria que debe ge-nerarse, estableceremos el porcentaje de dicha energía que va a sersuministrada por el aerogenerador. El porcentaje de energía que fijemosserá el porcentaje de días de autonomía que podremos descontar res-

pecto del establecido para una instalación fotovoltaica. Es decir si elgenerador aporta el 20% de la energía y se requiere una autonomía de10 días para el caso de una instalación únicamente fotovoltaica (supo-niendo radiación solar nula), esta podrá reducirse a 8 días.

Las características de viento de la ubicación determinaran en gran me-dida los requerimientos y eficacia del aerogenerador. Por otro lado elporcentaje del aporte de energía del aerogenerador deberá elegirsebuscando que resulte económicamente ventajoso frente al uso de unacumulador de mayor capacidad.

En el último casoúltimo casoúltimo casoúltimo caso (5) la instalación se dimensionará en función de loscálculos realizados y resultados económicos obtenidos.

¿Cómo lo vas llevando?

Tómatelo en serio, pero sin agobios; se trata de compren-der, no de memorizar.

Si tienes dudas consulta a tu tutor, están ahí para ayudarte.

Cálculos y consideraciones para el dimensionado del sistema eólico

A continuación se detalla el procedimiento de dimensionado de una instalaciónhibrida fotovoltaica-eólica, en este proceso nos centraremos en el sistema eóli-co. Como podrás comprobar los tres primeros pasos son similares a los deldimensionado de una instalación únicamente fotovoltaica. Veamos cual es elprocedimiento a seguir:

1. Calculamos el consumo medio diario de cada mes. (EC en Wh/día)

2. Consultando un atlas solar obtenemos la irradiación media diaria men-sual. (Hβ )



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Unidad didáctica 6


3. Comprobamos cual es el mes más crítico.

4. Tomamos el valor de consumo medio diario del mes más crítico (EC ) ydecidimos que porcentaje va a ser aportado por el generador fotovol-taico y que porcentaje por el aerogenerador.

%X E

E C aero ⋅=

100 [Wh/día]

5. Una vez hemos determinado el valor de energía media diaria que debeaportar el aerogenerador lo dividiremos entre las 24 del día para obte-ner la potencia que tiene que proporcionar a la velocidad de viento me-dia de dicho mes.

24

aero aero

E P = [W]

6. Consultaremos un atlas eólico o base de datos para conocer la veloci-dad de viento media del mes crítico en la zona donde se proyecta lainstalación.

Figura 9. Ejemplo de base de datos eólicos. [1 Nudo (Knot) = 0,514 m/s]. Información obtenida dehttp://es.windfinder.com .

Puedes obtener información sobre datos eólicos en las si-guientes direcciones Web:

http://atlaseolico.idae.es

http://es.windfinder.com

http://www.globalwindmap.com



Unidad didáctica 6


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7. Analizaremos las curvas características de distintos modelos de aero-generador y elegiremos aquel cuya potencia a la velocidad media delmes crítico sea igual o superior a la requerida.

Figura 10. Ejemplo de curva de potencia de un aerogenerador de 1500 W

8. Finalmente comprobaremos la velocidad media diaria anual y tratare-mos de buscar un aerogenerador que desarrolle su potencia nominala una velocidad próxima a esta.

Debe desecharse la opción del uso de un aerogeneradorde apoyo en lugares donde la velocidad de viento mediaanual sea inferior a la velocidad de arranque del aerogene-rador. Típicamente 4m/s

Se desea realizar una instalación hibrida fotovoltaica-eólica en las afueras de la ciudad de Zaragoza para satisfa-cer una demanda de 12kWh/día constante a lo largo delaño, se plantea que el aerogenerador proporcione el 40%de la energía generada. ¿Qué requerimientos debe cumplirel aerogenerador?

1º Calculamos la energía que debe aportar el aerogenera-dor:

día Wh día Wh

X E

E C aero / %·

/ % 480040

100

12000

100==⋅=



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Unidad didáctica 6


2º Calculamos la potencia eléctrica media que debe pro-porcionar para generar la energía calculada:

W día h

día Wh E

P aero

aero 200

24

4800

24 === /

/

3º Calculamos la velocidad media del viento del mes críti-co.

Puesto que el consumo es constante a lo largo del año elmes crítico será el de menor radiación solar, es decir di-ciembre. Observando la base de datos de la figura 9 po-demos obtener la velocidad media del mes de diciembre:

Vdic = 9Nudos/0,514 = 4,6 m/s

4º Resultado:4º Resultado:4º Resultado:4º Resultado: El aerogenerador a utilizar debe desarrollaruna potencia eléctrica mínima de 200W a una velocidadde viento de 4,6 m/s.

Su potencia nominal (mayor de 200W) deberá conseguirsepara una velocidad lo más cercana posible a la velocidadde viento media anual, en este caso 5,1m/s.



Unidad didáctica 6


34

6. CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN

FOTOVOLTAICA MEDIANTE SOPORTE INFORMÁTICO UOTROS MEDIOS

Como hemos visto a lo largo de esta unidad, el dimensionado de una instalaciónfotovoltaica aislada implica un proceso laborioso formado por una cantidadconsiderable de fórmulas y tablas de consulta. Para conseguir un dimensionadocorrecto se requiere de tiempo y atención. Por otro lado este proceso de dise-ño es aplicable a la practica totalidad de instalaciones fotovoltaicas, por tantoresultaría muy practico disponer de una herramienta en la que solo tuviésemosque introducir variables para obtener los resultados de dimensionado de nuestrainstalación. Esta herramienta puede implementarse mediante soporte informáti-co utilizando una hoja Excel u otro tipo de programación más específica en elque se fijen las formulas a aplicar en el cálculo. De este modo el diseñador solotiene que seleccionar entre las diferentes opciones e introducir las variables queparticipan en dicho cálculo.

La informática aplicada al dimensionado ahorra mucho tiempo, proporcionafiabilidad y precisión en el cálculo, y puede ser utilizada por personas sin forma-ción específica en este campo, en contrapartida para el diseño de instalaciones

con características fuera de lo corriente, esta herramienta puede no resultarapropiada.

A continuación vamos a analizar cada uno de los pasos del diseño para conocercomo podemos trabajar con este tipo de herramientas de dimensionado:



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Unidad didáctica 6


6.1. CARACTERIZACIÓN DE CARGAS

El primer paso para el dimensionado es calcular la energía media de consumodiario de cada mes, para ello se suele presentar una tabla donde se van aña-diendo las cargas con sus potencias y horas de uso diario estimadas.

Para obtener los consumos medios diarios simplemente es necesario introducirla potencia nominal y número de horas diarias y días a la semana que se prevéque va a ser utilizada cada una de las cargas.

Figura 11. Ejemplo de cálculo de consumo constante a lo largo del año mediante hoja Excel

En este proceso del diseño deberá consultarse con elusuario final de la instalación para considerar sus hábitosde consumo, de lo contrario el dimensionado podría no

ser el correcto.

6.2. CÁLCULO DE POTENCIA DE PANELES

Como ya sabemos, para calcular la potencia de paneles necesaria para satisfa-cer la demanda que hemos obtenido en el paso anterior, debemos conocer lairradiación media diaria de cada mes.



37

Unidad didáctica 6


6.3. ELECCIÓN DEL PANEL. DISEÑO Y DIMENSIONADO DELACUMULADOR

La elección el modelo del panel fotovoltaico será decisión del diseñador, y portanto deberemos introducir los datos característicos que sean solicitados: Po-tencia punta, tensión nominal, área del panel, rendimiento, intensidad de corto-circuito, tensión en circuito abierto.

Figura 13. Ejemplo de datos requeridos por una hoja de cálculo para la especificación del panel

En función de las características del panel fotovoltaico, el programa calculará elnúmero de paneles necesarios para cubrir la demanda en las condiciones másexigentes.

En el diseño y dimensionado del acumulador, el programa nos solicita que in-troduzcamos los datos del modelo elegido, así como la autonomía y tensiónnominal del sistema y la máxima profundidad de descarga permitida. De estamanera el programa pude calcular la capacidad que necesita la instalación y enfunción de esta, el numero de baterías y la forma en que deben ser conectadas.

Figura 14. Ejemplo de dimensionado del acumulado mediante hoja de calculo



Unidad didáctica 6


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6.4. DIMENSIONADO DEL REGULADOR

El dimensionado del regulador es un cálculo sencillo, pero requiere de las si-guientes consideraciones:

Su tensión nominal debe ser la misma que la tensión del acumulador.

La intensidad máxima capaz de gestionar debe ser entrono a un 20%superior a la intensidad máxima del generador fotovoltaico.

En caso de que no se disponga de un regulador capaz de soportar di-cha intensidad se puede realizar la conexión paralelo de varios de elloscuya suma de intensidades máximas cumplan dicho requerimiento.

Figura 15. Ejemplo de dimensionado de regulador de carga mediante hoja de cálculo

6.5. DIMENSIONADO DEL CARGADOR DE BATERÍAS

El dimensionado del cargador de baterías es similar al del regulador de carga,su tensión de entrada debe corresponder con la de su alimentación, común-mente un grupo electrógeno y su tensión de salida debe coincidir con la de lasbaterías. Por otro lado debe ser capaz de trabajar a la corriente de carga querequiere el acumulador. El cargador de baterías puede ir integrado en el inver-sor.



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Unidad didáctica 6


6.6. DIMENSIONADO DEL INVERSOR

El inversor debe dimensionarse para que sea capaz de proporcionar una poten-cia mayor a la potencia de funcionamiento simultaneo de las cargas, para ellohabrá que determinar un porcentaje de simultaneidad es decir una estimaciónde que parte de la potencia total de las cargas va a ser requerida a la vez, puesobviamente es poco probable que todos los aparatos de la instalación esténfuncionando al mismo tiempo. Esto dependerá en gran medida de los hábitosde consumo del usuario final, pero por lo general puede tomarse un valor entro-no al 75%.

La tensión de entra del inversor tendrá que corresponderse con la del acumula-dor.

Figura 16. Ejemplo del dimensionado de un inversor mediante hoja de cálculo

Habremos de comprobar en los datos técnicos del inver-sor seleccionado su capacidad de sobrecarga, es decir lapotencia pico que es capaz de suministrar a la carga du-rante un determinado tiempo. Cuestión de especial rele-vancia cuando se dispone de cargas que requieren altasintensidades de arranque como motores.

6.7. DIMENSIONADO Y CÁLCULO DEL AEROGENERADOR Y/O GRUPOELECTRÓGENO DE APOYO

Para el dimensionado de una instalación hibrida con pequeño aerogeneradorhará falta conocer las velocidades medias de viento obtenidas en la ubicacióndonde se plantea la instalación. Estos datos pueden ser obtenidos de altas eóli-



Unidad didáctica 6


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cos, bases de datos de lugares próximos como aeropuertos o de los datos re-cogidos por un anemómetro colocado en el lugar donde se proyecta la instala-ción del aerogenerador.

A demás de los datos de viento el programa u hoja de calculo nos solicitara da-tos de altura de la torre, eficiencia del aerogenerador, dimensiones de las aspas,etcétera.

Figura 17. Ejemplo de dimensionado de instalación hibrida fotovoltaica-eólica mediante hoja de cálculo

Además, como se ve en el ejemplo anterior existe la posibilidad de determinar laopción económicamente óptima de la relación entre aporte fotovoltaico y eólico.Para ello debemos introducir al sistema valores reales del coste de ambos sis-temas.



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Unidad didáctica 6


ANEXOS

Tablas de irradiancia media diaria en los diferentes meses del año,

correspondientes a las provincias españolas

Energía en megajulios que incide sobre un metro cuadrado de superficie hori-zontal en un día medio de cada mes.

EneEneEneEne FebFebFebFeb MarMarMarMar Abr Abr Abr Abr MayMayMayMay JunJunJunJun JulJulJulJul Ago Ago Ago Ago SepSepSepSep OctOctOctOct NovNovNovNov DicDicDicDic Año Año Año Año

Álava 4.6 6.9 11.2 13 14.8 16.6 18.1 17.3 14.3 9.5 5.5 4.1 11.3 Albacete 6.7 10.5 15 19.2 21.2 25.1 26.7 23.2 18.8 12.4 8.4 6.4 16.1 Alicante 8.5 12 16.3 18.9 23.1 24.8 25.8 22.5 18.3 13.6 9.8 7.6 16.8 Almería 8.9 12.2 16.4 19.6 23.1 24.6 25.3 22.5 18.5 13.9 10 8 16.9 Asturias ÁvilaBadajozBalearesBarcelonaBurgosCáceresCádizCantabriaCastellónCeutaCiudad RealCórdobaLa CoruñaCuencaGeronaGranadaGuadalajaraGuipúzcoaHuelvaHuescaJaénLeónLéridaLugoMadridMálaga

5.366.57.26.55.16.88.1588.977.25.45.97.17.86.55.57.66.16.75.865.16.78.3

7.79.11010.79.57.91011.57.412.213.110.110.188.810.510.89.27.711.39.610.18.79.97.610.612

10.613.513.614.412.912.414.715.71115.518.61515.111.412.914.215.21411.31614.314.413.81811.713.615.5

12.217.718.716.216.11619.618.51317.42118.718.512.417.415.918.517.911.719.518.71817.218.815.218.818.5

1519.421.82118.618.722.122.216.120.624.321.421.815.418.718.721.919.414.624.120.320.319.520.917.120.923.2

15.222.324.622.720.321.525.123.81721.426.723.725.916.2221924.822.716.225.622.124.422.122.619.523.524.5

16.826.325.924.221.62328.125.918.423.926.825.328.517.425.622.326.72516.128.723.126.724.223.820.22626.5

14.825.323.820.618.120.725.42315.519.524.323.225.115.322.318.523.623.213.625.620.924.120.921.318.423.123.2

12.418.817.916.414.616.719.718.11316.619.118.819.913.917.514.918.817.812.721.216.919.217.216.81516.919

9.811.212.312.110.810.112.714.29.513.114.212.512.610.911.211.712.911.710.314.511.311.910.412.19.911.413.6

5.96.98.28.57.26.58.9105.88.6118.78.66.47.27.89.67.86.29.27.28.177.26.27.59.3

4.65.26.26.55.84.56.67.44.57.38.66.56.95.15.56.67.15.657.55.16.54.84.84.55.98

10.915.115.81513.513.616.616.511.315.318.115.916.711.514.613.916.515.110.917.614.615.914.315.212.515.416.8



Unidad didáctica 6


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EneEneEneEne FebFebFebFeb MarMarMarMar Abr Abr Abr Abr MayMayMayMay JunJunJunJun JulJulJulJul Ago Ago Ago Ago SepSepSepSep OctOctOctOct NovNovNovNov DicDicDicDic Año Año Año Año

MelillaMurciaNavarraOrense

9.410.154.7

12.614.87.47.3

17.216.612.311.3

20.320.414.514

2324.217.116.2

24.825.618.917.6

24.827.720.518.3

22.623.518.216.6

18.318.616.214.3

14.213.910.29,4

10.99.865.6

8.78.14.54.3

17.217.812.611.6

Palencia 5.3 9 13.2 17.5 19.7 21.8 24.1 21.6 17.1 10.9 6.6 4.6 14.3Las Palmas 11.2 14.2 17.8 19.6 21.7 22.5 24.3 21.9 19.8 15.1 12.3 10.7 17.6Pontevedra 5.5 8.2 13 15.7 17.5 10.4 22 18.9 15.1 11.3 6.8 5.5 13.3La Rioja 5.6 8.8 13.7 16.6 19.2 21.4 23.3 20.8 16.2 10.7 6.8 4.8 14Salamanca 6.1 9.5 13.5 17.1 19.7 22.8 24.6 22.6 17.5 11.3 7.4 5.2 14.8S. C. Tenerife 10.7 13.3 18.1 21.5 25.7 26.5 29.3 26.6 21.2 16.2 10.8 9.3 19.1Segovia 5.7 8.8 13.4 18.4 20.4 22.6 25.7 24.9 18.8 11.4 6.8 5.1 15.2Sevilla 7.3 10.9 14.4 19.2 22.4 24.3 24.9 23 17.9 12.3 8.8 6.9 16Soria 5.9 8.7 12.8 17.1 19.7 21.8 24.1 22.3 17.5 11.1 7.6 5.6 14.5Tarragona 7.3 10.7 14.9 17.6 20.2 22.5 23.8 20.5 16.4 16.4 8.8 6.3 15.1Teruel 6.1 8.8 12.9 16.7 18.4 20.6 21.8 20.7 16.9 11 7.1 5.3 13.9Toledo 6.2 9.5 14 19.3 21 24.4 27.2 24.5 18.1 11.9 7.6 5.6 15.8Valencia 7.6 10.6 14.9 18.1 20.6 22.8 23.8 20.7 16.7 12 8.7 6.6 15.3

Valladolid 5.5 8.8 13.9 17.2 19.9 22.6 25.1 23 18.3 11.2 6.9 4.2 14.7Vizcaya 5 7,1 10,8 12,7 15,5 16,7 17,9 15,7 13,1 9,3 6 4,6 11,2Zamora 5.4 8.9 13.2 17.3 22.2 21.6 23.5 22 17,2 11,1 6,7 4,6 14,5Zaragoza 6.3 9.8 15.2 18.3 21.8 24.2 25.1 23.4 18.3 12.1 7.4 5.7 15.6

Tablas de factor de corrección k para superficies inclinadas

Representa el cociente entre la energía total incidente en un día sobre una su-perficie orientada hacia el ecuador e inclinada un determinado ángulo, y otrahorizontal.

Latitud = 28°Latitud = 28°Latitud = 28°Latitud = 28°

IncIncIncInc EneEneEneEne FebFebFebFeb MarMarMarMar Abr Abr Abr Abr MayMayMayMay JunJunJunJun JulJulJulJul Ago Ago Ago Ago SepSepSepSep OctOctOctOct NovNovNovNov DicDicDicDic

0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.05 1.04 1.03 1.01 1 1 1 1.02 1.03 1.05 1.06 1.0610 1.1 1.08 1.05 1.02 1 .99 1 1.02 1.06 1.1 1.12 1.1215 1.14 1.11 1.07 1.02 .99 .98 .99 1.03 1.08 1.13 1.17 1.1720 1.17 1.13 1.08 1.02 .97 .95 .97 1.02 1.09 1.16 1.21 1.2125 1.2 1.15 1.08 1 .95 .93 .95 1.01 1.09 1.19 1.25 1.2430 1.22 1.15 1.07 .98 .92 .89 .92 .99 1.09 1.2 1.27 1.2735 1.23 1.16 1.06 .96 .88 .85 .88 .96 1.08 1.21 1.29 1.2940 1.24 1.15 1.04 .92 .84 .8 .84 .93 1.06 1.21 1.3 1.345 1.23 1.14 1.01 .89 .79 .75 .79 .89 1.04 1.2 1.3 1.3

50 1.22 1.12 .98 .84 .73 .69 .73 .84 1 1.18 1.3 1.355 1.2 1.09 .94 .79 .68 .63 .67 .79 .96 1.15 1.28 1.2860 1.18 1.05 .9 .73 .61 .57 .61 .73 .92 1.12 1.26 1.2665 1.14 1.01 .85 .67 .55 .5 .54 .67 .86 1.08 1.22 1.2370 1.1 .97 .79 .61 .48 .42 .47 .6 .81 1.03 1.18 1.1975 1.06 .91 .73 .54 .4 .35 .39 .53 .74 .97 1.14 1.1580 1 .86 .66 .47 .33 .27 .32 .46 .67 .91 1.08 1.185 .94 .79 .59 .39 .25 .19 .24 .38 .6 .84 1.02 1.0490 .88 .72 .52 .32 .17 .11 .16 .31 .53 .77 .95 .98



43

Unidad didáctica 6




0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.05 1.04 1.03 1.02 1 1 1 1.02 12.03 1.05 1.07 1.0610 1.1 1.08 1.05 1.02 1 .99 1 1.03 1.06 1.1 1.12 1.1215 1.15 1.11 1.07 1.03 .99 .98 .99 1.03 1.08 1.14 1.18 1.1720 1.18 1.14 1.08 1.02 .98 .96 .98 1.03 1.1 1.17 1.22 1.2225 1.21 1.15 1.08 1.01 .95 .93 .95 1.01 1.1 1.2 1.26 1.2530 1.23 1.16 1.08 .99 .92 .9 .92 1 1.1 1.21 1.28 1.2835 1.24 1.17 1.07 .97 .89 .86 .89 .97 1.09 1.22 1.3 1.340 1.25 1.16 1.05 .93 .85 .81 .85 .94 1.07 1.22 1.32 1.3145 1.24 1.15 1.02 .9 .8 .76 .8 .9 1.05 1.21 1.32 1.3250 1.23 1.13 .99 .85 .75 .71 .74 .85 1.02 119 1.31 1.3155 1.22 1.1 .95 .8 .69 .64 .68 .8 .98 1.17 1.3 1.360 1.19 1.07 .91 .75 .63 .58 .62 .75 .93 1.14 1.28 1.28

65 1.16 1.03 .86 .69 .56 .51 .55 .69 .88 1.1 1.24 1.2570 1.12 .98 .8 .62 .49 .44 .48 .62 .82 1.05 1.2 1.2275 1.07 .93 .74 .55 .42 .36 .41 .55 .76 .99 1.16 1.1780 1.02 .87 .68 .48 .34 .28 .33 .48 .69 .93 1.1 1.1285 .96 .81 .61 .41 .26 .21 .25 .4 .62 .87 1.04 1.0690 .9 .74 .54 .33 .18 .13 .17 .32 .54 .79 .97 1



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

5 1.06 1.05 1.03 1.02 1.01 1 1.01 1.02 1.04 1.06 1.07 1.0710 1.11 1.08 1.06 1.03 1 1 1 1.03 1.07 1.1 1.13 1.1215 1.15 1.12 1.07 1.03 1 .98 1 1.03 1.09 1.15 1.18 1.1820 1.19 1.14 1.09 1.03 .98 .96 .98 1.03 1.1 1.18 1.23 1.2225 1.22 1.16 1.09 1.02 .96 .94 .96 1.02 1.11 1.2 1.27 1.2630 1.24 1.17 1.09 1 .93 .91 .93 1 1.11 1.22 1.3 1.2935 1.25 1.17 1.08 .97 .9 .87 .9 .98 1.1 1.23 1.32 11.3140 1.26 1.17 1.06 .94 .86 .82 .85 .95 1.08 1.23 1.33 1.3345 1.26 1.16 1.04 .91 .81 .77 .81 .91 1.06 1.22 1.33 1.3350 1.25 1.14 1 .86 .76 .72 .75 .87 1.03 1.21 1.33 1.3355 1.23 1.12 .97 .81 .7 .66 .7 .82 .99 1.19 1.32 1.3260 1.21 1.08 .92 .76 .64 .59 .63 .76 .95 1.15 1.3 1.3

65 1.18 1.04 .87 .7 .57 .52 .57 .7 .9 1.11 1.27 1.2770 1.14 1 .82 .64 .5 .45 .5 .63 .84 1.07 1.23 1.2475 1.09 .95 .76 .57 .43 .38 .42 .56 .78 1.01 1.18 1.1980 1.04 .89 .69 .5 .35 .3 .35 .49 .71 .95 1.13 1.1485 .98 .83 .63 .42 .28 .22 .27 .42 .64 .89 1.07 1.0990 .92 .76 .55 .35 .2 .14 .19 .34 .56 .81 1 1.02



Unidad didáctica 6


44

Latitud =Latitud =Latitud =Latitud = 31°31°31°31°


0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.06 1.05 1.03 1.02 1.01 1 1.01 1.02 1.04 1.06 1.07 1.0710 1.11 1.09 1.06 1.03 1.01 1 1.01 1.03 1.07 1.11 1.13 1.1315 1.15 1.12 1.08 1.03 1 .99 1 1.04 1.09 1.15 1.19 1.1820 1.19 1.15 1.09 1.03 .99 .97 .99 1.04 1.11 1.19 1.24 1.2325 1.22 1.17 1.1 1.02 .97 .94 .97 1.03 1.12 1.21 1.28 1.2730 1.25 1.18 1.09 1.01 .94 .91 .94 1.01 1.12 1.23 1.31 1.335 1.26 1.18 1.09 .98 .9 .88 .9 .99 1.11 1.24 1.33 1.3340 1.27 1.18 1.07 .95 .86 .83 .86 .96 1.1 1.25 1.35 1.3445 1.27 1.17 1.05 .92 .82 .78 .82 .92 1.07 1.24 1.35 1.3550 1.26 1.15 1.02 .87 .77 .73 .77 .88 1.04 1.23 1.35 1.3555 1.25 1.13 .98 .83 .71 .67 .71 .83 1.01 12 1.34 1.34

60 1.22 1.1 .94 .77 .65 .6 .65 .77 .96 1.17 1.32 1.3265 1.19 1.06 .89 .71 .59 .54 .58 .71 .91 1.13 1.29 1.2970 1.16 1.01 .83 .65 .52 .46 .51 .65 .86 1.09 1.25 1.2675 1.11 .96 .77 .58 .44 .39 .44 .58 .79 1.04 1.2 1.2180 1.06 .91 .71 .51 .37 .31 .36 .51 .73 .98 1.15 1.1785 1 .84 .64 .44 .29 .23 .28 .43 .66 .91 1.09 1.1190 .94 .78 .57 .36 .21 .16 .2 .35 .58 .84 1.02 1.05



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.06 1.05 1.03 1.02 1.01 1 1.01 1.02 1.04 1.06 1.07 1.0710 1.11 1.09 1.06 1.03 1.01 1 1.01 1.04 1.07 1.11 1.14 1.1315 1.16 1.12 1.08 1.04 1 .99 1 1.04 1.1 1.16 1.19 1.1920 1.2 1.15 1.1 1.04 .99 .97 .99 1.04 1.11 1.19 1.24 1.2425 1.3 1.17 1.1 1.03 .97 .95 .97 1.03 1.12 1.22 1.29 1.2830 1.26 1.19 1.1 1.01 .95 .92 .95 1.02 1.13 1.24 1.32 1.3135 1.27 1.19 1.09 .99 .91 .88 .91 1 1.12 1.26 1.34 1.3440 1.28 1.19 1.08 .96 .87 .84 .87 .97 1.11 1.26 1.36 1.3545 1.28 1.18 1.06 .93 .83 .79 .83 .93 1.09 1.26 1.37 1.3650 1.28 1.17 1.03 .88 .78 .74 .78 .89 1.06 1.24 1.37 1.3655 1.26 1.14 .99 .84 .72 .68 .72 .84 1.02 1.22 1.36 1.35

60 1.24 1.11 .95 .78 .66 .62 .66 .79 .98 1.19 1.34 1.3465 1.21 1.07 .9 .73 .6 .55 .59 .73 .93 1.15 1.31 1.3170 1.17 1.03 .85 .66 .53 .48 .53 .66 .87 1.11 1.27 1.2875 1.13 .98 .79 .6 .46 .4 .45 .6 ..81 1.06 1.23 1.2480 1.08 .92 .73 .53 .38 .33 .38 .52 .75 1 1.18 1.1985 1.02 .86 .66 .45 .31 .25 .3 .45 .67 .93 1.12 1.1390 .96 .79 .59 .38 .23 .17 .22 .37 .6 .86 1.05 1.07



45

Unidad didáctica 6



IncIncIncInc EneEneEneEne FebFebFebFeb MarMarMarMar Abr Abr Abr Abr MayMayMayMay JunJunJunJun JulJulJulJul Ago Ago Ago Ago SepSepSepSep OcOcOcOctttt NovNovNovNov DicDicDicDic

0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.06 1.05 1.04 1.02 1.01 1.01 1.01 1.02 1.04 1.06 1.07 1.0710 1.12 1.09 1.06 1.03 1.01 1 1.01 1.04 1.07 1.12 1.14 1.1415 1.16 1.13 1.09 1.04 1.01 1 1.01 1.05 1.1 1.16 1.2 1.1920 1.2 1.16 1.1 1.04 1 .98 1 1.05 1.12 1.2 1.25 1.2425 1.24 1.18 1.11 1.03 .98 .96 .98 1.04 1.13 1.23 1.3 1.2930 1.26 1.2 1.11 1.02 .95 .93 .95 1.03 1.14 1.25 1.33 1.3235 1.28 1.2 1.1 1 .92 .89 .92 1.01 1.13 1.27 1.36 1.3540 1.29 1.2 1.09 .97 .88 .85 .88 .98 1.12 1.27 1.38 1.3745 1.3 1.2 1.07 .94 .84 .8 .84 .94 1.1 1.27 1.39 1.3850 1.29 1.18 1.04 .9 .79 .75 .79 .9 1.07 1.26 1.39 1.3855 1.28 1.16 1.01 .85 .74 .69 .73 .85 1.04 1.24 1.38 1.37

60 1.26 1.13 .96 .8 .68 .63 .67 .8 1 1.21 1.36 1.3665 1.23 1.09 .92 .74 .61 .56 .61 .74 .95 1.18 1.33 1.3370 1.19 1.05 .86 .68 .54 .49 .54 .68 .89 1.13 1.3 1.375 1.15 1 .81 .61 .47 .42 .47 .61 .83 1.08 1.25 1.2680 1.1 .94 .74 .54 .4 .34 .39 .54 .76 1.032 1.2 1.2185 1.04 .88 .67 .47 .32 .26 .31 .46 .69 .95 1.14 1.1690 .98 .81 .6 .39 .24 .18 .23 .39 .62 .88 1.08 1.09



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.06 1.05 1.03 1.02 1.01 1 1.01 1.02 1.04 1.06 1.07 1.0710 1.11 1.09 1.06 1.03 1.01 1 1.01 1.04 1.07 1.11 1.14 1.1315 1.16 1.12 1.08 1.04 1 .99 1 1.04 1.1 1.16 1.19 1.1920 1.2 1.15 1.1 1.04 .99 .97 .99 1.04 1.11 1.19 1.24 1.2425 1.3 1.17 1.1 1.03 .97 .95 .97 1.03 1.12 1.22 1.29 1.2830 1.26 1.19 1.1 1.01 .95 .92 .95 1.02 1.13 1.24 1.32 1.3135 1.27 1.19 1.09 .99 .91 .88 .91 1 1.12 1.26 1.34 1.3440 1.28 1.19 1.08 .96 .87 .84 .87 .97 1.11 1.26 1.36 1.3545 1.28 1.18 1.06 .93 .83 .79 .83 .93 1.09 1.26 1.37 1.3650 1.28 1.17 1.03 .88 .78 .74 .78 .89 1.06 1.24 1.37 1.3655 1.26 1.14 .99 .84 .72 .68 .72 .84 1.02 1.22 1.36 1.35

60 1.24 1.11 .95 .78 .66 .62 .66 .79 .98 1.19 1.34 1.3465 1.21 1.07 .9 .73 .6 .55 .59 .73 .93 1.15 1.31 1.3170 1.17 1.03 .85 .66 .53 .48 .53 .66 .87 1.11 1.27 1.2875 1.13 .98 .79 .6 .46 .4 .45 .6 ..81 1.06 1.23 1.2480 1.08 .92 .73 .53 .38 .33 .38 .52 .75 1 1.18 1.1985 1.02 .86 .66 .45 .31 .25 .3 .45 .67 .93 1.12 1.1390 .96 .79 .59 .38 .23 .17 .22 .37 .6 .86 1.05 1.07



Unidad didáctica 6


46



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.06 1.05 1.04 1.02 1.01 1.01 1.01 1.03 1.04 1.06 1.08 1.0710 1.12 1.1 1.07 1.04 1.02 1.01 1.02 1.04 1.08 1.12 1.15 1.1415 1.17 1.14 1.09 1.05 1.02 1 1.02 1.05 1.11 1.17 1.21 1.2120 1.22 1.17 1.11 1.05 1.01 .99 1.01 1.06 1.13 1.22 1.27 1.2625 1.25 1.2 1.12 1.05 .99 .97 .99 1.05 1.15 1.25 1.32 1.3130 1.28 1.21 1.13 1.04 .97 .94 .97 1.04 1.15 1.28 1.36 1.3535 1.31 1.22 1.12 1.02 .94 .91 .94 1.02 1.15 1.29 1.39 1.3840 1.32 1.23 1.11 .99 .9 .87 .9 1 1.14 1.3 1.41 1.445 1.33 1.22 1.09 .96 .86 .82 .86 .97 1.13 1.3 1.42 1.4150 1.32 1.21 1.07 .92 .81 .77 .81 .93 1.1 1.3 1.43 1.4255 1.31 1.19 1.03 .87 .76 .72 .76 .88 1.07 1.28 1.42 1.41

60 1.29 1.16 .99 .82 .7 .66 .7 .83 1.03 1.25 1.41 1.465 1.27 1.12 .95 .77 .64 .59 .64 .77 .98 1.22 1.38 1.3870 1.23 1.08 .9 .71 .57 .52 .57 .71 .93 1.18 1.35 1.3575 1.19 1.03 .84 .64 .5 .45 .5 .64 .87 1.13 1.31 1.3180 1.14 .98 .78 .57 .43 .37 .42 .57 8 1.07 1.26 1.2685 1.09 .92 .71 .5 .35 .29 .34 .5 .73 1 1.2 1.2190 1.02 .85 .64 .42 .27 .21 .26 .42 .66 .93 1.13 1.15



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.07 1.05 1.04 1.02 1.01 1.01 1.01 1.03 1.05 1.07 1.08 1.0810 1.13 1.1 1.07 1.04 1.02 1.01 1.02 1.05 1.08 1.13 1.15 1.1515 1.18 1.14 1.1 1.05 1.02 1.01 1.02 1.06 1.12 1.18 1.22 1.2120 1.22 1.18 1.12 1.06 1.01 .99 1.01 1.06 1.14 1.22 1.28 1.2725 1.26 1.2 1.13 1.05 1 .98 1 1.06 1.16 1.26 1.33 1.3230 1.29 1.22 1.13 1.04 .98 .95 .98 1.05 1.16 1.29 1.37 1.3635 1.32 1.23 1.13 1.02 .95 .92 .95 1.03 1.16 1.31 1.4 1.3940 1.33 1.24 1.12 1 .91 .88 .91 1.01 1.16 1.32 1.43 1.4145 1.34 1.23 1.1 .97 .87 .84 .87 .98 1.14 1.32 1.44 1.4350 1.34 1.22 1.08 .93 .82 .78 .82 .94 1.12 1.31 1.45 1.4455 1.33 1.2 1.05 .89 .77 .73 .77 .9 1.08 1.3 1.44 1.43

60 1.31 1.17 1.01 .84 .71 .67 .71 .84 1.50 1.27 1.43 1.4265 1.29 1.14 .96 .78 .65 .6 .65 .79 1 1.24 1.41 1.470 1.25 1.1 .91 .72 .59 .53 .58 .73 .95 1.2 1.37 1.3775 1.21 1.05 .85 .66 .52 .46 .51 .66 .89 1.15 1.33 1.3380 1.16 1 .79 .59 .44 .39 .44 .59 .82 1.09 1.28 1.2985 1.11 .94 .73 .52 .37 .31 .36 .51 .75 1.03 1.23 1.2390 1.05 .87 .65 .44 .29 .23 .28 .44 .68 .96 1.16 1.17



47

Unidad didáctica 6




0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.07 1.06 1.04 1.03 1.01 1.01 1.02 1.03 1.05 1.07 1.08 1.0810 1.13 1.1 1.08 1.05 1.02 1.01 1.02 1.05 1.09 1.13 1.16 1.1515 1.18 1.15 1.1 1.06 1.02 1.01 1.02 1.06 1.12 1.19 1.23 1.2220 1.23 1.18 1.12 1.06 1.02 1 1.02 1.07 1.15 1.23 1.29 1.2825 1.27 1.21 1.14 1.06 1 .98 1 1.07 1.16 1.27 1.34 1.3330 1.3 1.23 1.14 1.05 .98 .96 .98 1.06 1.17 1.3 1.38 1.3735 1.33 1.24 1.14 1.03 .96 .93 .96 1.04 1.17 1.32 1.42 1.4140 1.35 1.25 1.13 1.01 .92 .89 .92 1.02 1.17 1.34 1.44 1.4345 1.35 1.25 1.11 .98 .88 .85 .88 .99 1.15 1.34 1.46 1.4550 1.35 1.24 1.09 .94 .84 .8 .84 .95 1.13 1.33 1.47 1.4655 1.35 1.22 1.06 .9 .78 .74 .78 .91 1.1 1.32 1.47 1.45

60 1.33 1.19 1.02 .85 .73 .68 .73 .86 1.06 1.3 1.45 1.4465 1.31 1.16 .98 .8 .67 .62 .66 .8 1.02 1.26 1.43 1.4270 1.27 1.12 .93 .74 .6 .55 .6 .74 .9 1.22 1.4 1.475 1.23 1.07 .87 .67 .53 .48 .53 .68 .91 1.17 1.36 1.3680 1.19 1.02 .81 .6 .46 .4 .45 .6 .84 1.12 1.31 1.3185 1.13 .96 .74 .53 .38 .32 .38 .53 .77 1.05 1.26 1.2690 1.07 .89 .67 .46 .3 .25 .3 .45 .7 .98 1.19 1.2

Latitud = 3Latitud = 3Latitud = 3Latitud = 38°8°8°8°


0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.07 1.06 1.04 1.03 1.02 1.01 1.02 1.03 1.05 1.07 1.08 1.0810 1.13 1.11 1.08 1.05 1.02 1.02 1.03 1.05 1.09 1.14 1.16 1.1615 1.19 1.15 1.11 1.06 1.03 1.01 1.03 1.07 1.13 1.19 1.23 1.2220 1.24 1.19 1.13 1.07 1.02 1.01 1.02 1.07 1.15 1.24 1.3 1.2925 1.28 1.22 1.14 1.07 1.01 .99 1.01 1.08 1.17 1.28 1.35 1.3430 1.31 1.24 1.15 1.06 .99 .97 .99 1.07 1.18 1.31 1.4 1.3835 1.34 1.25 1.15 1.04 .96 .94 .97 1.05 1.19 1.34 1.43 1.4240 1.36 1.26 1.14 1.02 .93 .9 .93 1.03 1.18 1.35 1.46 1.4545 1.37 1.26 1.13 .99 .89 .86 .89 1 1.17 1.36 1.48 1.4750 1.37 1.25 1.1 .96 .85 .81 .85 .97 1.15 1.35 1.49 1.4855 1.36 1.23 1.07 .91 .8 .75 .8 .92 1.12 1.34 1.49 1.48

60 1.35 1.21 1.04 .86 .74 .69 .74 .87 1.08 1.32 1.48 1.4765 1.33 1.18 .99 .81 .68 .63 .68 .82 1.04 1.29 1.46 1.4570 1.29 1.14 .94 .75 .61 .56 .61 .76 .98 1.25 1.43 1.4275 1.25 1.09 .89 .69 .54 .49 .54 .69 .93 1.2 1.39 1.3980 1.21 1.04 .83 .62 .47 .42 .47 .62 .86 1.14 1.34 1.3485 1.15 .98 .76 .55 .4 .34 .39 .55 .79 1.08 1.29 1.2990 1.09 .91 .69 .47 .32 .26 .31 .47 .72 1.01 1.22 1.23



Unidad didáctica 6


48



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.07 1.06 1.04 1.03 1.02 1.01 1.02 1.03 1.05 1.07 1.09 1.0810 1.14 1.11 1.08 1.05 1.03 1.02 1.03 1.06 1.1 1.14 1.17 1.1615 1.19 1.16 1.11 1.07 1.03 1.02 1.03 1.07 1.13 1.2 1.24 1.2320 1.25 1.2 1.14 1.07 1.03 1.01 1.03 1.08 1.16 1.25 1.31 1.2925 1.29 1.23 1.15 1.07 1.02 1 1.02 1.08 1.18 1.29 1.36 1.3530 1.33 1.25 1.16 1.07 1 .97 1 1.08 1.19 1.33 1.41 1.435 1.35 1.27 1.16 1.05 .97 .94 .98 1.06 1.2 1.35 1.45 1.4340 1.37 1.27 1.15 1.03 .94 .91 .94 1.04 1.19 1.37 1.48 1.4645 1.38 1.27 1.14 1 .9 .87 .9 1.01 1.18 1.37 1.5 1.4850 1.39 1.26 1.12 .97 .86 .82 .86 .98 1.16 1.37 1.51 1.555 1.38 1.25 1.09 .93 .81 .77 .81 .94 1.13 1.36 1.51 1.5

60 1.37 1.22 1.05 .88 .75 .71 .75 .89 1.1 1.34 1.51 1.4965 1.35 1.19 1.01 .83 .69 .65 .69 .83 1.05 1.31 1.49 1.4770 1.32 1.15 .96 .77 .63 .58 .63 .77 1 1.27 1.46 1.4575 1.28 1.11 .91 .7 .56 .51 .56 .71 .95 1.23 1.42 1.4180 1.23 1.06 .84 .64 .49 .43 .48 .64 .88 1.17 1.37 1.3785 1.18 1 .78 .56 .41 .35 .41 .56 .81 1.11 1.32 1.3290 1.12 .93 .71 .49 .33 .28 .33 .49 .74 1.04 1.25 1.26



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.07 1.06 1.05 1.03 1.02 1.01 1.02 1.03 1.05 1.08 1.09 1.0910 1.14 1.11 1.08 1.05 1.03 1.02 1.03 1.06 1.1 1.14 1.17 1.1615 1.2 1.16 1.12 1.07 1.03 1.02 1.04 1.08 1.14 1.21 1.25 1.2420 1.25 1.2 1.14 1.08 1.03 1.02 1.03 1.09 1.17 1.26 1.32 1.325 1.3 1.23 1.16 1.08 1.02 1 1.02 1.09 1.19 1.3 1.38 1.3630 1.34 1.26 1.17 1.07 1.01 .98 1.01 1.09 1.2 1.34 1.43 1.4135 1.37 1.28 1.17 1.06 .98 .95 .98 1.07 1.21 1.37 1.47 1.4540 1.39 1.29 1.16 1.04 .95 .92 .95 1.05 1.21 1.39 1.5 1.4845 1.4 1.29 1.15 1.01 .91 .88 .92 1.03 1.2 1.39 1.52 1.550 1.41 1.28 1.13 .98 .87 .83 .87 .99 1.18 1.39 1.54 1.5255 1.4 1.27 1.1 .94 .82 .78 .82 .95 1.15 1.38 1.54 1.52

60 1.39 1.24 1.07 .89 .77 .72 .77 .9 1.12 1.36 1.53 1.5165 1.37 1.21 1.03 .84 .71 .66 .71 .85 1.07 1.34 1.51 1.570 1.34 1.17 .98 .78 .64 .59 .64 .79 1.02 1.3 1.49 1.4775 1.3 1.13 .92 .72 .57 .52 .57 .73 .97 1.25 1.45 1.4480 1.25 1.08 .86 .65 .5 .45 .5 .66 .9 1.2 1.41 1.485 1.2 1.02 .8 .58 .43 .37 .42 .58 .84 1.14 1.35 1.3590 1.14 .95 .73 .5 .35 .29 .34 .5 .76 1.07 1.29 1.29



49

Unidad didáctica 6




0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.07 1.06 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02 1.03 1.05 1.08 1..09 1.0910 1.14 1.12 1.09 1.06 1.03 1.02 1.03 1.06 1.1 1.15 1.18 1.1715 1.21 1.17 1.12 1.07 1.04 1.03 1.04 1.08 1.14 1.21 1.26 1.2420 1.26 1.21 1.15 1.08 1.04 1.02 1.04 1.09 1.17 1.27 1.33 1.3125 1.31 1.24 1.17 1.09 1.03 1.01 1.03 1.1 1.2 1.32 1.39 1.3730 1.35 1.27 1.18 1.08 1.01 .99 1.02 1.09 1.21 1.35 1.44 1.4235 1.38 1.29 1.18 1.07 .99 .96 .99 1.08 1.22 1.38 1.49 1.4740 1.4 1.3 1.18 1.05 .96 .93 .96 1.06 1.22 1.4 1.52 1.545 1.42 1.3 1.16 1.03 .93 .89 .93 1.04 1.21 1.41 1.55 1.5250 1.42 1.3 1.14 .99 .88 .84 .88 1.01 1.19 1.41 1.56 1.5455 1.42 1.28 1.12 .95 .83 .79 .84 .97 1.17 1.41 1.57 1.54

60 1.41 1.26 1.08 .91 .78 .73 .78 .92 1.14 1.39 1.56 1.5465 1.39 1.23 1.04 .85 .72 .67 .72 .87 1.09 1.36 1.54 1.5370 1.36 1.19 .99 .8 .66 .61 .66 .81 1.04 1.32 1.52 1.575 1.32 1.15 .94 .73 .59 .54 .59 .74 .99 1.28 1.48 1.4780 1.28 1.1 .88 .67 .52 .46 .52 .67 .93 1.23 1.44 1.4385 1.23 1.04 .82 .6 .44 .39 .44 .6 .86 1.16 1.38 1.3890 1.17 .98 .74 .52 .36 .31 .36 .52 .78 1.09 1.32 1.32



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.08 1.06 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02 1.04 1.06 1.08 1.09 1.0910 1.15 1.12 1.09 1.06 1.04 1.03 1.04 1.06 1.11 1.15 1.18 1.1715 1.21 1.17 1.13 1.08 1.04 1.03 1.04 1.09 1.15 1.22 1.26 1.2520 1.27 1.21 1.15 1.09 1.04 1.03 1.05 1.1 1.18 1.28 1.34 1.3225 1.32 1.25 1.17 1.09 1.04 1.01 1.04 1.1 1.21 1.33 1.4 1.3830 1.36 1.28 1.19 1.09 1.02 1 1.02 1.1 1.23 1.37 1.46 1.4435 1.39 1.3 1.19 1.08 1 .97 1 1.09 1.23 1.4 1.51 1.4840 1.42 1.31 1.19 1.06 .97 .94 .97 1.08 1.24 1.42 1.54 1.5245 1.43 1.32 1.18 1.04 .94 .9 .94 1.05 1.23 1.43 1.57 1.5450 1.44 1.31 1.16 1 .89 .86 .9 1.02 1.21 1.44 1.59 1.5655 1.44 1.3 1.13 .97 .85 .8 .85 .98 1.19 1.43 1.59 1.57

60 1.43 1.28 1.1 .92 .79 .75 .8 .93 1.15 1.41 1.59 1.5765 1.41 1.25 1.06 .87 .74 .69 .74 .88 1.11 1.39 1.57 1.5570 1.38 1.21 1.01 .81 .67 .62 .67 .82 1.07 1.35 1.55 1.5375 1.35 1.17 .96 .75 .6 .55 .6 .76 1.01 1.31 1.52 1.580 1.3 1.12 .9 .68 .53 .48 .53 .69 .95 1.25 1.47 1.4685 1.25 1.06 .83 .61 .46 .4 .46 .62 .88 1.19 1.42 1.4190 1.19 1 .76 .54 .38 .32 .38 .54 .81 1.12 1.36 1.35



Unidad didáctica 6


50



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.08 1.07 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.0910 1.15 1.12 1.09 1.06 1.04 1.03 1.04 1.07 1.11 1.16 1.19 1.1815 1.22 1.18 1.13 1.08 1.05 1.03 1.05 1.09 1.15 1.23 1.27 1.2620 1.28 1.22 1.16 1.09 1.05 1.03 1.05 1.1 1.19 1.29 1.35 1.3325 1.33 1.26 1.18 1.1 1.04 1.02 1.04 1.11 1.22 1.34 1.42 1.430 1.37 1.29 1.2 1.1 1.03 1 1.03 1.11 1.24 1.38 1.48 1.4535 1.41 1.31 1.2 1.09 1.01 .98 1.01 1.1 1.25 1.42 1.52 1.540 1.43 1.33 1.2 1.07 .98 .95 .98 1.09 1.25 1.44 1.56 1.5445 1.45 1.33 1.19 1.05 .95 .91 .95 1.06 1.24 1.45 1.59 1.5750 1.46 1.33 1.17 1.02 .91 .87 .91 1.03 1.23 1.46 1.61 1.5855 1.46 1.32 1.15 .98 .86 .82 .86 1 1.21 1.45 1.62 1.59

60 1.45 1.3 1.12 .94 .81 .76 .81 .95 1.17 1.44 1.62 1.5965 1.43 1.27 1.08 .89 .75 .7 .75 .9 1.13 1.41 1.61 1.5870 1.41 1.23 1.03 .83 .69 .64 .69 .84 1.09 1.38 1.58 1.5675 1.37 1.19 .98 .77 .62 .57 .62 .78 1.03 1.34 1.55 1.5380 1.33 1.14 .92 .7 .55 .49 .55 .71 .97 1.28 1.51 1.4985 1.28 1.08 .85 .63 .47 .42 .47 .64 .9 1.22 1.45 1.4490 1.22 1.02 .78 .56 .4 .34 .39 .56 .83 1.16 1.39 1.38



0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.08 1.07 1.05 1.04 1.02 1.02 1.02 1.04 1.06 1.09 1.1 1.110 1.16 1.13 1.1 1.06 1.04 1.03 1.04 1.07 1.11 1.16 1.19 1.1815 1.22 1.18 1.13 1.09 1.05 1.04 1.05 1.09 1.16 1.23 1.28 1.2720 1.28 1.23 1.17 1.1 1.05 1.04 1.06 1.11 1.2 1.3 1.36 1.3425 1.34 1.27 1.19 1.11 1.05 1.03 1.05 1.12 1.23 1.35 1.43 1.4130 1.38 1.3 1.2 1.11 1.04 1.01 1.05 1.12 1.25 1.4 1.49 1.4735 1.42 1.32 1.21 1.1 1.02 .99 1.02 1.11 1.26 1.43 1.54 1.5240 1.45 1.34 1.21 1.08 .99 .96 1 1.1 1.26 1.46 1.59 1.5645 1.47 1.35 1.2 1.06 .96 .92 .96 1.08 1.26 1.48 1.62 1.5950 1.48 1.34 1.19 1.03 .92 .88 .92 1.05 1.25 1.48 1.64 1.6155 1.48 1.33 1.16 .99 .87 .83 .88 1.01 1.22 1.48 1.65 1.62

60 1.47 1.32 1.13 .95 .82 .78 .82 .97 1.19 1.47 1.65 1.6265 1.46 1.29 1.09 .9 .76 .72 .77 .92 1.16 1.44 1.64 1.6170 1.43 1.26 1.05 .85 .7 .65 .7 .86 1.11 1.41 1.62 1.5975 1.4 1.21 1 .78 64 .58 .64 .8 1.06 1.37 1.59 1.5680 1.36 1.16 .94 .72 .56 .51 .56 .73 .99 1.32 1.54 1.5285 1.31 1.11 .87 .65 .49 .43 .49 .66 .93 1.26 1.49 1.4890 1.25 1.04 .8 .57 .41 .35 .41 .58 .85 1.19 1.43 1.42



51

Unidad didáctica 6



IncIncIncInc EneEneEneEne FebFebFebFeb MarMarMarMar Abr Abr Abr Abr MayMayMayMay JunJunJunJun JulJulJulJul Ago Ago Ago Ago SepSepSepSep OctOctOctOct NoNoNoNovvvv DicDicDicDic

0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1.08 1.07 1.05 1.04 1.03 1.02 1.03 1.04 1.06 1.09 1.1 1.110 1.16 1.13 1.1 1.07 1.04 1.04 1.05 1.07 1.12 1.17 1.2 1.1915 1.23 1.19 1.14 1.09 1.05 1.04 1.06 1.1 1.17 1.24 1.29 1.2720 1.29 1.24 1.17 1.11 1.06 1.04 1.06 1.12 1.21 1.31 1.37 1.3525 1.35 1.28 1.2 1.11 1.06 1.03 1.06 1.13 1.24 1.36 1.45 1.4230 1.4 1.31 1.21 1.12 1.04 1.02 1.05 1.13 1.26 1.41 1.51 1.4835 1.43 1.34 1.22 1.11 1.03 1. 1.03 1.12 1.27 1.45 1.56 1.5340 1.46 1.35 1.22 1.09 1 .97 1.01 1.11 1.28 1.48 1.61 1.5845 1.49 1.36 1.22 1.07 .97 .93 .97 1.09 1.28 1.5 1.64 1.6150 1.5 1.36 1.2 1.04 .93 .89 .94 1.6 1.26 1.51 1.67 1.6355 1.5 1.35 1.18 1.01 .89 .84 .89 1.03 1.24 1.5 1.68 1.65

60 1.5 1.34 1.15 .97 .84 .79 .84 .98 1.21 149 1.68 1.6565 1.48 1.31 1.11 .92 .78 .73 .78 .93 1.18 1.47 1.67 1.6470 1.46 1.28 1.07 .86 .72 .67 .72 .88 1.13 144 1.65 1.6275 1.43 1.24 1.02 .8 .65 .6 .65 .82 1.08 1.4 1.62 1.680 1.38 1.19 .96 .74 .58 .53 .58 .75 1.02 1.35 1.58 1.5685 1.33 1.13 .89 .66 .51 .45 .51 .67 .95 1.29 1.53 1.5190 1.28 1.07 .82 .59 .43 .37 .43 .6 .88 1.22 1.47 1.45



53

Unidad didáctica 6


CONCLUSIONES

Acabas de dar un paso importante en tu formación de futuro profesional delsector de la energía solar. Ahora eres capaz de diseñar y dimensionar instala-ciones fotovoltaicas óptimas y rentables, adaptadas a las necesidades del usua-rio. Además conoces los posibles emplazamientos y eres capaz de analizar cuales más apropiado para cada tipo de instalación.

No olvides los conocimientos adquiridos en esta unidad y ten siempre localizadaesta información pues te puede ser muy útil en el futuro.



Unidad didáctica 6


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RECAPITULACIÓN

A la hora de elegir un emplazamiento hay que considerar:

Irradiación solar

La latitud del lugar

El viento

La altitud del emplazamiento

Proximidad a un punto de conexión de la red eléctrica

Se denomina campos fotovoltaicos a aquellas instalaciones solares foto-voltaicas conectadas a red, ubicadas en parcelas o terrenos agrícolas.

Los campos fotovoltaicos requieren de sistemas antirrobo (alambradas,alarmas, videovigilancia…) puesto que su fácil accesibilidad los hacenmuy vulnerables a estas acciones.

Para realizar el dimensionado de un emplazamiento habremos de cal-cular principalmente:

El número de paneles necesarios para satisfacer la demanda

La distancia que habrá que guardar entre filas de paneles paraevitar que se proyecten sombra entre ellos.

El método de dimensionado mas utilizado es de mes peormes peormes peormes peor que consisteen dimensionar la instalación para que funcione correctamente duranteel mes cuya relación entre radiación y consumo es más desfavorable.

Todo proceso de dimensionado consta de tres partes fundamentales:

Estimación de la demanda energética o necesidades que se hande cubrir.

Evaluación de la energía solar disponible.

Cálculo y elección de los componentes de la instalación.



55

Unidad didáctica 6


Para elegir el ángulo optimo de inclinación analizaremos en qué épocadel año tienen lugar las condiciones más “desfavorables” para la insta-lación. Tomando los ángulos según la tabla

Periodo de diseñoPeriodo de diseñoPeriodo de diseñoPeriodo de diseño βoptoptoptopt

Diciembre (invierno) + 10

Julio (verano) – 20

Anual - 10


Para el cálculo del dimensionado de los emplazamientos por el métodode mes peor, seguiremos los siguientes pasos:

Estimación de la demanda energética media diaria de cada mes.

Evaluación de la energía solar disponible. Irradiación media diariade cada mes para el ángulo de inclinación tomado.

Tomar los valores de irradiación y consumo del mes más críticoobtenido de observar la relación entre los puntos anteriores.

Calcular el número de paneles necesarios para satisfacer la de-manda.

Calcular la superficie total de la ubicación del generador fotovol-taico.

Para realizar la estimación del consumo es necesario que el usuario fi-

nal de la instalación nos de indicaciones de los aparatos que desea uti-lizar y sus hábitos de consumo.

Debe desecharse la opción del uso de un aerogenerador de apoyo enlugares donde la velocidad de viento media anual sea inferior a la velo-cidad de arranque del aerogenerador. Típicamente 4m/s

El inversor debe dimensionarse para que sea capaz de proporcionaruna potencia mayor a la potencia de funcionamiento simultaneo de lascargas, para ello habrá que determinar un porcentaje de simultaneidadpero por lo general puede tomarse un valor entrono al 75%.



57

Unidad didáctica 6


AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿Cual de las siguientes medidas antirrobo en instalaciones fotovoltai-

cas no es correcta?

a) Vallado del campo fotovoltaico e instalación de videocámaras.

b) Inserción de microchips en los elementos de la instalación capaces delocalizar vía GPS donde se encuentran los elementos robados.

c) Las protecciones antirrobo solo se aplican al generador fotovoltaico no alos demás elementos puesto no resultan de interés a los ladrones.

d) Utilización de tuercas antirrobo para fijar los paneles a la estructura.

2. ¿Cuál de los siguientes factores no influye en el dimensionado de un

emplazamiento?

a) Potencia y frecuencia de uso de los consumos.

b) Autonomía de la instalación.

c) Irradiación solar.

d) Grado de inclinación de los paneles fotovoltaicos.

3. ¿Cuáles son las tres partes principales de que consta todo dimensio-

nado?

a) Estimación de la demanda, evaluación de la energía solar disponible, cal-culo y elección de los componentes.

b) Estimación de la demanda, diseño de la del soporte de los paneles, cal-culo de los componentes.

c) Evaluación de la energía solar disponible, calculo de la autonomía de lainstalación y calculo de su rendimiento.

d) Estimación de la demanda, evaluación de la energía solar disponible yelección del emplazamiento.



Unidad didáctica 6


58

4. ¿Cómo se calcula la irradiación en una superficie inclinada un determi-

nado ángulo β si se conoce la irradiación sobre una superficie horizon-

tal?

a) Multiplicando el valor de irradiación sobre superficie horizontal por el án-gulo de inclinación en radianes.

b) Dividiendo el valor de irradiación sobre superficie horizontal por el ángulode inclinación en radianes.

c) Se estima que es aproximadamente la misma irradiación.

d) Se multiplica el valor de irradiación sobre superficie horizontal por un fac-tor de corrección dado en tablas.

5. ¿Cuál de las siguientes equivalencias es cierta?

a) 3,6 MJ/m2 /dia = 1 kWh/m2 /dia.

b) 1Kwh = 100Ah.

c) 1 MJ/m2 /dia = 1000 kWh/m2 /dia.

d) 1 kWh/m2 = 1000 Ah/m2.

6. ¿Cuanto sería el consumo medio diario de una lavadora de 350W si

para cada lavado emplea 1h y se utiliza 2 veces por semanas?

a) 700 Wh/día.

b) 100 Wh/día.

c) 175 Wh/día.

d) 100 kWh/día.

7. ¿Cuál de los siguientes motivos te llevaría plantear el utilizar un insta-

lación hibrida fotovoltaica – eólica?

a) Espacio insuficiente para instalar el área fotovoltaica necesaria para sa-

tisfacer la demanda.

b) Requerimiento puntual de gran consumo.

c) Corto periodo de tiempo con muy baja radiación.

d) Buena irradiación solar todo el año y un consumo constante.



59

8. ¿Puede ser menor la potencia nominal del inversor que la suma de po-

tencias de todas las cargas?

a) No, si es menor la instalación no funcionara correctamente.

b) No, puesto que podría estropearse el inversor.

c) Si, puesto que hay que aplicar un factor de simultaneidad dado que to-das las cargas no van a funcionar a la vez.

d) Si, pero que las cargas funcionarían a menor potencia de su nominal.

9. ¿Qué mes se toma siempre como mes crítico para el dimensionado por

método de mes peor?

a) Diciembre.

b) Julio.

c) Octubre.

d) El que tenga peor relación entre irradiación y consumo.

10. ¿Cuántos vasos de 2V y 1000 Ah de capacidad será necesario conectar

en serie para obtener un acumulador de 24V y 3000 Ah de capacidad?

a) 3.

b) 12.c) 6.

d) 5.



61

SOLUCIONARIO

1. c 2. b 3. a 4. d 5. a

6. b 7. a 8. c 9. d 10. b



62


Te proponemos que busques por Internet hojas Excel o programas de dimen-sionado de instalaciones fotovoltaicas y trabajes con ellas para familiarizarte ycomprobar las posibilidades que ofrecen. En el foro “www.solarweb.net” pue-des encontrar multitud de opciones.

Existe un interesante aplicación difundida por la Agencia Andaluza de la Energíaque sirve para dimensionar instalaciones fotovoltaicas hibridas, puedes encon-trarla en la siguiente dirección Web:

http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/Diafem

Te proponemos que trabajes con ella para comprobar su funcionamiento y losparámetros que solicita al diseñador.



63

BIBLIOGRAFÍA

BAYOD RÚJULA, A.A: Energías Renovables. Sistemas fotovoltaicos .Zaragoza: Prensas Universitarias de Zaragoza, 2009.

FERNÁNDEZ SALGADO. J.M. Tecnología de las energías renovables .Madrid: AMV Ediciones Mundi-Prensa, 2009.

FERNÁNDEZ SALGADO. J.M. Compendio de energía solar: Fotovoltai- ca, Térmica y Termoeléctrica . Madrid: AMV Ediciones Mundi-Prensa,2009.

www.idae.es

www.solarweb.net


http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es



1

Unidad didáctica 7

Representación simbólica de instalaciones solares

fotovoltaicas

ÍNDICE

MOTIVACIÓN ................................................................................................ 3

PROPÓSITOS ................................................................................................ 4


1. SISTEMA DIÉDRICO Y CROQUIZADO......................................................................7

1.1. CROQUIZACIÓN............................................................................................................. 10

2. REPRESENTACIÓN EN PERSPECTIVA DE INSTALACIONES............................................12

3. SIMBOLOGÍA ELÉCTRICA ............................................................................... 14

3.1. SIMBOLOGÍA MULTIFILAR .................................................................................................16

3.2. SIMBOLOGÍA UNIFILAR .....................................................................................................17

3.3. SIMBOLOGÍA DE CONDUCTORES .......................................................................................... 19

3.4. SIMBOLOGÍA DE APARATOS DE MEDIDA................................................................................. 20

3.5. SIMBOLOGÍA DE COMPONENTES Y DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS.....................................................21

3.6. SIMBOLOGÍA ESPECÍFICA DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS........................................................23

3.7. SÍMBOLOS DE MARCADO E IDENTIFICACIÓN.............................................................................23

4. REPRESENTACIÓN DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS...................................................... 26

4.1. ESQUEMA UNIFILAR....................................................................................................... 26

4.2. ESQUEMA MULTIFILAR.....................................................................................................27

5. ESQUEMAS Y DIAGRAMAS SIMBÓLICOS FUNCIONALES ............................................. 29

5.1. ESQUEMA FUNCIONAL .................................................................................................... 29

5.2. ESQUEMA PRÁCTICO ...................................................................................................... 29



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

MOTIVACIÓN

Todo profesional del sector eléctrico y energético debe ser capaz de interpretarplanos y esquemas eléctricos, de lo contrarío le sería imposible realizar sus ta-reas diarias de instalación, mantenimiento, reparación, etcétera.

Seguro que en diferentes ocasiones has visto planos eléctricos de una viviendao de otro tipo de instalación y es posible que hayas podido deducir muchosdatos. ¿No crees que ya es hora de dejar de ver los esquemas eléctricos comoun jeroglífico y verlos como unas instrucciones claras y precisas?



Unidad didáctica 7


4

PROPÓSITOS

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

Interpretar las vistas diédricas de una pieza o componente de una ins-talación.

Trabajar con representaciones en perspectiva.

Conocer los símbolos eléctricos de los componentes fundamentales deuna instalación eléctrica.

Reconocer e interpretar los distintos tipos de planos y esquemas eléc-

tricos.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas



Sistema diédrico de representación

Realización de croquis

Representación en perspectiva

Principales símbolos eléctricos

Esquemas, planos y diagramas eléctricos

Interpretación de planos de instalaciones eléctricas.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

1. SISTEMA DIÉDRICO Y CROQUIZADO

El sistema diédrico es un sistema de representación gráfi-

co mediante el cual es posible representar sobre un plano

(dos dimensiones) una figura tridimensional.

El sistema consiste en la proyección de al menos dos caras de la figura, unasobre el plano vertical y otra sobre el plano horizontal, estas vistas reciben elnombre de alzado y planta superior respectivamente. Su representación sobreun solo plano se consigue abatiendo el plano horizontal.

Figura 1. Sistema de representación diédrica de doble proyección



Unidad didáctica 7


8

En muchas ocasiones con solo dos proyecciones o vistas de la pieza, esta noqueda completamente definida, por ello será necesario utilizar una tercera pro-yección. Existen tantas proyecciones como caras tiene un cubo, es decir seis.

Para obtener cada proyección, imaginaremos la figura en el interior de un cuboy proyectaremos cada cara de la figura sobre su correspondiente cara del cubo.

Figura 2. Proyección de la figura sobre las caras del cubo

En la gran mayoría de las representaciones basta con dos o tres proyeccionespara definir completamente la pieza, alzado y planta o alzado, perfil y planta.

Elegiremos como alzado la cara de la figura que más in-

formación proporcione.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Figura 3.

Las tres principales proyección de una figura y su representación

Las tres vistas principales se representan sobre el plano del modo mostrado enla figura, manteniendo siempre el mismo orden de colocación:

El método que hemos visto es el denominado método de proyección del pr método de proyección del pr método de proyección del pr método de proyección del pri ii imermermermerdiedro diedro diedro diedro . Es el utilizado por norma en Europa y por tanto el que siempre debemosutilizar. Se representa por el símbolo de la siguiente figura:

Figura 4. Símbolo normalizado del método de proyección del primer diedro



Unidad didáctica 7


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El método de representación utilizado en Europa para tra-

bajar con el sistema diédrico es el denominado método de

proyección del primer diedro. Sus tres vistas principales

son: Alzado o vista de frente: Se obtiene mirando la pieza

de frente.

Planta o vista superior: Se obtiene mirando la figura

desde arriba. Su representación se coloca debajo del

alzado.

Perfil izquierdo: Se obtiene mirando la figura desde

la izquierda. Su representación se coloca a la dere-

cha del alzado.

1.1. CROQUIZACIÓN

El croquis es una representación rápida, a mano alzada y

sin ayuda instrumentos geométricos. A pesar de ello la re-

presentación debe estar correctamente acotada, y lo más

proporcionada posible.

Un croquis debe ser entendible por otras personas diferentes al autor, para sudesarrollo deben seguirse las normas del sistema diédrico y debe mantenerse elorden de representación de las vistas, así como su correspondencia. Comoalzado se elegirá la vista más representativa de la figura.

El croquis es un primer boceto, es el método de plasmar una idea. Se consideracompleto cuando a partir de él es posible elaborar un plano a escala o incluso

fabricar la pieza.

En instalaciones fotovoltaicas los croquis pueden ser tanto de estructuras parafijación de paneles como de esquemas de distribución de los elementos, es-quemas de montaje, etcétera.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Figura 5. Croquis de una estructura para paneles fotovoltaicos



Unidad didáctica 7


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2. REPRESENTACIÓN EN PERSPECTIVA DE

INSTALACIONES

El sistema diédrico requiere de conocimientos y cierta destreza para su interpre-tación. Por ello suele ser más utilizada la representación en perspectiva. Estesistema de representación es muy visual e intuitivo y puede ser interpretado porcualquier persona, aunque puede requerir de mayor capacitación para su desa-rrollo.

Entre las diferentes técnicas de representación en perspectiva podemos desta-car los dos tipos más utilizados:

Perspectiva caballera:

Dos dimensiones se representan en verdadera magnitud y a la tercera se le apli-ca un factor de reducción, normalmente de 2:3 (0,67). Consigue dar a la figurarepresentada un efecto de lejanía similar al que percibe el ojo humano. Uno desus ejes es coincidente con la horizontal, otro perpendicular a esta y el terceroforma un ángulo de 45º.

Figura 6. Esquema de montaje de las baterías



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Perspectiva isométrica:

Las tres dimensiones son representadas en verdadera magnitud lo que facilita

su representación a escala la obtención de medidas a partir de la representa-ción. Sin embargo su apariencia no es tan real como en la caballera, puesto queno presenta el efecto de la disminución del tamaño con la distancia, como lopercibe el ojo humano. El ángulo entre dos de los ejes es de 120º y de 60º entreestos y el tercero. Dicho de otro modo el ángulo que forman sus ejes con res-pecto a la horizontal es de 30º, en sentidos opuestos, en dos de ellos (30º y150º) y de 90º con el otro.

Figura 7. Estructura para paneles fotovoltaicos representada en perspectiva isométrica


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Unidad didáctica 7


14

3. SIMBOLOGÍA ELÉCTRICA

La representación de instalaciones eléctricas se realiza por medio de planos yesquemas formados por símbolos, denominaciones y marcados que designancada dispositivo y cada conexión. Del uso común de estos aparecen diferentesconvencionalismos de representación.

Los convencionalismos de representación crean un lenguaje universal que per-mite la interpretación de planos y esquemas electrotécnicos independientemen-te de la nacionalidad y del idioma. Gracias a ellos cualquier profesional del sec-tor electrotécnico es capaz de interpretar un plano realizado en cualquier parte

del mundo.

El problema existente es que los convencionalismos están formados por es-quemas y símbolos de diferentes normativas e incluso, en muchas ocasiones,estos símbolos y esquemas de representación son creados por fabricantes deaparatos eléctricos, que al introducirlos en la documentación de sus productosse extienden y acaban utilizándose como un convencionalismo más. Al final elprofesional se encuentra con una gran diversidad de símbolos que dificultan sutarea.

De esto nace la iniciativa de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) decrear un estándar que unifique toda la simbología y modo de representación de

las instalaciones electrotécnicas.

Pero no solamente existe este estándar, en la siguiente tabla se recogenalgunas de las normativas más importantes y utilizadas en Europa y América:

BSBSBSBS Prescripciones británicas

CEICEICEICEI Comité electrotécnico italiano

DINDINDINDIN Normas alemanas para la industria

IRANORIRANORIRANORIRANOR Instituto de racionalización y normalización en España

UNEUNEUNEUNE Una norma española



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

VDEVDEVDEVDE Asociación electrotécnica alemana

IECIECIECIEC Comisión electrotécnica internacional

ANSA ANSA ANSA ANSA Normativa americana

En esta unidad nos centraremos en las normas que establece la IEC aunquetambién se expondrán convencionalismos referentes a otras normativas queconviene conocer ya que se siguen utilizando y es fácil encontrarlos en algunosplanos.

Te aconsejamos que en tu futuro profesional utilices

siempre la normativa establecida por la Comisión Elec-trotécnica Internacional (IEC).

Para poder interpretar o crear cualquier tipo de plano o esquema, debemos ayu-darnos siempre de la normativa que lo regula. La normativa establece unos sím-bolos y formas comunes para designar o hacer referencia a cada elemento queconforma una instalación eléctrica. Por tanto la única manera de “escribir” unainstalación es haciendo uso del “lenguaje” de la normativa.

Los esquemas de instalaciones electrotécnicas están formados por tres clasesde símbolos:

Símbolos trazos. Son las líneas que representan las conexiones eléctri-cas entre los elementos así como la dependencia o sincronismo entreelementos

Símbolos gráficos. Son figuras que representan cada elemento de lainstalación, cada elemento tiene asociado una figura de identificaciónnormalizada.

Símbolos de marcado e identificación. Consisten en una serie de carac-

teres alfanuméricos normalizados que definen tanto al elemento comoa sus contactos o bornes.

Dependiendo del tipo de esquema utilizado para representar una instalacióneléctrica se utilizan símbolos diferentes para referirse a un mismo elemento. Porello haremos una diferenciación entre simbología multifilar y simbología unifilar.



Unidad didáctica 7


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3.1. SIMBOLOGÍA MULTIFILAR

En los esquemas multifilares se representan las instalaciones con todos los con-ductores que la componen y con el mayor número de detalles posible.

Por ello los símbolos eléctricos contemplan todos los detalles posibles y todaslas conexiones, intentando incluso dar una explicación gráfica de su funciona-miento.

Tranquilo, no consiste en que memorices todos los

símbolos, simplemente familiarízate con los de los ele-

mentos que más utilices. El objetivo de estas tablas es quete sirvan de guía cuando tengas que interpretar o crear un

esquema eléctrico.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Figura 8. Simbología multifilar

3.2.

SIMBOLOGÍA UNIFILAR

En los esquemas unifilares, las instalaciones son representadas de forma resu-mida, sin especificar la conexión de cada conductor, consiguiéndose de estemodo una visión más clara y directa de instalaciones eléctricas de considerablemagnitud.

Por ello, los símbolos eléctricos no contemplan todos los detalles y las conexio-nes se simplifican, de hecho, la representación se efectúa con un solo hilo con-ductor, y los símbolos de estos esquemas son tal y como se muestran a conti-nuación.



Unidad didáctica 7


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Figura 9. Simbología unifilar



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Unidad didáctica 7


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3.3. SIMBOLOGÍA DE CONDUCTORES

En la siguiente tabla se recogen los símbolos utilizados para representar losdiferentes tipos de conductores y conexiones, ya sea en esquemas multifilares ounifilares, especificándose cual es utilizado en cada uno, en caso de que seandiferentes.



Unidad didáctica 7


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Figura 10. Simbología de conductores

3.4.

SIMBOLOGÍA DE APARATOS DE MEDIDA

En las instalaciones eléctricas es frecuente incorporar dispositivos para obtenerla medida de diferentes magnitudes, y conocer así el estado de la instalación, laenergía consumida o generada, etcétera. A continuación se muestra una tablacon los símbolos correspondientes a los principales elementos de medida.



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Unidad didáctica 7


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Figura 11. Simbología de aparatos de medida

3.5.

SIMBOLOGÍA DE COMPONENTES Y DISPOSITIVOSELECTRÓNICOS

Cada día la electrónica se va implantando en más aplicaciones, con el desarrollode la electrónica de potencia no es raro encontrar componentes o dispositivoselectrónicos en instalaciones eléctricas. La siguiente tabla recoge los principalessímbolos electrónicos que nos podemos encontrar:



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Unidad didáctica 7


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3.6. SIMBOLOGÍA ESPECÍFICA DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

Una vez vistos los principales símbolos eléctricos, vamos a continuar con losque son específicos de instalaciones fotovoltaicas, incluyendo los correspon-dientes a elementos de sistemas híbridos.

Generador fotovoltaico Generador

Célula fotovoltaica Regulador de carga

Módulo fotovoltaico Batería o acumulador

Aerogenerador de co-rriente continua Inversor

Aerogenerador de co-rriente alterna.

Convertidor CC/CC

3.7. SÍMBOLOS DE MARCADO E IDENTIFICACIÓN

Todos los componentes de un esquema eléctrico deben estar perfectamenteidentificados para no tener ninguna de confusión a la hora de localizarlos.

La designación para los componentes en los circuitos se efectúa con una letraalfabética o excepcionalmente dos (KA, KM) y un número que diferencia doscomponentes con las mismas letras.

Además las letras de designación deben ser normalizadas para que todos aque-llos circuitos realizados con las mismas normas posean una información comúnpara todos ellos.



Unidad didáctica 7


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No pretendemos que memorices ni la simbología ya vista,

ni la identificación sino que únicamente te familiaricescon ellas y puedas utilizar esas tablas como elemento de

consulta.

En la siguiente tabla se muestra la letra que designa a cada clase de material oaparato:

LetraLetraLetraLetra Clase de material o aparatoClase de material o aparatoClase de material o aparatoClase de material o aparato EjemplosEjemplosEjemplosEjemplos

A Conjuntos y subconjuntos funcionales (de

serie)

Autómatas programables, amplificadores,

regulación de velocidad.B Transductores de magnitudes no eléctricas

a magnitudes eléctricas o viceversaTermostatos, micrófonos, piezoeléctricos,células fotoeléctricas

C Condensadores

D Operadores binarios, temporizadores ymemorias

elementos monoestables y biestales, me-morias de disco.

E Materiales diversos Alumbrado, calefacción y otros elementosno incluidos en esta tabla

F Dispositivos de protección Relés de protección, limitador de sobre-tensión, pararrayos, disipadores, fusibles…

G Generadores Generadores, alternadores, osciladores,

equipos de alimentación, bateríasH Dispositivos de señalización Indicadores luminosos y acústicos

K Relés y contactores

KA Relés y aparatos auxiliares

KM Contactores

L Inductancias Bobinas de inducción y bloqueo

M Motores

N Subconjuntos (no de serie)

P Instrumentos de medida y de prueba Contadores, indicadores, conmutadoreshorarios, relojes, instrumentos de medida

Q Aparatos mecánicos de conexión paracircuitos de potencia

Interruptores, seccionadores, disyuntores

R Resistencias Resistencias variables, potenciómetros,reostatos, shunt, termistores

S Aparatos mecánicos de conexión paracircuitos de control

Pulsadores, interruptores, conmutadores,finales de carrera

T Transformadores Transformadores de tensión y de corriente

U Moduladores, demoduladores y converti-dores

Discriminadores, demoduladores, conver-tidores de frecuencia, variadores, codifica-dores, onduladores

V Semiconductores, válvulas electrónicas Válvulas de vacío, lámparas de descarga,diodos, transistores, tiristores, rectificado-



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fotovoltaicas

LetraLetraLetraLetra Clase de material o aparatoClase de material o aparatoClase de material o aparatoClase de material o aparato EjemplosEjemplosEjemplosEjemplos

res

W Vías de transmisión, guías de ondas, ante-

nas

Cables, embarrados, antenas parabólicas

X Bornas, clavijas, zócalos Clavijas y cajas de conexión, regletas deconexión, bornas de soldadura

Y Aparatos mecánicos accionados eléctri-camente

Frenos, embragues, electroválvulasneumáticas, electroimanes

Z Cargas compensatorias, transformadoresdiferenciales, filtros correctores, limitado-res

Filtros, reguladores, equilibradores

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ra tu formación, del mismo modo que tu profesor de

prácticas, tu tutor o tu preparador.



Unidad didáctica 7


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4. REPRESENTACIÓN DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Ahora que ya conocemos los símbolos de representación de los elementos queconforman una instalación eléctrica, vamos a ver como puede representarse laconexión entre ellos, para ello analizaremos los tipos principales de representa-ción de circuitos eléctricos: el esquema unifilar y el esquema multifilar

4.1. ESQUEMA UNIFILAR

Es el más utilizado para representar instalaciones eléctricas de conexiones sim-ples donde se presume que todo profesional conoce como van conectados loselementos que la conforman. Este tipo de esquemas son comúnmente utiliza-dos para la representación de instalaciones eléctricas domésticas.

El esquema unifilar consiste en la representación de un

conjunto de conductores mediante una única línea en la

que se superponen cierto número de pequeños trazos

oblicuos para indicar el número de conductores que la

forman.

Figura 13. Esquema unifilar de una conmutada desde cuatro puntos



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Observando la figura puedes obtener rápidamente la cantidad y tipo de elemen-tos que componen la instalación así como el número de cables necesarios, peroen este caso, si no conoces el método de conexión de la conmutada desde

cuatro puntos no serás capaz de realizar el montaje de la instalación.

Figura 14. Esquema unifilar de la instalación eléctrica de una vivienda

4.2. ESQUEMA MULTIFILAR

Cada fase o conductor es representado por una línea. Este método de repre-sentación es el utilizado en instalaciones con cierta complejidad donde es nece-sario contemplar las conexiones de todas líneas individualmente. . Por tantopartiendo de él es posible realizar cualquier montaje eléctrico sin necesidad deconocer previamente como van conectados los elementos de la instalación.

Figura 15. Esquema multifilar de una conmutada de cuatro puntos



Unidad didáctica 7


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Como puedes ver en la figura ahora no resulta tan evidente obtener la cantidady tipo de elementos que componen la instalación pero seguro que con este es-quema, sin conocer previamente el método de conexión, serías capar de montar

la aplicación.






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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

5. ESQUEMAS Y DIAGRAMAS SIMBÓLICOS

FUNCIONALES

Además de los dos tipos de esquemas fundamentales que hemos visto, existenotros diagramas de representación adaptados al tipo de instalación o al públicoal que van destinados.

5.1. ESQUEMA FUNCIONAL

Los elementos de la instalación y su interconexión se representan entre laslíneas de alimentación orientadas en sentido vertical. De este modo el esquemapermite una visualización rápida y clara de la configuración de la instalación.

Figura 16.

Esquema funcional de una conmutada de cuatro puntos

5.2. ESQUEMA PRÁCTICO

Tal vez el más empleado en los talleres eléctricos de instalación y mantenimiento.

Su comprensión por parte de las personas poco entendidas hace de él laherramienta más empleada en escuelas de formación profesional. Un rápidovistazo nos permite comprender enseguida la instalación. El seguimiento de lamisma resulta muy sencillo, incluso para entender su funcionamiento.



Unidad didáctica 7


30

Figura 17. Ejemplo esquema práctico



tiendes algún concepto, ponte en contacto con tu tutor, tu

profesor de prácticas o tu entrenador. Ellos te pueden

ayudar.

5.3.

PLANO EN PERSPECTIVA

Este tipo de diagrama, representa de forma clara y directa la situación de lostubos de la canalización y cajas de conexión en un determinado espacio físico.Este tipo de planos suelen ir destinados a los profesionales de la albañileríaquienes no tienen por que saber de instalaciones eléctricas.

En este caso concreto se trata de una habitación con dos entradas, a la quedotamos de una conmutada desde dos puntos y tres bases de enchufe.

Figura 18. Plano en perspectiva



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Se pueden apreciar claramente el punto de luz en el centro de la habitación, lascajas de empalme, que en este caso son redondas, y unos pequeños rectángu-los que simulan los diferentes mecanismos (interruptores, conmutadores, corto-

circuitos, bases de enchufe, etc.) que hay que instalar.

5.4. PLANO ELECTRICO DE PLANTA

¿Quién no ha visto alguna vez un plano de estas características, en cualquierprospecto publicitario de inmobiliarias?

Es empleado por arquitectos e ingenieros técnicos para describir una instala-ción eléctrica, en el entorno donde va a ser realizada, clarificando así su com-prensión y, sobre todo, la situación exacta de los mecanismos. Algunos hastatienen las medidas en centímetros de la altura a la que deben ser colocados.Como puedes ver en la figura este plano consiste en la superposición de unplano topográfico y un esquema unifilar de la instalación.

Figura 19. Plano eléctrico de planta



Unidad didáctica 7


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6. INTERPRETACIÓN DE PLANOS DE INSTALACIONES

ELÉCTRICAS

Una vez vistos los símbolos gráficos y conocidos los diferentes tipos de esque-mas, ya seríamos capaces de interpretar cualquier plano de instalaciones eléc-tricas. Para una correcta interpretación te recomendamos que sigas los siguien-tes pasos:

1. Identificación del tipo de plano o esquema. En un primer vistazo anali-zaremos si se trata de un esquema unifilar o multifilar.

2. Consultando las tablas de simbología identificaremos todos los com-ponentes que aparecen en el esquema y su función: seccionamiento,protección, maniobra, actuadores o receptores, etcétera.

3.

Análisis de la interconexión entre los elementos. Analizaremos cada unade las ramas independientemente, comenzando por las líneas de ali-mentación, pasando por los elementos de seccionamiento y protec-ción, siguiendo por los elementos de maniobra y terminando en el re-ceptor.

4. Análisis de la función que realiza cada una de las ramas. Para ello seanalizará la influencia que tienen los elementos de maniobra sobre losreceptores o actuadores, es decir, como actúa el receptor al manipularsobre los elementos de maniobra que lo controlan.

5. Obtención de información a partir de los datos especificados en el es-quema tales como sección y aislamiento de los conductores, puestas atierra, valores de disparo de los elementos de protección, valores míni-mos de apertura de los elementos de seccionamiento…

Cuando veas un plano eléctrico por sencillo o complejo

que parezca no te desanimes por no entenderlo en un

primer vistazo. Incluso los más experimentados necesitan

estudiarlo unos minutos para comprender su funciona-

miento.



33

Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Veamos, a continuación, un esquema eléctrico de ejemplo sobre el que segui-remos los pasos de interpretación.

Figura 20. Esquema instalación eléctrica. Conmutada desde tres puntos y tubo fluorescente.

De un primer vistazo a la figura comprobamos que se trata de un esquema mul-tifilar.



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34

Utilizando las tablas de símbolos de esquemas multifilares vamos identificandolos componentes en orden descendente y de izquierda a derecha:

F1 es un interruptor magnetotérmico de 25A y tiene la función de pro-teger la instalación entera en caso de sobrecorriente o cortocircuito.

F2 es un interruptor diferencial de 40A con una sensibilidad de 30 mA,protege contra contactos directos e indirectos en toda la instalación.

Continuando por la rama de la izquierda nos encontramos con F3, otrointerruptor magnetotérmico cuya función es proteger únicamente a estarama, es por ello que su intensidad de disparo es menor que F1.

A continuación tenemos un conmutador (S1), un conmutador de cruce(S2) y otro conmutador (S3). Estos conmutadores abren o cierran el pa-so de corriente de L1 a la lámpara (E1). Observa como un cambio en un

conmutador cualquiera hace que cambie de estado la lámpara. Una vez hemos analizado la interconexión y funcionamiento de la rama

de la izquierda pasamos a analizar la rama de la derecha. Esta rama, aligual que la otra, tiene su propio interruptor magnetotermico de protec-ción (F4). Siguiendo por ella encontramos un interruptor de acción ma-nual (S4) que abre o cierra el paso de corriente al receptor.

El receptor consiste en una lámpara fluorescente (E2) con su reactancia(E2.2) en serie y su cebador en paralelo (E2.3).

Finalmente hacemos un repaso general del circuito y prestando espe-cial atención a otros datos marcados en el esquema, como los cables

de protección PE y los valores de todos los componentes.

Concédete un capricho. Felicítate por tu esfuerzo, estamos

seguros de que te lo mereces.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

CONCLUSIONES

A partir de ahora ya no veras un esquema eléctrico como un conjunto de símbo-los incomprensibles, ya has aprendido a leer este método de escritura. Erescapaz de interpretar vistas diédricas, instalaciones en perspectiva y planos eléc-tricos. Has dado un importante paso para llegar a ser un buen profesional.

¿Has probado a interpretar el esquema eléctrico de tu vivienda?



Unidad didáctica 7


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RECAPITULACIÓN

En esta unidad hemos aprendido conceptos muy importantes que no debesolvidar:

El sistema diédrico es un sistema de representación gráfico mediante elcual es posible representar sobre un plano (dos dimensiones) una figuratridimensional.

Existen tantas proyecciones diédricas como caras tiene un cubo, esdecir seis.

En la gran mayoría de las representaciones basta con dos o tres pro-yecciones para definir completamente la pieza, alzado y planta o alza-do, perfil y planta.

El método de representación utilizado en Europa para trabajar con elsistema diédrico es el denominado método de proyección del primerdiedro. Sus tres vistas principales son:

Alzado o vista de frente: Se obtiene mirando la pieza de frente.

Planta o vista superior: Se obtiene mirando la figura desde arriba.Su representación se coloca debajo del alzado.

Perfil izquierdo: Se obtiene mirando la figura desde la izquierda.

Su representación se coloca a la derecha del alzado.

El croquis es una representación rápida, a mano alzada y sin ayuda ins-trumentos geométricos. A pesar de ello la representación debe estarcorrectamente acotada, y lo más proporcionada posible.

Perspectiva caballera: Dos dimensiones se representan en verdaderamagnitud y a la tercera se le aplica un factor de reducción, normalmen-te de 3:4. Uno de sus ejes es coincidente con la horizontal, otro per-pendicular a esta y el tercero forma un ángulo de 45º.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

Perspectiva isométrica: Las tres dimensiones son representadas enverdadera magnitud lo que facilita su representación a escala la obten-ción de medidas a partir de la representación. el ángulo que forman sus

ejes con respecto a la horizontal es de 30º, en sentidos opuestos, endos de ellos (30º y 150º) y de 90º con el otro.

Utiliza siempre la simbología de la normativa establecida por la Comi-sión Electrotécnica Internacional (IEC).

Los esquemas de instalaciones electrotécnicas están formados por tresclases de símbolos:

Símbolos trazos.

Símbolos gráficos.

Símbolos de marcado e identificación.

Los principales tipos de representación de circuitos eléctricos son elesquema unifilar y el esquema multifilar.



Unidad didáctica 7


40

4.

¿Qué tipo de esquema eléctrico utilizarías para representar una insta-

lación eléctrica de gran cantidad de elementos en la que las configura-

ciones son sencillas?

a)

Esquema multifilar

b) Esquema unifilar

c)

Esquema funcional

d) Esquema practico

5.

¿En que consiste el esquema funcional?

a) En la representación de conjuntos de conductores mediante una sola lí-nea.

b) En la representación del esquema unifilar sobre el plano topográfico deledificio.

c)

En la representación de los elementos y sus conexión entre las líneas dealimentación orientadas en sentido vertical.

d) En la representación en perspectiva del espacio físico sobre el que serrepresenta el recorrido de los cables y ubicación de los elementos.

6. ¿Qué significa el siguiente símbolo en un esquema unifilar: ?

a)

Resistencia.

b)

Conductor sin aislante de protección.

c)

Condensador variable.

d) La línea esta formada por tres conductores.

7.

¿Cual es el símbolo del método de proyección del primer diedro?

a)

b)

c)

d)



41

Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

8.

¿Con qué letra se designan los dispositivos de protección?

a) F

b)

S

c) P

d)

A

9. ¿Cuál de los siguientes símbolos es el que representa un inversor?

a)

b)

c)

d)

10. ¿A que dispositivo representa el siguiente símbolo?

a) Interruptor bipolar diferencial

b)

Interruptor automático bipolar magnetotérmico

c)

Interruptor bipolar temporizado.

d) Interruptor doble con fusible integrado.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

SOLUCIONARIO

1.

d 2.

a 3.

b 4.

b 5.

c

6. d 7. c 8. a 9. d 10. b



Unidad didáctica 7


44


Te proponemos que busques esquemas eléctricos de vivienda, ya seael de tu propia vivienda o a través de Internet, y analices todos sus ele-mentos y trates de entender como funciona la instalación.

También te recomendamos que practiques a obtener las vistas de unapieza. Para ello toma cualquier objeto que tengas cercano y trata de di-bujar sus proyecciones diédricas para que quede completamente defi-nido.



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Unidad didáctica 7


fotovoltaicas

BIBLIOGRAFÍA

RAMOS, B. Y GARCÍA, E. Dibujo Técnico . Madrid: AENOR, 2006.

FERNÁNDEZ SORA, A. Expresión Gráfica . Zaragoza: Mira Editores,2003.

ROLDÁN VILORIA, J. Automatismos Industriales . Madrid: Paraninfo,2009.

NORMA UNE 1-032-82

www.aenor.es



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Unidad didáctica 8


ÍNDICE

MOTIVACIÓN ................................................................................................ 3

PROPÓSITOS ................................................................................................ 4


1. CONCEPTO Y TIPOS DE PROYECTOS Y MEMORIAS TÉCNICAS...........................................7

2. MEMORIA, PLANOS, PRESUPUESTO, PLIEGO DE CONDICIONES Y PLAN DE SEGURIDAD ...........9

3. PLANOS DE SITUACIÓN ................................................................................ 13 4. PLANOS DE DETALLE Y DE CONJUNTO................................................................. 16

5. DIAGRAMAS, FLUJOGRAMAS Y CRONOGRAMAS ...................................................... 18

6. PROCEDIMIENTOS Y OPERACIONES DE REPLANTEO DE LAS INSTALACIONES ..................... 23

7. EQUIPOS INFORMÁTICOS PARA REPRESENTACIÓN Y DISEÑO ASISTIDO ........................... 25

8. PROGRAMAS DE DISEÑO ASISTIDO................................................................... 26

9. DISEÑO Y DIMENSIONADO MEDIANTE SOPORTE INFORMÁTICO DE INSTALACIONES

SOLARES FOTOVOLTAICAS ............................................................................ 28

10. VISUALIZACIÓN E INTERPRETACIÓN DE PLANOS DIGITALIZADOS ................................. 30

11. OPERACIONES BÁSICAS CON ARCHIVOS GRÁFICOS ................................................. 31

12. RESISTENCIAS DE ANCLAJES, SOPORTES Y PANELES.............................................. 32

13. CÁLCULO DE DILATACIONES TÉRMICAS Y ESFUERZOS SOBRE LA ESTRUCTURA ...................37

14. DESARROLLO DE PRESUPUESTOS .................................................................... 41



Unidad didáctica 8


2

CONCLUSIONES ........................................................................................... 45

RECAPITULACIÓN ......................................................................................... 46

AUTOCOMPROBACIÓN .................................................................................... 49

SOLUCIONARIO............................................................................................ 53


BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 55



3

Unidad didáctica 8


MOTIVACIÓN

En muchas ocasiones has oído hablar de proyectos, memorias técnicas, planos,presupuestos, diagramas…Son conceptos muy utilizados en el desarrollo deobras e instalaciones pero… ¿Sabes realmente en que consisten?

Por otro lado seguramente ya dispones de buenos conocimientos en energíassolar fotovoltaica, pero… ¿Sabrías calcular la resistencia que las estructuras olos efectos térmicos que tienen que soportar?

Estamos seguros que cuando has terminado este tema la respuesta a estaspreguntas será afirmativa.



Unidad didáctica 8


4

PROPÓSITOS

Al finalizar el estudio de esta unidad serás sabrás:

En que consiste un proyecto y una memoria técnica y las diferenciasentre ambos.

Los diferentes tipos de planos que debe incluir un proyecto.

Las múltiples ventajas que ofrecen los programas de diseño asistidopor ordenador.

Calcular la resistencia mecánica que necesitan tener las estructuras y

los esfuerzos térmicos a que se someten.



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Unidad didáctica 8




Proyectos y memorias técnicas. Tipos y conceptos.

Planos de situación, planos de detalle y planos de conjunto.

Diagramas, flujogramas y cronogramas.

Procedimientos de replanteo de instalaciones.

Equipos informáticos para representación y diseño asistido. Programas

CAD, diseño y dimensionado, visualización y operaciones básicas. Cálculo de estructuras. Resistencia mecánica y efectos térmicos.

Presupuestos.



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Unidad didáctica 8


1. CONCEPTO Y TIPOS DE PROYECTOS Y MEMORIAS

TÉCNICAS

Para obtener las autorizaciones administrativas necesarias previas a la puestaen marcha de una instalación fotovoltaica es necesario presentar a las autorida-des competentes, una serie de documentos justificativos, en los que se descri-ben las características de la instalación y en los que se justifica que se ha cum-plido con los preceptos establecidos por la normativa vigente. Dependiendo dela potencia de la instalación, los documentos consistirán en una memoria técni-ca en caso de potencia inferior o igual a 10kW o en el proyecto de la instalación

en el caso de instalaciones superiores a 10kW.

Los proyectos y memorias técnicas son documentos en los

que se recoge la información de todas las características de

una obra, de modo que ésta queda completamente definida.

Además justifican el cumplimento con la normativa vigente.

El objetivo de un proyecto es que mediante la información

en él recogida sea posible dirigir la obra proyectada.

El objetivo de la memoria técnica es que cualquier profesionalcualificado pueda conocer las principales características de la

instalación.

La memoria técnica es un documento más resumido y por tanto menos detalla-do que el proyecto, aunque en ambos figuran cálculos y planos en esta solo semuestran los principales. En el proyecto se detallan todos los cálculos realiza-



Unidad didáctica 8


8

dos para el dimensionado y diseño de la instalación, y se justifican las solucio-nes adoptadas. Además incluye todos los planos y esquemas necesarios para eldesarrollo de la instalación, mientras que en la memoria solamente se incluyen

aquellos que la definen.

La memoria técnica puede ser redactada y firmada por uninstalador autorizado o por un técnico titulado competen-te, sin embargo el proyecto únicamente puede ser redac-tado y firmado por este último y deberá ser visado por elColegio Oficial correspondiente.



9

Unidad didáctica 8


2. MEMORIA, PLANOS, PRESUPUESTO, PLIEGO DE

CONDICIONES Y PLAN DE SEGURIDAD

Un proyecto está formado por los siguientes documentos: Memoria (no confun-dir con memoria técnica), planos, presupuesto, pliego de condiciones y estudioscon entidad propia, dentro del cual figura el plan de seguridad. A continuaciónveremos en detalle cada uno de estos documentos.

Memoria

La memoria es el documento fundamental del proyecto y el que actúa de uniónentre el resto de documentos.

La memoria es el documento que describe de modo claroy preciso el objetivo del proyecto, de manera que cual-quier persona, especialmente el cliente, pueda compren-derlo, sin necesidad de ser especialista en la materia..

La memoria del proyecto de una instalación fotovoltaica conectada a red con-tiene la siguiente información:

Datos de ubicación de la instalación.

Datos de la persona que ha encargado el proyecto y del técnico titula-do que lo redacta y firma.

Objetivo del proyecto



Unidad didáctica 8


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Requisitos de diseño establecidos por el cliente, por la legislación y re-glamentación aplicables, por el emplazamiento, etcétera.

Análisis de soluciones y justificación de las elegidas.

Descripción general de la instalación.

Características específicas de todos los equipos que la componen

Descripción detallada de todas las protecciones.

Cálculos de dimensionado

Evaluación de energía anual producida

Planos

Los planos son el documento que constituye la represen-tación gráfica de todos los elementos necesarios y juntocon la memoria sirven para definir con precisión el objetodel proyecto.

Los planos son el documento más utilizado de todo el proyecto durante la obra

y por tanto han de proporcionar toda la información necesaria, de forma conci-sa, para poder llevar a cabo la obra proyectada.

Este archivo debe contener todos los planos y esquemas necesarios para lacorrecta comprensión y realización de la instalación. Los planos contendrántoda la información necesaria para su correcta interpretación y estarán debida-mente acotados. Cada plano deberá incluir su cajetín identificativo.

El proyecto de una instalación fotovoltaica contendrá al

menos los siguientes planos: Planos de situación y emplazamiento de la instala-

ción

Planos de planta donde se muestra la ubicación delos equipos.

Esquema unifilar de la instalación.



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Unidad didáctica 8


Presupuesto

El presupuesto es el documento que recoge la estimacióneconómica detallada de todos los costes que conlleva larealización del objeto del proyecto.

El presupuesto debe incluir:

Precios unitarios de materiales, mano de obra y elementos auxiliares.

Cantidades de cada unidad. Valoración económica global, desglosada por partes.

Presupuesto de las medidas de seguridad adoptadas para el desarrollodel proyecto.

Indicación clara de si los precios incluyen los impuestos, tasas, segu-ros, permisos y licencias, etc.

Pliego de condiciones

El pliego de condiciones es el documento donde se esta-blecen las cláusulas y condiciones técnicas, económicas yadministrativas para la consecución del objeto del proyec-to.

En este documento se indican los derechos y obligaciones entre el titular y el

ejecutor, las condiciones generales de trabajo, así como la descripción y carac-terísticas de los materiales a utilizar.

El pliego de condiciones contendrá:

Condiciones legales: Reglamentación y normativa aplicable al proyecto

Condiciones económicas: Condiciones de pago del proyecto, fianzas,garantías…

Condiciones técnicas: Ensayos, puestas en marcha, control de cali-dad…



Unidad didáctica 8


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Condiciones particulares: Plazos de entrega, modificaciones, contratos,especificaciones de los materiales y elementos constructivos, etc.

Plan de seguridad

El plan de seguridad es un documento recogido dentro del archivo de Estudioscon Entidad Propia donde se recogen aquellos documentos requeridos por exi-gencias legales.

El plan de seguridad es el documento en el cual se recopi-lan las actuaciones, en lo que respecta a prevención deriesgos laborales, que deben llevarse a cabo durante larealización de la obra o instalación.

En este documento se recogen todas las medidas de seguridad que deben im-plantarse para la consecución del objeto del proyecto, atendiendo a la normati-va de seguridad específica de cada trabajo.

El plan de seguridad deberá incluir una previsión del coste económico que im-plica la aplicación de todas las medidas y acciones a aplicar.



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Unidad didáctica 8


3. PLANOS DE SITUACIÓN

Los planos de situación tienen como objetivo especificar la ubicación exactadonde se va a llevar a cabo la obra del proyecto y mostrar la relación de esta

ubicación con el entorno, es decir las comunicaciones de acceso (carreteras,puertos, aeropuertos, fabricas…), núcleos urbanos próximos, accidentes delterreno, proximidad de ríos o lagos o cualquier otra variable que defina dichoentrono.

Los planos han de ser los suficientes y necesarios comopara que sea posible llegar a la zona de la obra del proyec-to con el uso exclusivo de la cartografía incluida en estedocumento.

Los planos de situación constaran de los siguientes niveles:

Plano de localización a nivel Continental (Europa): Muestra todos lospaíses del continente y marca el país donde se encuentra la obra.

Figura 1. Plano Continental



Unidad didáctica 8


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Plano de localización a nivel Nacional (España): Muestra las regiones yprincipales ciudades del país, sobre el si representa la indicación delpunto exacto donde esta ubicada la obra. Este plano debe dar informa-

ción de la ciudad principal más cercana.

Figura 2. Plano Nacional

Plano de localización a nivel Comunidad Autónoma: Este plano debe

mostrar las principales vías de comunicación con la región donde seubica la obra.

Figura 3. Plano de Comunidad Autónoma



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Unidad didáctica 8


Plano de localización a nivel Local: Debe mostrar las vías de acceso pa-ra llegar a la obra.

Figura 4. Plano Local

Plano Catastral: Muestra en detalle el área de la obra, los accidentesgeográficos y poblaciones próximas.

Figura 5. Plano Catastral


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Unidad didáctica 8


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4. PLANOS DE DETALLE Y DE CONJUNTO

El plano de conjunto representa una vista general del sistema, en él puede versela ubicación de las distintas piezas que lo componen y la relación entre ellas.

El objetivo del plano de conjunto es servir al montaje delsistema, ello requiere que la visualización de la distribu-ción de las piezas tenga preferencia sobre los detalles deestas.

Figura 6. Ejemplo plano de conjunto



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Unidad didáctica 8


Todas las piezas representadas en el plano deben ser claramente identificadasmediante marcas, de este modo es posible su identificación en los documentosdel proyecto. En el mismo plano de conjunto se incluirá una lista con denomi-

nación correspondiente a cada pieza marcada.Como hemos comentado, en los planos de conjunto no se atiende a los deta-lles, por tanto serán necesarios otros planos donde estos queden perfectamenterepresentados, pues en un proyecto no debe quedar ningún detalle sin definir.

Los planos específicos donde se representan todos los de-talles necesarios para definir completamente una pieza osistema se denominan planos de detallplanos de detallplanos de detallplanos de detalleeee.

En caso de piezas o sistemas con pocos detalles y sencillos, estos pueden serrepresentados en el mismo plano donde aparece la pieza, pero por lo general serecomienda que estos sean representados en planos de detalle.



Unidad didáctica 8


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5. DIAGRAMAS, FLUJOGRAMAS Y CRONOGRAMAS

Como sabes el objetivo de un proyecto es recopilar toda la información necesa-ria para ser capaz de desarrollar un objetivo final, pero esta información debeser entendible y fácilmente interpretada por todos. A este cometido ayuda engran manera la representación gráfica de la información por medio de los llama-dos diagramas. Gracias a ellos se consigue una visión, esquemática, rápida yfácilmente interpretable.

Un diagrama es un método grafico de representación dela relación existente entre las diferentes partes de un pro-ceso.

A continuación veremos los dos tipos de diagramas más utilizados en la elabo-ración de proyectos: los flujogramas y los cronogramas.

Flujogramas

El flujograma o diagrama de flujo es en una representa-ción gráfica, por medio de símbolos, que muestra la se-cuencia ordenada del proceso a seguir para alcanzar unobjetivo final.



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Unidad didáctica 8


La utilización de símbolos evita la necesidad de textos explicativos, consiguien-do así un esquema conciso, ordenado y rápido de interpretar. Los flujogramasson de gran ayuda a la hora de planificar la redacción de documentos pues

permiten obtener una visión clara y lógica de los procesos realizados.Los principales símbolos utilizados en un flujograma se recogen en la siguientetabla:

SÍMBOLOSÍMBOLOSÍMBOLOSÍMBOLO SIGNIFICADOSIGNIFICADOSIGNIFICADOSIGNIFICADO

Terminal. Indica el inicio o fin del proceso

Operación o tarea

Proceso.

Operación y verificación simultáneamente

Archivar o almacenar

“Y” . Permite continuar el flujo una vez se han cumplido todas lasacciones entrantes.

“O”. Permite continuar el flujo cuando se ha cumplido alguna de lasacciones entrantes.

Toma de decisión.

Documento creado o trasformado en el proceso

Varios documentos

Indicador de dirección del flujo



Unidad didáctica 8


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SÍMBOLOSÍMBOLOSÍMBOLOSÍMBOLO SIGNIFICADOSIGNIFICADOSIGNIFICADOSIGNIFICADO

Conectores. En flujogramas de varias páginas indican la continuacióny correspondencia de las líneas.

Los flujogramas pueden mostrar la asociación de las operaciones a personas o

departamentos, para ello el flujograma se estructura en columnas, cada unacorresponde a cada encargado de realizar las tareas.

PROYECTISTA ADMINISTRACIÓN TECNICOS

Encargo cliente

Estudio previo

Anteproyecto

Proyecto

Elaboración

Proyecto

Solicitud

a electricas

Solicitud permisos

Aceptada? Permisos

Solicitud

conexión a red

Puesta en marcha

Instalación

NO

SI

Figura 7. Ejemplo de flujograma para una instalación solar fotovoltaica de

conexión a red



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Unidad didáctica 8


Cronogramas

Autotexto Definición.

El cronograma consiste en un gráfico de barras aplicado sobre una tabla estruc-turada en periodos de tiempo. La longitud de cada barra representa el tiempoasignado a la realización de la operación, y la casilla donde empieza indica el

momento en que ha de iniciarse.MESES

1 2 3

SEMANASOPERACIÓN

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1ª FASE

Pedido de materiales

Desarrollo de estructuras

Preparación anclajes

Montaje de estructuras

2ª FASE

Montaje módulos FV

Cableado entre módulos

Realización de pruebas

3º FASE

Instalación inversor y protec.

Cableado generador-inversor

Prueba general

Conexión a red

Figura 8. Ejemplo de cronograma de instalación de una planta solarfotovoltaica conectada a red



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Unidad didáctica 8


6. PROCEDIMIENTOS Y OPERACIONES DE REPLANTEO

DE LAS INSTALACIONES

El replanteo de una instalación consiste en aplicar sobre elterreno los planos e indicaciones dadas en el proyecto.

Para llevara a cabo el replanteo de una instalación deberán consultarse siemprelos planos correspondientes incluidos en el proyecto.

A continuación se indican ordenadamente los procedimientos y operaciones dereplanteo de una instalación solar fotovoltaica en sus diferentes fases:

Fase de reconocimiento. Por norma general lo primero es reconocer elterreno, para ello se hace uso de los planos de situación. Se deberáexaminar exhaustivamente todos los factores que pueden influir a lainstalación.

Fase de distribución. Una vez sobre el terreno se examinan los planosen planta y los planos de conjunto para saber donde deben ir ubicadosy como van distribuidos los elementos. En base a esto se harán medi-ciones y se marcará sobre el terreno, con la mayor precisión posible, laubicación de las partes que van a ir sobre él, así como la de los siste-mas de anclaje de estas. Deberán tenerse en cuenta las indicacionesespeciales recogidas en el proyecto.

Fase de cableado. Se planifica el trazado que seguirá el cableado y lossistemas de canalización que se van a utilizar, deberán tenerse en con-sideración todas las indicaciones especificadas en el proyecto y las es-tablecidas por la normativa.



Unidad didáctica 8


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En las operaciones de replanteo, se aplica la teoría a la

práctica, lo que conlleva frecuentemente la aparición dedesviaciones o errores respecto a lo establecido en el pro-yecto. Según de la envergadura de estas desviacionespodrán ser solventadas directamente por los técnicos otendrán que ser notificadas al proyectista para que lleve acabo las modificaciones pertinentes. En caso de que lasincidencias sean resueltas por los técnicos estas deberánser siempre puestas en conocimiento del proyectista.



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Unidad didáctica 8


7. EQUIPOS INFORMÁTICOS PARA REPRESENTACIÓN

Y DISEÑO ASISTIDO

La informática es una herramienta de gran utilidad para el proyectista, gracias aella es posible crear representaciones de manera rápida y precisa, permitiendoun manejo lógico de la información y con la gran ventaja de poder realizar modi-ficaciones con facilidad.

Dependiendo de la finalidad de las herramientas informáticas podemos distin-guir tres conceptos, generalmente conocidos por sus siglas inglesas:

CAD: Diseño asistido por ordenador. Engloba soluciones para la repre-sentación y elaboración de planos. Gracias a este tipo de herramientases posible representar una pieza o sistema en tres dimensiones para apartir de ella obtener los planos necesarios para el proyecto. Ademáspueden realizarse animaciones del funcionamiento de los sistemas, loque proporciona información muy visual para realizar presentaciones aclientes o explicaciones a técnicos.

CAM: Fabricación asistida por ordenador. Engloba soluciones para lafabricación del producto final a partir de datos generados por un siste-ma CAD. Las funciones que realizan este tipo de herramientas incluyen

planificación de procesos, mecanizado y control de calidad entre otros.Su aplicación en la industria proporciona un aumento muy significativode la eficiencia en los procesos productivos

CAE: Ingeniería asistida por ordenador. Engloba soluciones para la ela-boración de planos, determinación de medidas, cálculo de estructuras,planes de construcción, presupuestos, etcétera.

Gracias a las herramientas de ayuda informática se facilita la tarea del proyectis-ta consiguiéndose a su vez mayor calidad y una significativa reducción de cos-tes y tiempos en todos los procesos, desde el diseño hasta la obtención delproducto final.



Unidad didáctica 8


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8. PROGRAMAS DE DISEÑO ASISTIDO

El diseño es el proceso de desarrollar una solución que dérespuesta a un problema y además se adapte a la magni-tud de este.

Para el desarrollo de la solución es necesario utilizar conocimientos y recursosespecíficos. Uno de los recursos que más facilitan el proceso de diseño son losllamados programas de diseño asistido, estos programas permiten realizar mo-delados en 2D y 3D, simulaciones y animaciones, además permiten trabajar conestructuras por capas lo que posibilita un manejo lógico de la información.

A continuación mostramos las principales características mas comunes quesuelen tener los programas de diseño asistido:

Trabajo con librerías: Las librerías son bases de datos que contienenelementos normalizados o comúnmente utilizados. Estos pueden aña-dirse directamente a representación que se esta creando, de esta ma-nera se simplifica en gran medida el trabajo. Un claro ejemplo del trabajo con librerías podría ser la representación de un esquema eléctricodonde todos los símbolos que lo conforman son obtenidos de una li-brería, evitando, así, el tener que dibujar cada símbolo.

Trabajo por capas: Gracias a este sistema podemos ocultar o mostrargrupos de elementos según nuestro interés. A cada grupo de elemen-tos se les asigna una capa. Imaginemos la representación de una insta-lación fotovoltaica donde tenemos las siguientes capas: planta del edi-ficio, equipos, estructuras, módulos fotovoltaicos y cableado; si de-seamos ver donde están ubicados los equipos en el edificio selecciona-remos las capas de planta de edificio y equipos; si queremos ver dondevan fijadas de las estructuras en el edificio y el trazado del cableado,activaremos las tres capas correspondientes.



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Unidad didáctica 8


Medidas y acotación: Permiten obtener las medidas reales de las pie-zas, sistemas o planos representados así como acotarlos aplicando lasreglas de normalización.

Moldelado en 3D: Mediante estos programas se consigue realizar figu-ras tridimensionales a partir de tres planos. Esto permite el poder rotarla pieza para conseguir el ángulo de visualización deseado.

Existen multitud de programas de diseño asistido, muchos de ellos adaptados acampos específicos de la ingeniería y otros comunes a diferentes aplicaciones. A continuación se describen algunos de los más utilizados:

AutoCAD: Es sin duda uno de los programas de diseño asistido masutilizados y conocidos por arquitectos, ingenieros y diseñadores. Estaorientado a la producción de planos

Inventor: Es un software desarrollado por la misma empresa que Auto-CAD pero está más orientado al diseño y representación tridimensional. Además permite realizar análisis y simulaciones de deformaciones ymoldes. Es un programa muy utilizado en la industria.

CATIA: No es solo un programa de diseño asistido sino que integratambién potentes herramientas de CAM. Es ampliamente usado en elsector de la automoción y de la construcción.

SolidWorks: Es un programa de diseño asistido orientado al modeladomecánico,

Rhinoceros: Es un programa de modelado 3D es muy utilizado en dise-

ño industrial y arquitectura entre otros. Permite la creación de figurastridimensionales de manera más sencilla que otros programas.


Si necesitas reajustes habla con tu entrenador.

Recuerda que el objetivo que nos hemos planteado con-

tigo es una carrera de fondo.



Unidad didáctica 8


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9. DISEÑO Y DIMENSIONADO MEDIANTE SOPORTE

INFORMÁTICO DE INSTALACIONES SOLARESFOTOVOLTAICAS

Para el diseño de las instalaciones solares fotovoltaicas se utilizan programas dediseño asistido como los mencionados en el apartado anterior. Para el dimen-sionado principalmente dos herramientas informáticas:

Hojas de datos: Las hojas de datos permiten crear nuestro propio pro-

grama de dimensionado de manera sencilla, así evitaremos tener querealizar cuantiosos cálculos cada vez que vayamos a proyectar una ins-talación. Este sistema consiste en programar los cálculos necesariospara el dimensionado y crear un sistema lógico en el cual solamentetengamos que introducir las variables. El tipo de hojas de datos másutilizado es el Excel.

Figura 9. Ejemplo hoja de datos



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Unidad didáctica 8


Existen hojas de datos con programas ya desarrollados. Unejemplo de ellos es “RETScreen” un software gratuito de

dimensionado. Puedes descargarlo gratuitamente de suWeb:

www.retscreen.net

Programas específicos: Son programas comerciales específicamentecreados para el dimensionado de instalaciones solares fotovoltaicas. Apartir de los datos introducidos el programa proporciona las caracterís-ticas de la instalación y de los equipos, cables y protecciones que laconforman, todo ello de acuerdo a la normativa y criterios establecidos.

Por otro lado proporcionan los documentos que deben figurar en elproyecto o memoria técnica como datos técnicos de la instalación, es-quemas unificares, listado de materiales, cálculos financieros presu-puestos, etcétera.

Algunos de los programas específicos de dimensionado deinstalaciones fotovoltaicas mas conocidos son:

PVsyst.

PV Design. Solar pro.

Sola calc.



Unidad didáctica 8


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10. VISUALIZACIÓN E INTERPRETACIÓN DE PLANOS

DIGITALIZADOS

La digitalización es el proceso de pasar un documentoimpreso a un formato digital que pueda ser visualizadomediante soporte informático.

La digitalización de documentos tiene las siguientes ventajas:

Agiliza la consulta.

No requiere de espacio de almacenamiento.

Posibilita envíos instantáneos.

Preserva los documentos originales.

Permite trabajar sobre los documentos y realizar modificaciones.

La digitalización de planos se realiza mediante un sistema denominado sectori-zación, a través del cual es posible trabajar sobre ellos como si de planos origi-nalmente digites se tratase, pudiendo utilizar programas CAD para su edición ymodificación.

La interpretación de planos digitalizados no difiere con la de los impresos enpapel, pero si su visualización, pues esta goza de las ventajas de las múltiplesposibilidades que proporcionan los programas de diseño asistido, como realizarampliaciones, cambiar colores para destacar las partes significativas, trabajar encapas, obtener medidas o incluso crear vistas 3D.



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Unidad didáctica 8


11. OPERACIONES BÁSICAS CON ARCHIVOS

GRÁFICOS

Los archivos gráficos muestran multitud de ventajas a la hora de trabajar conellos. Estas son algunas de las principales operaciones básicas que se puedenrealizar con ellos:

Guardado: Pueden ser guardados o grabados en cualquier sistema dealmacenamiento digital (disco duro, tarjeta de memoria, CD…)

Edición: Es posible realizar modificaciones sobre ellos y guardar unacopia de seguridad del original.

Conversión: Pueden ser convertidos a distintos formatos con el fin detrabajar con ellos en el programa de diseño asistido que utilicemos.

Protección: Para evitar que los archivos sean abiertos por personal noautorizado, es posible restringir su acceso bajo contraseña.

Envío: Como todo archivo digital puede enviarse instantáneamente aotro dispositivo informático conectado a la misma red.

Publicación: Permite ser publicado directamente en una determinadapágina web.

Impresión: Permite ser impreso en el formato seleccionado.

¿Estás preparado para enfrentarte a un nuevo apartado?

Tómatelo en serio, pero sin agobios; se trata de compren-der, no de memorizar.



Unidad didáctica 8


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12. RESISTENCIAS DE ANCLAJES, SOPORTES Y

PANELES

El generador fotovoltaico se encuentra expuesto a las inclemencias meteorolog-ías y por tanto ha de ser diseñado para soportar, no solamente su propio pesosino también las sobrecargas causadas por el viento y la acumulación de nieve.Por ello la resistencia mecánica de sus anclajes, soportes y paneles serán de-terminantes en la seguridad y durabilidad de la instalación.

La resistencia mecánica es la capacidad que tiene un ma-terial para resistir los esfuerzos de tracción, compresión,torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Los anclajes son los medios de sujeción entre las estructuras y la superficie oterreno, y de los módulos fotovoltaicos con las estructuras. Estos son los ele-mentos más susceptibles a las sobrecargas puesto que deben soportar todas

las fuerzas aplicadas en el sistema sobre su reducida superficie de contacto.

Los paneles fotovoltaicos son superficies planas y ligeras instaladas con ciertainclinación, por tanto han de soportar el impacto del viento y la acumulación denieve. Los fabricantes ya consideran estos factores y diseñan sus paneles conmarcos generalmente de aluminio, cuya resistencia mecánica es suficiente parasoportar vientos de más de 100 km/h, por otro lado la capa protectora de lascélulas es de material resistente a al granizo, proyección de partículas y capazde soportar una determinada presión.



33

Unidad didáctica 8


Las estructuras deben diseñarse de modo que la resistencia mecánica total delsistema sea capaz de soportar las fuerzas comunicadas de los módulos fotovol-taicos. Generalmente las estructuras suelen se de aluminio o acero y la forma de

su perfil contribuye a incrementar la resistencia mecánica de la pieza.

La resistencia mecánica total de un sistema es la resisten-cia del elemento más débil.

La resistencia mecánica de la estructura, los paneles y los anclajes vendrá dadapor el fabricante, por tanto el diseñador deberá elegir los elementos cuya resis-tencia sea capaz de soportar las sobrecargas que se prevén en la instalación.

Para determinar la resistencia mínima que tendrá que soportar el sistema deanclajes, estructura y módulo será necesario calcular la sobrecarga máxima deviento y nieve y conocer el peso del módulo. A continuación vamos a mostrarcomo se realiza dicho calculo:

Calculo de la carga de viento

Dependiendo de la dirección del viento, este aplicará una carga de tracción o decompresión sobre el módulo fotovoltaico. La carga de tracción es la más críticade las dos, pues la resistencia a la tracción de una estructura de módulos foto-voltaicos suele ser mucho menor.

Puesto que los módulos siempre están orientados hacia sur, el viento que apli-cará tracción será el viento procedente del norte y el que aplicará compresiónserá el viento proveniente del sur.

El viento que supone mayor peligro para el generador fo-tovoltaico es el viento procedente del norte, debido a queejerce fuerzas de tracción sobre los módulos.



Unidad didáctica 8


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En las siguientes figuras se muestra como inciden la fuerzas del viento en unpanel fotovoltaico según la dirección de este:

Figura 10. Descomposición de fuerzas de la acción del viento según su dirección

Las figuras muestran como se realiza la descomposición de la fuerza del viento,puede observarse que la fuerza que actúa perpendicularmente a la superficie esf1 (denominada Fv en la formula), mientras que f2 es paralela y solamente pro-voca rozamientos y remolinos en la superficie, siendo su contribución despre-ciable.

De acuerdo con las figuras la fuerza de tracción y compresión para una misma

velocidad de viento serán iguales y quedarán definidas por la siguiente formula:

Fv = p · S · sen2 α

Donde:

Fv: fuerza de viento resultante

p: presión frontal del viento en función de su velocidad. Correspondecon la presión aplicada sobre una superficie perpendicular a la direc-ción del viento. Puede tomarse en función del la velocidad máxima de

viento registrada en la ubicación o, según el Código Técnico de Edifi-cación (CTE), en España puede aproximarse a un valor de 0,5 kN/m2,correspondiente a una velocidad de viento de aproximadamente 100km/h.

S: área de la superficie, en nuestro caso el área del módulo fotovoltaico

α : ángulo de inclinación de la superficie

(Aclaración: sen2 α = sen α · sen α )



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Unidad didáctica 8


Calculo de la carga de nieve

Para calcular la carga máxima prevista que ejercerá la nieve sobre un panel fo-

tovoltaico aplicaremos la siguiente fórmula:

Fn = p · cos α · Sm

Donde:

Fn: fuerza máxima prevista que ejercerá la nieve sobre un panel fotovol-taico expresada en kN.

α: ángulo de inclinación del panel

Sm: superficie del modulo fotovoltaico p: valor de sobrecarga en superficie horizontal correspondiente al la lo-

calidad donde esta ubicada la instalación. Puede obtenerse de datosestadísticos de dicha localidad o en función de su altitud como indica lasiguiente tabla:

Altitud (m) Altitud (m) Altitud (m) Altitud (m) Sobrecarga deSobrecarga deSobrecarga deSobrecarga denieve (kN/mnieve (kN/mnieve (kN/mnieve (kN/m2222 ) )) )

0 – 200 0,4

201 – 400 0,5

401 – 600 0,6

601 – 800 0,8

801 – 1.000 1

1.001 – 1.200 1,2

Si la inclinación de los módulos fotovoltaicos es superior a60° se considera que la nieve no se acumula sobre ellospor tanto la carga será cero.

Carga total de compresión y tracción

La carga total de compresiónLa carga total de compresiónLa carga total de compresiónLa carga total de compresión que deben soportar las estructuras será el suma-torio de:

Carga de viento de dirección sur.

Carga de nieve.

Peso del módulo.



Unidad didáctica 8


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La carga total de tracciónLa carga total de tracciónLa carga total de tracciónLa carga total de tracción que deben soportar las estructuras será: la carga deviento de dirección norte menos el peso del módulo.


Calcula la carga de compresión y tracción que tendrá queser capaz de soportar la estructura de 4 paneles fotovol-taicos cuyas dimensiones y peso de cada módulo son:1650 x 1000 mm y 22 Kg.

La instalación se encuentra sobre la cubierta de una granjacuya altitud es de 750 m y la inclinación de los paneles de51° respecto a la horizontal.

Nota: 1Kg ≡ 10N


COMPRESIÓNCOMPRESIÓNCOMPRESIÓNCOMPRESIÓNCarga de viento:

Fv = p·S·sen2(a) = 0,5kN/m2·1,65m2·sen2 51º= 0,498kN

FvT = Fv·nºmódulos = 1,99kNCarga de nieve:

Fn = p·cosα·Sm = 0,8kN/m2·cos 51º·1,65m2 = 0,83kNFnT = Fn·nºmódulos = 0,83kN · 4 = 3,32kN

Carga propia:Fm = 22kg/módulo·4módulos·10N/kg = 0,88kN

Carga total:FCT = FvT + FnT + Fm = 7,128kN + 3,32kN + 0,88kN = 11,33Kn



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Unidad didáctica 8


13. CÁLCULO DE DILATACIONES TÉRMICAS Y

ESFUERZOS SOBRE LA ESTRUCTURA

Todo material está sometido a deformaciones producidas por variaciones en latemperatura ambiente. La magnitud de estas deformaciones dependerá del tipode material y de las condiciones climáticas del lugar. El problema radica en quecada material presenta deformaciones diferentes y de distinta magnitud, lo quesupone la aparición de esfuerzos en la estructura. Estos esfuerzos pueden elimi-narse añadiendo juntas de dilatación juntas de dilatación juntas de dilatación juntas de dilatación en determinados puntos de la estructura.

Un puente de hierro de 50 metros medirá 24 centímetrosmás en verano, a una T° de 35 °C, que en invierno, a -5 °C.Si sus extremos fuesen fijados sin movilidad apareceríanpeligrosas tensiones que lo dañarían seriamente.

La estructura y los anclajes deben permitir las dilataciones térmicas necesarias,evitando que se produzcan cargas que puedan afectar a los módulos fotovoltai-cos.

Los cambios de temperatura que experimentan los propios módulos fotovoltai-cos provocan considerables dilataciones sobre ellos, por lo que debe guardarseuna separación entre paneles de la misma fila.

Dilatación térmica es el incremento de longitud, superficieo volumen que experimenta un material como conse-cuencia de una variación en su temperatura.



Unidad didáctica 8


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Las dilataciones térmicas producidas sobre cada elemento de la estructurapueden ser calculadas de la siguiente manera:

Dilatación linealDilatación linealDilatación linealDilatación lineal)( 00 T T L L f L −⋅⋅=∆ α

L L L f ∆+= 0

Donde:

L∆ : Incremento de la longitud que experimenta el elemento al modifi-car su longitud.

0 L : Longitud del elemento a la temperatura inicial.

f L : Longitud del elemento a la temperatura final

0,T T f : Temperatura final y temperatura inicial respectivamente.

: Lα Coeficiente de dilatación lineal. Su valor es característico de cadamaterial, en la siguiente tabla se recogen los correspondientes a losprincipales materiales:

MATERIALMATERIALMATERIALMATERIAL αLLLL (ºC(ºC(ºC(ºC----1111 ) )) )

Acero 1,0 x 10-5

Hierro 1,2 x 10

-5

Aluminio 2,4 x 10-5

Cobre 1,7 x 10-5

Zinc 2,6 x 10-5

Latón 1,8 x 10-5

Hormigón 2,0 x 10-5

Plata 2,0 x 10-5

Oro 1,5 x 10-5

Hielo 5,1 x 10-5

Bronce 1,8 x 10

-5

Vidrio comercial 1,1 x 10-5

Vidrio térmico 0,3 x 10-5

La longitud o área que define un elemento se consideraque es la correspondiente a la temperatura media anualde su ubicación donde se encuentra.



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Unidad didáctica 8


Dilatación de áreaDilatación de áreaDilatación de áreaDilatación de área

)(2 0T T A A f Lo −⋅⋅⋅=∆ α

A A A f ∆+= 0

Donde:

A∆ : Incremento de área

o A : Área a temperatura inicial

f A : Área a temperatura final

Queremos calcular la longitud máxima y la variación totalde longitud que experimentara un travesaño horizontal dela estructura de una fila de módulos, si su longitud a tem-peratura media sabemos que es de 20 metros y estáhecho de aluminio. Consultando atlas meteorológicoshemos obtenido que la temperatura mínima y máxima dellugar son -10 °C y 40 °C respectivamente. Y la temperatu-ra media anual es de 12 °C.

Primero calculamos la variación de longitud máxima, para

ellos aplicamos la formula de dilatación lineal:)( 00 T T L L f L −⋅⋅=∆ α

Consultando las tablas de coeficientes de dilatación obte-nemos que el del aluminio es de 2,4 x 10-5. Por tanto yapodemos aplicar los valores a la formula:

∆L1 =30m·2,4 x 10-5C-1 · (40 °C – 12 °C) = 0,02m = 20 cm

∆L2 =30m·2,4 x 10-5C-1 · [12 – (–10)] = 0,016m = 16 cm

∆LT = ∆L1 ∆L2 = 36 cm

Una vez conocemos el incremento total calcularemos la

longitud máxima del travesaño a 40 °C. Observa que lalongitud del travesaño a -10 °C no es de 20m, sino menor,por tanto para calcular la longitud máxima habremos decontar con que la temperatura a la que mide 20 m es latemperatura media anual. Por tanto:

20,02m0,0220m∆LLL 10max =+=+=



Unidad didáctica 8


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En la misma instalación que la del ejemplo anterior que-

remos calcular ahora la variación total de área que expe-rimentara una lámina de acero de 1,5m2 utilizada para re-forzar la estructura. Y necesitamos saber también el áreamáxima que alcanzará.

SoluciónSoluciónSoluciónSolución::::224152 4810481240101251∆ cm,mx,ºC)ºC( ºCm, A 1 ==−⋅⋅⋅⋅= −−−

2241522 6,6cmm6,6x10C)]10º( C[12ºCº10121,5m A ==−−⋅⋅⋅⋅= −−−∆

∆AT=15cm2

AT=1,5m2 + 8,4 x 10-4m2 =1,50084m2



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Unidad didáctica 8


14. DESARROLLO DE PRESUPUESTOS

El presupuesto es un documento fundamental del proyecto puesto que estimael coste que supone obtener el objeto del proyecto y estimar el beneficioeconómico de la empresa proyectista. Un presupuesto mal desarrollado puedeponer en peligro la consecución del objetivo y suponer el fracaso del proyecto.

Un presupuesto no es simplemente un documento que se el entrega al clientepara que sepa lo que le va a costar la instalación, sino que tiene un valor muchomayor para el proyectista. Un presupuesto:

Nos indica la cantidad de dinero necesaria para llevar a cabo el proyecto.

Nos ayuda a identificar procesos, materiales o métodos que no soneconómicamente rentables o viables y que pueden ser sustituidos porotros más apropiados.

Acompañado de un cronograma nos da información de la cantidad dedinero necesaria en función del tiempo, lo que resulta muy útil para pla-nificar una financiación eficiente.

Es necesario para obtener financiación de prestamistas o inversores, deeste modo ellos evalúan la conveniencia de sus contribuciones.

A continuación se recogen las indicaciones y consideraciones que deben tener-se en cuenta a la hora de planificar un presupuesto:

La tarea de desarrollo y elaboración de presupuestos requiere de expe-riencia y de un detallado análisis de todos los factores que intervienenen el proyecto.

Deberá realizarse un cálculo de costes clasificado en al menos en dosapartados:

Costes operacionales: costes de la realización del trabajo comomateriales, equipo, transporte, mano de obra, servicios, alquilerde maquinaria, implantación de medidas de seguridad, etcétera.



Unidad didáctica 8


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Costes de personal: salarios de los trabajadores propios o sub-contratados, que participan en el proyecto ya sea total o parcial-mente, en caso de personal que trabaje en el desarrollo de dos

proyectos a la vez y empleen el 50% del tiempo en cada uno, secontabilizara solamente al mitad del salario en cada proyecto. Eneste apartado también se incluyen los gastos de asistencia médi-ca, costes de formación y otros gastos asociados.

Los datos deben ser obtenidos de una fuente fiable y los cálculos de-ben ser hechos con precisión, han de añadirse todos los gastos porpequeños que sean, pues por ridícula que parezca una cantidad si esmultiplicada varias veces puede suponer un gasto considerable.

Debe realizarse un borrador del presupuesto y ser comentado y discu-tido por un equipo que conozca, en profundidad, el proyectó y sus im-plicaciones

Los presupuestos suelen realizarse sobre hojas de cálculo(tipo Excel), esto facilita mucho su elaboración y permiteobtener una estructura ordenada.

Una vez tenemos planificado nuestro presupuesto, vamos a analizar la estructu-ra que deberá tener:

El presupuesto lo dividiremos en las categorías que consideremos másoportunas. Si por ejemplo va a ser necesario un importante gasto enformación de los trabajadores, crearemos una categoría para verlo endetalle.

Le daremos el grado de detalle necesario, por ejemplo puede que nosea necesario indicar el coste de cada modelo de tornillo utilizado ybaste simplemente con indicar en el presupuesto “tornillería “o inclusometerlo dentro del apartado de “estructuras”.

Dentro de cada categoría los costes deben ser desarrollados con la si-guiente estructura:

Descripción: Indica la denominación, tipo y características dife-renciadoras del artículo o actividad.

Cantidad: Indica el número de unidades del concepto, ya seanhoras, personas, metros, kilogramos…

Precio unitario: precio de cada unidad.

Importe: producto de la cantidad por precio unitario.

Total bruto: es el precio total correspondiente a todos los impor-tes de la categoría, sin añadir impuestos ni tasas.



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Unidad didáctica 8


Cargos: impuestos y tasas aplicables al importe total.

Total: importe total de la categoría con cargos incluidos.

En el presupuesto destinado al cliente deberá figurarsiempre:

Datos del clienteDatos de la empresa que emite el presupuesto

Fecha de realización del presupuesto

CATEGORÍA ICATEGORÍA ICATEGORÍA ICATEGORÍA I

DESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓN CANTCANTCANTCANTIIIIDADDADDADDAD PRECIO UNITPRECIO UNITPRECIO UNITPRECIO UNITA AA ARIORIORIORIO IMPORTEIMPORTEIMPORTEIMPORTE

TOTAL BRUTOTOTAL BRUTOTOTAL BRUTOTOTAL BRUTO

I.V.A I.V.A I.V.A I.V.A 18%18%18%18%CARGOSCARGOSCARGOSCARGOS

TASASTASASTASASTASAS

TOTALTOTALTOTALTOTAL

Figura 11. Ejemplo estructura de presupuesto

Por ultimo se presentará el presupuesto final que consistirá en la sumadel total de todas las categorías.

DESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓN IMPORTE TOTALIMPORTE TOTALIMPORTE TOTALIMPORTE TOTALCategoría I

Categoría II

Categoría III

Categoría IV

Categoría V

TOTAL PRESUPUESTOTOTAL PRESUPUESTOTOTAL PRESUPUESTOTOTAL PRESUPUESTO

Figura 12. Ejemplo estructura presupuesto final



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Unidad didáctica 8


CONCLUSIONES

Ahora ya conoces en que consiste un proyecto y una memoria técnica, así co-mo los documentos que los conforman. Eres consciente de la importancia quesupone el desarrollar correctamente un proyecto, sus planos y presupuestos, yademás conoces las ventajas de trabajar con herramientas informáticas. Aunquequizá no te des cuenta, en tu futuro profesional estos conocimientos de oficinatécnica te pueden ser muy útiles.



Unidad didáctica 8


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RECAPITULACIÓN

En está unidad hemos tratado importantes conceptos, que a continuación reco-pilamos para que los tengas presentes:

El objetivo de un proyecto es que mediante la información en él recogi-da sea posible dirigir la obra proyectada.

El objetivo de la memoria técnica es que cualquier profesional cualifica-do pueda conocer las principales características de la instalación.

Un proyecto está formado por los siguientes documento: Memoria (noconfundir con memoria técnica), planos, presupuesto, pliego de condi-

ciones y estudios con entidad propia, dentro del cual figura el plan deseguridad.

El proyecto de una instalación fotovoltaica contendrá al menos los si-guientes planos:

Planos de situación y emplazamiento de la instalación

Planos de planta donde se muestra la ubicación de los equipos.

Esquema unifilar de la instalación.

El flujograma o diagrama de flujo es en una representación gráfica, por

medio de símbolos, que muestra la secuencia ordenada del proceso aseguir para alcanzar un objetivo final.

El cronograma es un método de representación de la secuencia cro-nológica que deben seguir las actividades necesarias para obtener elobjetivo final del proyecto.

El replanteo de una instalación consiste en aplicar sobre el terreno losplanos e indicaciones dadas en el proyecto.

La resistencia mecánica es la capacidad que tiene un material para re-sistir los esfuerzos de tracción, compresión, torsión y flexión sin defor-marse ni romperse.



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Unidad didáctica 8


La resistencia mecánica total de un sistema es la resistencia del ele-mento más débil.

Dilatación térmica es el incremento de longitud, superficie o volumenque experimenta un material como consecuencia de una variación ensu temperatura.



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Unidad didáctica 8


AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿Quién esta autorizado para realizar y firmar un proyecto?

a) El técnico titulado competente.

b) El instalador autorizado o el técnico titulado competente.

c) El cliente.

d) El técnico titulado el instalador o el cliente, cualquiera de ellos.

2. ¿Cuál es el documento que describe de forma clara y precisa el objeti-

vo del proyecto?

a) La memoria técnica.

b) La memoria.

c) El pliego de condiciones.

d) El estudio con entidad propia.

3. ¿Cuáles son los principales documentos de un proyecto?

a) Memoria, planos y presupuesto.

b) Memoria, planos, presupuesto, pliego de condiciones y protecciones.

c) Memoria técnica, planos, presupuesto y pliego de condiciones.

d) Memoria, planos, presupuesto, pliego de condiciones y estudios con en-tidad propia.



Unidad didáctica 8


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4. ¿Cuál es la finalidad de los planos de situación?

a) Especificar la ubicación exacta de la obra y mostrar su relación con elentorno.

b) Mostrar la ubicación de los detalles de una pieza.

c) Mostrar la situación de las piezas que componen el sistema.

d) Mostrar la situación de los equipos sobre una vista en planta.

5. ¿Qué debe incluir un plano de conjunto?

a) Orientación de las piezas.

b) Leyenda de los esfuerzos físicos a los que están sometidas las partes.

c) Identificación de las partes o piezas del sistema.

d) Flujograma de los procesos de ensamblado.

6. ¿Qué utilizarías para representar la secuencia cronológica que deben

seguir las actividades necesarias para obtener el objetivo final del pro-

yecto?

a) Plano de procesos.

b) Diagrama.

c) Flujograma.

d) Cronograma.

7. ¿Qué tipo de fuerza ejerce el viento del sur sobre los módulos fotovol-

taicos y estructuras, suponiendo que su orientación es la idónea?

a) Tracción.

b) Compresión.

c) Flexión.

d) Torsión.



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Unidad didáctica 8


8. ¿Cuál será la máxima longitud que alcanzará una viga de acero de 50m

si sabemos que la temperatura máxima que tendrá que soportar es de

40ºC, la media 12ºC y la mínima -5ºC? (Datos: )( 00 T T L L f L −⋅⋅=∆ α ;

: Lα 1,0 x 10-5C)

a) 50,014 m.

b) 50,0225 m.

c) 50,0085 m.

d) 50,225 m.

9. ¿Al menos en qué dos apartados se clasificará el cálculo de costes enun presupuesto?

a) Cálculos de material y cálculos de gestión.

b) Cálculos operacionales y cálculos de personal.

c) Cálculos de grandes gastos y cálculos de pequeños gastos.

d) Cálculos de gastos propios y cálculos de gastos ajenos.

10. ¿Qué indica el símbolo de la figura en un flujograma?

a) Proceso finalizado.

b) Proceso cancelado.

c) Hasta que no se hayan cumplido todas las condiciones entrantes nocontinuará el proceso.

d) Cuando se haya cumplido alguna de las condiciones entrantes conti-nuará el proceso.



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Unidad didáctica 8


SOLUCIONARIO

1. a 2. b 3. d 4. a 5. c

6. d 7. b 8. a 9. b 10. c





Te proponemos que busques a través de Internet proyectos de instalacionessolares fotovoltaicas y analices sus diferentes documentos, comprobando elcontenido de la memoria, del pliego de condiciones, planes de seguridad, pla-nos incluidos y la estructura que siguen los presupuestos.

Por otro lado te proponemos que entres en la siguiente de la Agencia Valencia-na de la Energía y consultes los modelos sobre los que se elabora la memoriatécnica en los diferentes tipos de instalaciones solares.

“www.aven.es – Ayudas - Ayudas Energías Renovables y Biocarburantes – Ver

documentos asociados.”

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