SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Representación normalizada de energía y potencia

Es útil para comparar la producción de energía de instalaciones fotovoltaicas de diferente tamaño y en diferentes lugares.

Se divide la energía generada por los paneles o por el sistema un período (día, mes o año) por la potencia nominal (STC) del arreglo de paneles.

Productividad final o total

Interpretación:

Cantidad de horas que la instalación funciona a potencia nominal en el período considerado(factor de capacidad).

p

kWh(día, mes o año)

kW

outF

STC

EY

P

kWh (día, mes o año)out F STCE Y P

DIE

C-U

NS

-1

er c

ua

t. 20

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FA

E -

Cla

se

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1

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Representación normalizada de energía y potencia (cont.)

El concepto se puede extender a los procesos intermedios

Productividad del arreglo de paneles en un período (día, mes o año)

Interpretación:

Cantidad de horas que la instalación tiene que funcionar a potencia nominal (STC) para generar la energía EA (DC) en el período considerado.

Productividad de referencia (radiación en el lugar)

Interpretación:

Cantidad de horas de sol pleno (1 kW/m2) que se necesitan para que los paneles reciban la irradiación Hi.

p

kWh

kW

AA

STC

EY

P

2

2

kWh/m

kW/m

iR

STC

HY

G

DIE

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2

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Representación normalizada de energía y potencia (cont.)

Pérdidas de la instalación

De captura

Por temperatura (LCT): se debe a que la temperatura de la celda es diferente a la de STC (25°C).

Por otros factores (LCM):

Tolerancia en la potencia del módulo

Apantallamiento, suciedad, nieve e irregularidad en la radiación.

Desapareamiento entre módulos y ramas

Fallas del inversor (conectados a red) o carga completa de batería (aislados)

Reflexión en la cubierta transparente por ángulos de incidencia bajos

Del sistema o BOS (balance of system)

Incluye las pérdidas en el inversor

C R A CT CML Y Y L L

S A FL Y Y

DIE

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Cla

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Representación normalizada de energía y potencia (cont.)

Índice de desempeño (performance ratio)

Indica cuánto difiere la producción real de las que tendría en condiciones reales (con las pérdidas mencionadas)

F

R

YPR

Y

DIE

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Esquema general y componentes principales

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Arreglo de paneles

Inversor CC/CA

(con MPPT)

Medidor

(generación)

Medidor

Tablero

SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Características

Al prescindir del banco de baterías, disminuye el costo del sistema.

Se inyecta a la red cuando la energía generada por los paneles excede a la consumida en la instalación, y se toma de ésta cuando la energía generada es inferior a la necesaria.

Demanda

Generación

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Configuraciones de medidores (sistema residencial)

Medidor neto único

Es el más simple. Emplea un único medidor en la entrada de la instalación.

Incrementa la cuenta cuando toma energíade la red y la decrementa cuando inyecta.

Registra el consumo neto. No discriminaentre la energía que se inyectó y la que se tomó de la red.

Medición dual

Se tienen dos medidores para registrar por separado la energía tomada de la red (tradicional) y la producida por el sistema fotovoltaico.

No hay comunicación entre ambos medidores.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Configuraciones de medidores (sistema residencial)

Medidor bidireccional

Registra la energía en las dos direccionespor separado, permitiendo discriminar entre la energía tomada de la red y la producida por el sistema fotovoltaico.

La facturación puede ser neta o diferenciada.

La Ley 27424 establece la facturación neta y medición bidireccional con registro separado.

Pueden incluir comunicación y funciones adicionales (medidores inteligentes).

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Medidores inteligentes

Permiten medir y gestionar la energía en redes inteligentes.

Incluyen diversas funciones:

Medición bidireccional.

Transmisión de información (PLC, inalámbrico) en ambas direcciones (distribuidora y usuario).

Usuario: permite el registro y control de la energía consumida y la gestión inteligente de cargas.

Distribuidora: permite asignarle un costo a la energía según la hora, conocer en tiempo real el estado de la red y el consumo de los usuarios las 24 hs, gestionar la demanda, planificar la operación, discriminar cargas de vehículos eléctricos, etc.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con inversor central

Topología tradicional, sencilla, fácil mantenimiento y operación.

Cableado en CC extenso, caja de conexiones especial.

El sombreado parcial afecta al arreglo completo. Dificultad en el seguimiento del MPP. Mayores pérdidas por disparidad en las características de los paneles.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con inversor central (cont.)

Plantas

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2.9 m

6.1 m

GE LV5+ 2.5-3.25 MW

SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con inversores de cadena o string

Un inversor por cada string del arreglo.

El seguimiento del MPP se realiza en forma independiente para cada cadena. Aumenta la extracción de potencia.

La falla de un inversor disminuye la potencia pero la planta sigue funcionando.

Aumenta el costo de instalación, operación y mantenimiento. Fácil de escalar.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con inversores multicadena o multistring

Mantiene un inversor central pero mejora la operación en el MPP porque tiene un convertidor de CC-CC en cada string.

Amplio rango de tensiones de entrada.

Agrega una etapa de conversión respecto del esquema con inversor central.

3-20kW / 2 strings

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con microinversores

Baja tensión en DC

Los paneles operan por separado

Fácil reconfiguración del arreglo

Apropiados para operar en condiciones de sombreado parcial, diferentes orientaciones e inclinaciones de los paneles (insolación)

MPPT integrado Enphase Energy

220V / 190 o 200 W de salida

Para módulos de 60 a 84 celdas

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con almacenamiento

Introducen mayor flexibilidad para interactuar con la red de distribución o con otros actores.

Permiten moldear la demanda.

Aumentan el autoconsumo de la energía generada y la eficiencia del sistema.

Habilitan la formación de micro-redes.

Dos enfoques

Acoplamiento en alterna

Acoplamiento en continua

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con almacenamiento (cont.)

Acoplamiento en alterna

Los paneles y las baterías se conectan a la red mediante inversores diferentes.

Permiten reconvertir sistemas fotovoltaicos existentes agregando un inversor bidireccional o inversor/cargador.

En las llamadas “baterías de alterna” el inversor está incorporado en la batería.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con almacenamiento (cont.)

Acoplamiento en continua

Los paneles y las baterías se conectan al mismo inversor de manera similar a los sistemas aislados.

Requieren de un inversor híbrido.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Sistemas con almacenamiento (cont.)

Ejemplo LG

Se puede configurar para operar en ambas configuraciones

9.3 kWh - 63 Ah

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Inversores

Pieza clave del sistema. Convierten CC en CA e incluyen el seguidor del punto de máxima potencia (MPPT) del arreglo, string o panel.

Dado que interactúan con la red de distribución (pública) no pueden interferir con la operación normal de la red ni con otros dispositivos conectados a ésta.

Es obligatorio que se ajusten a estándares y regulaciones estrictas.

En Argentina, la reglamentación AEA 90364-7-712, establece las características que debe cumplir una instalación fotovoltaica en edificaciones residenciales que inyectan energía a la red de distribución.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Inversores (cont.)

Características necesarias

Debe inyectar corriente sinusoidal, con la misma frecuencia que la red (en sincronismo), y con baja distorsión armónica.

Debe desconectarse en forma automática en caso de falla de la red (anti isla).

Debe evitar la inyección de CC a la red (aislación adecuada).

Arranque automático en presencia de insolación suficiente y parada automática cuando la insolación es insuficiente.

Buena eficiencia aún con baja carga.

Confiabilidad y vida útil relativamente amplia.

Tensión de entrada compatible con el arreglo de paneles (Voc y temp.).

Filtrado en el lado de CC para evitar oscilaciones en torno al MPP.

Inmunidad ante comandos de red.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Inversores (cont.)

Eficiencia

5 10 20 30 50 1000.03 0.06 0.13 0.1 0.48 0.2EU

CA

CC

P

P

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Inversores

Especificaciones Sunny boy 1.5-2.5

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Inversores

Especificaciones Sunny boy 1.5-2.5 (cont.)

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https://www.sma.de/es/productos/inversor-fotovoltaico/sunny-boy-15-25.html

SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Energía (AC) diaria producida por el sistema

Considerando el índice de desempeño y la productividad de referencia (horas de sol pleno) resulta

Desglosando el índice de desempeño en las diferentes componentes

De captación (kT y kG)

Por temperatura kT : la celda opera a una temperatura diferente a la de STC.

Por otros factores kG : disparidad en las características de los paneles, suciedad acumulada, nieve, sombreado, tolerancia en el rendimiento de los módulos, reflexiones por ángulo de incidencia bajo, pérdidas óhmicas, etc.

Del sistema (ηinv)

Eficiencia del inversor ηinv

Considerando el efecto combinado de todos los factores se puede perder más de un 20% respecto de STC.

(kWh/día) F STC R STCE Y P PR Y P

DIE

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inv(kWh/día) T G R STCE k k Y P

SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Factor de corrección por temperatura (kT)

Es uno de los factores más importantes en la reducción de la potencia del arreglo

La temperatura real de la celda para la temperatura ambiente y radiación 1kW/m2 es

Utilizando las condiciones reales, el rendimiento resulta

donde cT es el coeficiente de variación de la potencia con la temperatura en el MPP (dato fabricante).

Tener en cuenta que la temperatura de la celda varía durante el período considerado. Por lo tanto el valor de kT a considerar es promedio.

20 C1

0.8celda amb

NOCTT T

2 ,, 1kW/m

, ,

1 ( 25 C)1 ( 25 C)

DC STC T celdaDC

T T celda

DC STC DC STC

P P c Tk c T

P P

DIE

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Factor de corrección por otros fenómenos (KG)

Tolerancia en la potencia indicada por el fabricante

Normalmente se adopta el peor caso.

Disparidad en las características de los paneles

Si se combinan paneles o ramas con diferentes características, la potencia entregada es inferior a la suma. Normalmente se considera una pérdida del 3%.

Suciedad en los módulos

Depende de la época del año y del régimen de limpieza.

Pérdidas óhmicas

Incluye las pérdidas en conductores, fusibles, diodos, etc. Normalmente inferior al 2%.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Ejemplo para un arreglo de 1kW STC

Baja para inversores actuales

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Factores de capacidad típicos

Representa el porcentaje de tiempo que el sistema produce energía a potencia nominal.

Ejemplo en base anual suponiendo que el arreglo de paneles no está sobredimensionado respecto del inversor y no hay recorte de potencia

,,//

365 24 8760 h

/

8760 h 8760 h

horas de sol pleno anuales

8760 h

DC STC T G invAC nom

F R

E P k kE PCF

Y PR Y

Factores de capacidad en algunas ciudades de EE.UU.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Dimensionamiento del sistema

Características principales

No es tan crítico como el de un sistema aislado

Costo directamente proporcional a la potencia (aprox.)

Está limitado por el área (y orientación) disponible para instalar el arreglo de paneles

Es importante estimar la energía anual para evaluar el costo/beneficio

En la decisión final intervienen además las cuestiones estéticas y el costo de una u otra alternativa.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Ejemplo de dimensionamiento

Se desean generar 3600 kWh/año para una vivienda

Los paneles se montan sobre el techo con una inclinación de 35°.

Radiación diaria promedio anual sobre el plano de paneles: 5.14 kWh/m2

Determinar cantidad de paneles y el inversor a utilizar

Utilizaremos valores promedios anuales (se puede hacer con los promedios mensuales o inclusive los diarios, totalizando luego la energía generada).

Punto de partida: estimar rendimientos medios en el período considerado

Proceso iterativo para la elección de los paneles y el inversor

Elegir los paneles para tener la potencia nominal.

Elegir el inversor verificando que

La tensión de paneles esté dentro de los límites de la tensión de entrada.

La Voc máxima (mínima temperatura) no supere la máxima tensión.

Si no verifica, iterar con el número y tipo de paneles o cambiar el inversor.

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, ,

ACsol plenoAC DC STC inv G T DC STC

sol plenoinv G T

EE P k k hs P

k k hs

SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Ejemplo de dimensionamiento (cont.)

Paneles

Cuántos paneles elegir 9 o 10?

Cómo configurar el arreglo?

2500WN 9.25 paneles

270W

La elección depende de la tensión del inversor

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Ejemplo de dimensionamiento (cont.)

Inversor

Verificar que

La tensión de paneles esté dentro de los límites de la tensión de entrada.

Con la mínima temperatura ambiente, la tensión de circuito abierto del arreglo no supere la máxima del inversor.

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SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED

Ejemplo de dimensionamiento (cont.)

Verificar el diseño

Una vez seleccionados los componentes se puede determinar la energía generada anualmente mediante cálculos o mediante simulación.

Aplicación de SMA: https://www.sunnydesignweb.com/sdweb/#/

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