04 - Instalaciones PV

CursoEnergía SolarFotovoltaica“InstalacionesFotovoltaicas”

Temario• Característicasdelmódulo• PropiedadesEléctricasyFísicas• MódulosFotovoltaicos• EfectosdelSombreamiento• Inversores• Conductores• Conectores• DispositivosdeProtección• ProyectoFotovoltaico

Curva característica Corriente-Tensión (línea Azul) yTensión Potencia (Línea Roja) de un panel con 36células en serieT=25ºC

AM=1,5G=1.000W/m2

CaracterísticasdelMóduloFV


DependenciadeVoc e Isc de la irradiación


Factor de forma de células solares

PropiedadesEléctricasyFísicas

Conexión de paneles en serie

Vtotal = V1 + V2 + V3 +… + VnItotal = I1 = I2 = I3 = constante


Conexión de paneles en paralelo

Itotal = I1 + I2 + I3 +… + InVtotal = V1 = V2 = V3 = constante


Dependenciade las curvas características de paneles de la irradiación


Curvas características de paneles en diferentes temperaturas


Potencia de los paneles en diferentes temperaturas


Dependenciade Paneles de silicio cristalino de la temperatura


Comparación: Corriente en unacélula de silicio cristalino y una amorfa

G : 1000W/m2

Superficie de la célula : 5 cm x 5 cmTemperatura : 28ºC



Sensibilidad espectral en distintos tipos de células solares



Diferenciade temperaturaentre el ambiente y el panel solar


Reflectividad de paneles solares


Una célula solar típica con una superficie de 100 cm2

produce 1,5 W aproximadamente, con una tensión de0,5 V y una corriente de 3 A.

La mayoría de los módulos fotovoltaicos tienen entre36 y 96 células conectadas en serie. En algunos casospueden incluir la conexión en paralelo de grupos decélulas conectadas en serie. Además, hay queproporcionar al conjunto de células una protecciónfrente a los agentes atmosféricos, un aislamientoeléctrico adecuado y una consistencia mecánica quepermita su manipulación práctica. Al conjunto decélulas solares agrupadas en las condiciones descritasse le denomina módulo fotovoltaico.

MóduloFotovoltaicos

Un módulo fotovoltaico está compuesto por:

Cubierta frontal. Suele ser de vidrio templado de entre 3 y 4 mm de espesor,con muy buena transmisión de la radiación solar, proporciona proteccióncontra los agentes atmosféricos y los impactos (granizo, actos vandálicos, etc.).La superficie exterior del vidrio es antirreflexiva y está tratada para impedir laretención del polvo y la suciedad. La superficie interior generalmente esrugosa, lo que permite una buena adherencia con el encapsulante de lascélulas, además de facilitar la penetración de la radiación solar.



Encapsulante. En la mayoría de los módulos se emplea etil-vinil-acetato (EVA).En contacto directo con las células, protege las conexiones entre las mismas yaporta resistencia contra vibraciones e impactos. Además proporciona elacoplamiento con la cubierta frontal y la protección posterior. Al igual que lacubierta frontal, permite la transmisión de la radiación solar y no se degradacon la radiación ultravioleta.



Cubierta posterior. Se utiliza una capa de polivinilo fluoruro (PVF, comercialmentedenominado TEDLAR) o de poliéster. Junto con la cubierta frontal, protege al módulo de lahumedad y otros agentes atmosféricos y lo aísla eléctricamente.De naturaleza opaca, es habitual que sea de color blanco para reflejar la luz solar que norecogen las células sobre la cara posterior rugosa de la cubierta frontal, que la refleja denuevo hacia las células. Algunos fabricantes ponen esta cubierta de vidrio para aprovechar laradiación solar reflejada que puede recogerse por la parte posterior del módulo. Para ello lascélulas solares incluyen capas de silicio amorfo que recoge esta radiación.



Marco. La mayoría de los fabricantes utilizan aluminio anodizado. Proporciona rigidez yresistencia mecánica al módulo, además de un sistema de fijación.Puede incorporar una conexión para la toma de tierra. Nunca se debe mecanizar, porquelas vibraciones pueden romper el cristal de la cubierta frontal.


Conexiones. Situadas en la parte posterior del módulo,habitualmente consiste en una caja con una protecciónrecomendada contra el polvo y el agua IP-65, fabricadacon materiales plásticos resistentes a las temperaturaselevadas, que en su interior incorpora los bornes deconexión positivo y negativo del módulo y los diodos depaso (diodos by-pass). El uso de prensaestopas para el pasode cables mantiene la protección contra el polvo y el agua.


Células. El conexionado de las células de un módulo fotovoltaico se realiza con cintasmetálicas soldadas o incrustadas sobre la rejilla de conexión eléctrica de la cara frontal decada célula. La interconexión entre células se realiza uniendo las cintas de la cara frontal(negativo) de una célula con la cara posterior (positivo) de la célula siguiente.


PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UN MÓDULO FOTOVOLTAICOUn módulo fotovoltaico está constituido por varias células solares conectadas eléctricamenteentre sí. Si todas las células son iguales y trabajan en las mismas condiciones de irradiación ytemperatura, la tensión, intensidad y potencia que puede proporcionar un módulofotovoltaico cumplen las siguientes relaciones:

( )( )

M

M s C C

s

U : tensión del módulo V

U N U U : tensión de una célula solar VN : número de células asociadas en serie

⎧⎪

= ⋅ ⎨⎪⎩

( )( )

M

M p C C

p

I : intensidad del módulo A

I N I I : intensidad de una célula solar VN : número de células asociadas en paralelo

⎧⎪

= ⋅ ⎨⎪⎩

( )( )

M

CM s p C

s

p

P : potencia del módulo W

P : potencia de una célula solar WP N N P

N : número de células asociadas en serie

N : número de células asociadas en paralelo

⎧⎪⎪

= ⋅ ⋅ ⎨⎪⎪⎩


Todo lo anterior nos lleva a establecer que las características i–u y p–u de un módulo sonproporcionales a las de sus células solares y las conclusiones obtenidas para una célula solarson válidas también para un módulo:

q El punto de trabajo en la característica i–u del módulo lo fijan la resistencia R de la cargaconectada y la corriente IM aportada por el módulo que depende de la radiación solar. Latensión UM proporcionada por el módulo se obtiene aplicando la ley de Ohm: UM = IM · R.

q Hay un punto en la característica i–u, de valores Umpp e Impp , en el que la potenciaentregada por el módulo es máxima. Se cumple que: Pmáx = Umpp · Impp.

q La intensidad de la corriente que proporciona un módulo fotovoltaico es proporcional ala irradiancia de la radiación solar y aunque se cortocircuite no puede sobrepasar el valorde la corriente de cortocircuito Isc.


Los efectos de la temperatura en las características del módulo son similares a los de una célula:ü La tensión de circuito abierto disminuye al aumentar la temperatura.ü La intensidad de cortocircuito aumenta al aumentar la temperatura.ü La potencia del módulo disminuye al aumentar la temperatura.


HOJAS DE DATOS DEL FABRICANTELas hojas de datos de un módulo fotovoltaico deben incluir información de un conjunto deparámetros característicos de acuerdo con las normas [UNEEN50380:2003. Informaciones de las hojas de datos y de las placas de características para los módulosfotovoltaicos].

Tales como:

ü Potencia eléctrica máxima (Pmáx): potencia correspondiente al punto de lacaracterística intensidad-tensión (i–u) donde el producto de la intensidad por latensión es máximo. También se denomina potencia de pico.

ü Tensión en circuito abierto (Uoc): tensión de salida de un módulo fotovoltaico encircuito abierto (sin carga) a una irradiancia y temperatura determinadas.

ü Intensidad de cortocircuito (Isc): intensidad de salida de módulo fotovoltaico encortocircuito a una irradiancia y temperatura determinadas.

ü Tensión en el punto de máxima potencia (Umpp): tensión correspondiente a lapotencia máxima.


Estos parámetros se tienen que especificar en dos condiciones de funcionamiento:

Condiciones Estandar de Medida (CEM – Standard Test Conditions – STC) quecorresponden a una irradiancia en el plano del módulo de 1.000 W/m2, temperatura delmódulo de 25±2 °C y una distribución espectral de la irradianciade acuerdo con el factor de masa de aire AM 1,5.

Condiciones de Temperatura de Operación Nominal de la Célula ( TONC –NominalOperating Cell Temperature – NOCT) que corresponden a una irradiancia en el plano delmódulo de 800 W/m2, con orientación normal a la radiación incidente al mediodía solar,temperatura ambiente 20 °C, velocidad del viento de 1 m/s y funcionamiento en circuitoabierto.


Los parámetros térmicos de funcionamiento que deben aparecer en las hojas dedatos son:Temperatura de operación nominal de la célula (TONC): temperatura media de equilibrio delas células de un módulo en condiciones ambientales de referenciade 800 W/m2 de irradiancia, 20 °C de temperatura ambiente, 1 m/s de velocidad del viento,módulo en circuito abierto y soporte abierto con orientación normal a la radiación incidenteal mediodía solar.

Coeficientes de temperatura:Coeficiente intensidad-temperatura (αα): variación de la intensidad de cortocircuito de unmódulo fotovoltaico por grado centígrado de variación de latemperatura de sus células. Se especifica en valor absoluto en mA/°C o en valor relativocomo %/°C.Coeficiente tensión-temperatura (ββ): variación de la tensión de circuito abierto de unmódulo fotovoltaico por grado centígrado de variación de la temperatura de sus células. Seespecifica en valor absoluto en mV/°C o en valor relativo como %/°C.


Los coeficientes de temperatura ayudan a determinar el valor de los parámetros eléctricos deun módulo fotovoltaico en condiciones de temperatura distintas a las de los ensayosnormalizados. Algunos fabricantes ofrecen en sus hojas de datos el coeficiente potencia-temperatura (δ) que indica la variación de la potencia máxima de un módulo fotovoltaico porgrado centígrado de variación de la temperatura de sus células. Si se especifica en valorabsoluto se da en W/°C y si se especifica en valor relativo se da como %/°C. Este parámetro nolo incluye la norma UNE-EN50380:2003.


Ejemplo:Calcular la tensión en circuito abierto de un módulo fotovoltaico con un coeficiente detensión-temperatura β = –0,34 %/ºC y una tensión de circuito abierto de 44 V a 25 ºC, si latemperatura de las células es de –5 ºC.

Solución:Como el coeficiente de tensión-temperatura está especificado en valor relativolo convertimos a valor absoluto:

Valor de la tensión de circuito abierto a –5 ºC:

( )oc

% 0,34U 44 0,1496 0,15 V C100 100β −β = ⋅ = ⋅ = ≈ − °

( ) ( ) ( ) ( )ococ 5 CU U T 25 44 0,15 5 25 44 4,5 48,5 V− ° = + β ⋅ − = + − ⋅ − − = + =


Ejemplo:Calcular la corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico anterior si tiene un coeficienteintensidad-temperatura α = 3,5 mA/ºC y una intensidad de cortocircuito de 5,8 A a 25 ºC sila temperatura de las células es de 55 ºC.

Solución:El coeficiente de intensidad-temperatura está especificado en valor absoluto,luego lo aplicamos directamente:

( ) ( ) ( ) ( )3scsc 55 CI I T 25 5,8 3,5 10 55 25 5,8 0,105 5,9 A−

° = + α ⋅ − = + ⋅ ⋅ − = + =


Ejemplo:Calcular la corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico anterior si tiene un coeficienteintensidad-temperatura α = 3,5 mA/ºC y una intensidad de cortocircuito de 5,8 A a 25 ºC sila temperatura de las células es de 55 ºC.

Solución:El coeficiente de intensidad-temperatura está especificado en valor absoluto,luego lo aplicamos directamente:

( ) ( ) ( ) ( )3scsc 55 CI I T 25 5,8 3,5 10 55 25 5,8 0,105 5,9 A−

° = + α ⋅ − = + ⋅ ⋅ − = + =


EfectodelpuntoCaliente:Calentamiento excesivoenlascélulas quepuedellegaradañarlas

Calor

2.CuadranteConsumidor

2.CuadranteGenerador

FuncionamientodeCélula No-Iluminada

CorrientedeFase

4.CuadranteConsumidor

FuncionamientodeCélula Iluminada

3.Cuadrante

Efecto de punto caliente (hot spot)

EfectosdelSombreamiento

Efecto con y sin diodos de derivación (bypass)Con 2 diodos de derivación(bypass)


Efecto con y sin diodos de derivación (bypass)Con 3 diodos de derivación(bypass)

Tensión (V)

Corriente(A)

SinSombreado

Sombreadocon3DiodosBypass



Tensión (V)


Potencia(W

)

SinSombreado


Comparación de paneles capa fina y cristalinos

PlanificacióndeunainstalaciónFVconsiderando

unasituacióndesombreamiento depaneles

decapafina

Comparacióndeltipodecomportamientodepanelesdesiliciodecapafinaycristalino


Transversal y Longitudinal

Tensión (V)

Corriente(A)

Sombreado

SombreadoHorizontal

Tensión (V)

Potencia(W

)

Sombreado

SombreadoHorizontal

Tensión (V)

Corriente(A)

Sombreado

SombreadoVertical

SombreadoVertical

Tensión (V)

Potencia(W

)

Sombreado


Transversal y Longitudinal

Zona-UMPP

Corriente(A)

Tensión (V)

Tensión (V)

Corriente(A)

Zona-UMPP

Corriente(A)

Tensión (V)

Dependencia delatemperatura depanelesamorfosBajasensibilidaddetemperatura sobretodoenlospanelesa-SiyCdTe


Dependencia Irradiación y de Temperatura


Coeficientes de variación de temperatura (aproximados)


Principios básicos

LosinversorestransformanlacorrientecontinuadelgeneradorFVencorrientealterna,ajustandosufrecuenciaytensión,parasuconexiónalaredpública.

ChileVfn.rms :220VF:50Hz

Montaje Inversores en azotea

Inversores

Principios básicos

Inversores

Características de tensión alterna y tensión continua• Transcurso Periódico V e I• Cruce por cero regular• Arcos de luz que se originan en

situaciones de desconexión. Seapagan automáticamente en el crucepor cero.

• Desfase entre V e I, según la carga

• Sin cruces por cero• Arcos de luz no se apagan

automáticamente

Inversores

Características de tensión alterna y tensión continua

Inversores

Inversormonofásicoà Acometidamonofásica

Inversores

INVERSORESAcometidaTrifásica con inversoresmonofásicos

Con acoplamiento comunicativoMáximo de la carga desequilibrada 4,6 kVA

INVERSORESInversor Trifásicoà AcometidaTrifásica

INVERSORESPrincipios básicos de inversores

Principiosde inversoressincronizadosporlared

Característica deTensiónconysinfiltro.


Reducción del transformador: Trafo de alta frecuencia (HF)

Inversor sin transformador, acometidamonofásica y trifásica


Inversores con Transformador

INVERSORESCaracterísticas de inversores

El rendimiento promedioanual depende del sito de instalación


El rendimiento del inversor depende de la tensión


La Normativa Alemana indica que el valor promedio para 10 min de la potencia del inversortiene que ser reducido:

Smax10min<=1,1SN

En el caso de una instalación en un espacio que conduzca a un calentamiento del inversor, lareducción de la potencia puede efectuarse antes.

Eficien

cia(%

)

RendimientoNormalizadoMPPPMPP/Pdcn

PotenciaLímite

PotenciaLímite

Tiempo(hr)RendimientoMPP RendimientoAC

Potenc

ia(W

)

INVERSORESParámetros de un Inversor

• Tensión nominal (V). Tensión que debeaplicarse en bornes de entrada del inversor.

• Potencia nominal (VA). Potencia quesuministra el inversor de forma continuada.

• Potencia activa (W). Potencia real quesuministra el inversor teniendo en cuenta eldesfase entre tensión y corriente.

• Capacidad de sobrecarga. Capacidad delinversor para suministrar una potenciasuperior a la nominal y tiempo que puedemantener esa situación.

• Factor de potencia. Cociente entre potenciaactiva y potencia aparente a la salida delinversor. En el caso ideal, donde no seproducen pérdidas por corriente reactiva, suvalor máximo es 1, es decir, estas condicionesson inmejorables para el suministro decorriente del inversor.

• Eficiencia o rendimiento. Relación entre laspotencias de salida y entrada del inversor.

• Autoconsumo. Es la potencia, en tanto porciento, consumida por el inversor comparadacon la potencia nominal de salida.

• Armónicos. Un armónico ideal es unafrecuencia de onda múltiplo de la frecuenciafundamental. Tener en cuenta que, sólo afrecuencia fundamental, se produce potenciaactiva.

• Distorsión armónica. La distorsión armónicatotal o THD (Total Harmonic Distortion) es elparámetro que indica el porcentaje decontenido armónico de la onda de tensión desalida del inversor.

• Rizado de corriente. Pequeña variación que seproduce sobre el valor de la onda de corrientealterna al rectificarse o invertir una señal deCC a CA.



Controlprincipal

Elementosdecontrolgeneral

sistemasdegeneracióndeondabasadosensistemasdemodulacióndeanchurade

pulsos(PWM)

Protecciones

EtapadePotencia

Puedeserúnicaomodularenfuncióndelapotenciadeseada

Seoptaporlatecnologíaenbajafrecuencia

Incorporaunfiltrodesalida(LC),parafiltrarlaondayevitar

elrizadoenlatensiónprocedentedelosmódulos

ControldeRed

Eslainternaseentrelaredyelcontrolprincipal

Proporcionaelcorrectofuncionamientodelsistemaalsincronizarlaformadeonda

generadaaladelaredeléctrica,ajustandotensión,

fase,sincronismo,etc


Seguidordelpuntodemáximapotencia

(MPPT)

Unodelosfactoresmásimportantesenuninversor

Sufunciónesacoplarlaentradadelinversoralosvaloresde

potenciavariablesqueproduceelgenerador,obteniendoentodomomentolamayor

cantidaddeenergíadisponible,lamáximapotencia

Protecciones

Tensiónderedfuerademárgenes

Frecuenciaderedfuerademárgenes

Temperaturadetrabajoelevada

Tensiónbajadelgenerador

intensidaddelGeneradorfotovoltaicoinsuficienteFallodelaredeléctricay

transformadordeaislamiento

Proteccionesapersonas

MonitoreodeDatos

Dispondrándemicroprocesadoresquelesfaciliteunagrancantidad

dedatos

Parámetroshabituales(tensión,corriente,frecuencia,etc.)

Parámetrosexternos(radiación,temperaturaambiente,etc.)

Internos(p.e.temperaturasdetrabajo).

INVERSORESInversoresON-GRID o Conectados a la Red

Segúnlasconfiguracióndelsistema],losinversoresdeconexiónaredoONGRDsepuedenclasificarcomo:

• Inversores centrales: la instalación fotovoltaica dispone de un únicoinversor, generalmente trifásico y de alta potencia

• Inversores modulares: también denominados “string inverters”,tienen potencias que oscilan entre 1 y 60kW, pueden sermonofásicosy trifásicos

• Inversores integrados en módulos fotovoltaicos o Micro Inversores:el inversor está integrado en la caja de conexiones o puede adherirsea un módulo FV, es necesario mencionar que cada micro inversorestá conectado soloa unmódulo fotovoltaico


InversoresonGrid:Central


InversoresON-GRID:String


InversoresON-GRID:MicroInversores

INVERSORESInversoresOFF-GRID o Desconectados de la Red

INVERSORESDiferentes concepto de Inversores

Concepto de Subgeneradores


Concepto paramuy baja tensiónde seguridad (Clase de Protección III)


Concepto paraAltas tensiones


Concepto convarios inversores (master/slave)


Concepto convarios inversores (master/slave)


Concepto conmicro-inversores

Microinversores InversoresenString

Rendimiento Relativo P/Pn (%)


Concepto deconexiónen situacionesde sombreamiento

Situación deSombreamiento.Curvasenunainterconexión enfila

Situación deSombreamiento.Curvasenunainterconexión enparalelo.Sombreamiento dedosramalesdemódulos(Strings)


Corrientede retornoen el caso de un falloLa tensión en una ramal de paneles disminuye porejemplo en el caso de un cortocircuito.

La suma de la corriente de los demás ramales depaneles fluye al ramal con el defecto.

La corriente de retorno no debe sobrepasar el límitemáximo de la corriente admisible.En el caso de una extralimitación fusibles deben serinstalados.Generalmente se instalan fusibles a partir de cuatroramales de paneles


Seguridadde servicio gracia a sistemas de respaldo (back-up)

CONDUCTORES

• Cable solar de 4 y 6 mm2 para sistemas fotovoltaicos con cubierta especial depolietileno resistente a la humedad, rayos del sol, radiación UV, al calor, tieneretardarte de flama, uso con conectores MC3 y MC4.

CONECTORES

• MC3 • MC4

DispositivosdeProtección

Líneadeconexión PV

ArregloPV

Módulo PV

CajadeConexiónGeneradorPV

ProtecciónAltaTensión(Siesnecesario)

DiodoBy-pass(Siesnecesario)

GeneradorPV

BarraEquipotencial

Potencial deEcualización (Sies necesario)

LadoDC LadoAC

Red DispositivodeMedición

Distribuidora

ProteccióndeSobrecorriente

InstalacióndeConmutación

Interruptor/Seccionador ProtecciónCorrienteResidual

(Siesnecesario)Transformador(Siesnecesario)

InversorPV

AlimentadoresdeCarga

Dispositivodedesconexión

GabineteoPVBox

DiodosdeBloqueo(Siesnecesario)

CabledeAlimentaciónPV

ProteccióndeSobrecorriente

CablePrincipaldeDC

DispositivosdeProtecciónEsquema paraGeneradoresPV

DispositivosdeProtecciónDispositivos deProtección

DispositivosdeProtecciónPuestaaTierra

ProyectoFotovoltaico











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