Capitulo 1
Fundamentos de las células fotovoltaicas
En 1887 Hertz observo que la chispa saltaba mas fácilmente entre dos esferas de diferente potencial cuando sus superficies eran fuertemente iluminadas por la luz de otra descarga, y posteriormente comprobó que una lamina de zinc cargada negativamente y unida a un electroscopio, perdía rápidamente su carga al ser iluminada por un arco voltaico. De todo ello dedujo que, bajo la acción de la luz, el zinc y en general todos los metales emiten cargas negativas
Los resultados experimentales que se obtuvieron fueron los siguientes:
· El efecto fotoeléctrico es instantáneo, es decir aparece con la radiación sin retraso sensible ( el tiempo transcurrido es del orden de 3 x 10 E-9 segundos)
· El numero de fotoelectrones emitidos, es decir, la intensidad de la corriente producida, es proporcional a la radiación recibida
· Sobre la velocidad de la emisión no influye para nada la intensidad luminosa, ni su estado de polarización, pero si su frecuencia o longitud de onda
· Para cada metal existe una frecuencia minima de la radiación luminosa, por debajo de la cual no se presenta el efecto foto eléctrico
· Las células fotoeléctricas son dispositivos basados en la acción de radiaciones luminosas sobre ciertas superficies metálicas. El efecto de estas radiaciones puede ser de tres tipos:
- Efecto fotoemisión o fotoexterno: provoca en el metal un arranque de electrones con liberación de los mismos
- Efecto fotoconductivo o fotointerno: modifica la conductividad eléctrica del metal
- Efecto fotovoltaico: crea una fuerza electromotriz en el metal
En este último apartado es donde se integran las células fotovoltaicas, que generan un paso de corriente proporcional al flujo luminoso que reciben. Estas células presentan la ventaja sobre los demás tipos de que no requieren ni tensión auxiliar, ni vacio, razón por la cual son utilizadas para la conversión de energía solar en energía eléctrica
Chapín, Fueller y Perarson desarrollaron en 1954 la primera célula solar capaz de convertir, de un modo eficaz, la luz del sol en energía eléctrica. Utilizándose principalmente para la alimentación de satélites artificiales, para fotosensibilizar algunos equipos electrónicos y alimentar pequeñas cargas en lugares remotos o de difícil acceso.
Principios físicos
Como todos sabemos, la materia esta constituida por átomos, los cuales a su vez están formados por dos partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de una carga eléctrica positiva, y los electrones, que giran alrededor en diferentes bandas de energía, con carga eléctrica negativa que compensa la del núcleo, formando de esta forma un conjunto totalmente estable y eléctricamente neutro
A los electrones de la ultima capa se les ha dado el nombre de los electrones de valencia y tienen la facultad de interrelacionarse con otros similares formando una red cristalina
Haciendo una división, podemos afirmar que existen tres tipos de materiales, eléctricamente hablando, y que son:
· Conductores: disponen de unos electrones de valencia poco ligados al núcleo y que pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina respondiendo a un pequeño agente externo
· Semiconductores: sus electrones de valencia están ligados a los núcleos que en los conductores, pero basta suministrar una pequeña cantidad de energía para que se comporten igual que estos, liberando sus electrones mas externos
· Aislantes: presentan una configuración muy estable, la cual es difícil de modificar, ya que los electrones de valencia están sumamente ligados al núcleo, y la energía a suministrar para que saltaran del átomo seria excesivamente grande
Los materiales usados para las células fotovoltaicas son los semiconductores, ya que la energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo es similar a la energía de los fotones que constituyen la energía solar. Al incidir esta sobre el semiconductor (normalmente silicio), sus fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia como para que se rompan los enlaces y queden libres para circular por el semiconductor
Al lugar dejado por ausencia del electrón liberado se le llama hueco y dispone de carga eléctrica positiva (igual a la que tenía el electrón pero de signo contrario). Estos huecos también se desplazan, ya que el electrón liberado es susceptible de caer en un hueco próximo, produciéndose entonces un movimiento de estas “ausencias de electrones”. Al hecho de que los electrones ocupen huecos dejados por otros electrones se le denomina recombinación
Estos electrones libres y estos huecos creados en los puntos donde hay luz tienden a difundirse hacia las zonas oscuras, con lo cual pierden su actividad. Sin embargo, al moverse ambas partículas en el mismo sentido, no producen corriente eléctrica, y antes o después se recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creados se formara un cuerpo eléctrico en el interior del semiconductor, este campo separaría a los electrones de los huecos, haciendo que cada uno circule en dirección opuesta y, por consiguiente, dando lugar a una corriente eléctrica en el sentido del citado campo eléctrico.
Creación del campo eléctrico
En las células solares convencionales este campo eléctrico se consigue mediante la unión de dos regiones de un cristal de silicio tratadas químicamente de modo diverso
Una de las dos regiones la denominada n ha sido dopada (impurificada) con fosforo. El fosforo tiene cinco electrones de valencia, uno mas que el silicio, de manera que la región dopada con fosforo muestra una afinidad por los electrones mayor que el silicio puro
La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro. El boro tiene solo tres electrones de valencia, uno menos que el silicio dopado con boro que tiene una afinidad por los electrones inferior al silicio puro. De esta manera, la unión p-n así formada presenta una diferencia de potencial Vc que hace que los electrones tengan menor energía en la zona n que en la zona p. consecuentemente, un campo eléctrico dirigido de la zona n hacia la zona p tiende a enviar a los electrones hacia la zona p y a los huecos la zona n.
La constitución de una célula convencional de silicio parte de una barra cristalina de silicio dopado con boro, que se corta en discos de un espesor de 0.3 mm. Una de sus caras se dopa fuertemente con fosforo mediante difusión a alta temperatura en una atmosfera gaseosa rica en el mismo, de forma que este elemento penetre en el silicio mas concentrado que el boro que este contenía, hasta una profundidad aproximada de 0.3 micras. Encima de esta capa se deposita una rejilla metálica conductora y en la parte posterior una capa continua. Ambas sirven para facilitar la toma de contactos eléctricos con las dos regiones
Cuando inciden fotones sobre la capa superior de la célula, algunos enlaces se rompen, generándose entonces pares electrón-hueco
Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se denomina longitud de difusión, antes o después estos portadores serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona p y el hueco hacia la zona n y dando lugar, por consiguiente, a una corriente desde la zona n a la zona p
Si la longitud de difusión es muy corta, esto significa que, en un corto recorrido, el electrón y el hueco se recombinaran y la energía luminosa que fue absorbida para crear el par se recupera en forma de calor, lo cual en nuestro caso no es deseable
La corriente eléctrica producida, al ser empleada en un trabajo útil, desarrolla una caída de tensión que hace que la zona p sea más negativa. Como esta zona era la de menor energía potencial de electrones (es decir, la de mayor potencial o mas positiva), el efecto de la carga exterior es reducir el potencial de la zona p, o sea, reducir el campo separador que aparece en la unión
La corriente dada por cada célula solar para una iluminación determinada varía en función de la caída de tensión producida en el exterior, de acuerdo con lo que se muestra en la figura siguiente
La corriente suministrada es casi constante, hasta que se llega a un valor de tensión para el cual el campo de la unión decrece sensiblemente. Entonces la corriente tiende a cero rápidamente.
La potencia máxima que puede dar una célula corresponde a una tensión algo inferior a la de circuito abierto Vca
La máxima intensidad Icc que puede suministrar la célula se produce cuando no existe ninguna tensión exterior, pero en ese caso no suministra potencia en absoluto. El valor de la intensidad máxima Im está también algo más bajo que la intensidad de cortocircuito Icc
Teniendo en cuenta lo anterior, para obtener una buen rendimiento en las células solares, estas deben estar constituidas por un material en el que la energía de enlace de sus electrones no sea ni muy baja, ya que se perdería una buena parte de la energía del fotón, ni muy alta, ya que solo los fotones mas energéticos del espectro solar podrían romper los enlaces. El silicio, con 1.1 eV, es el material mas usado. El arseniuro de galio con el 1.4 eV, tiene teóricamente las mejores características pero es mas caro. El sulfuro de cobre, con 1.3 eV, es un material prometedor.
Rendimiento de las células fotovoltaicas
El rendimiento se define como el cociente entre la potencia eléctrica máxima que puede suministrar una célula fotovoltaica y la potencia luminosa que incide sobre su superficie
El rendimiento obtenido en laboratorio sobre células de silicio monocristalino es del 22-24% pero una vez se pasa a su fabricación masiva esta baja a un valor aproximado del 15%, lo que quiere decir que, de cada 100 vatios que recibimos del sol, tan solo 15 se aprovechan para nuestro uso.
Capitulo 2
Células y paneles fotovoltaicos
La célula fotovoltaica es aquel dispositivo capaz de convertir la luz en electricidad de una forma directa e inmediata. Normalmente, las células fotovoltaicas más utilizadas son las formadas por la unión p-n y construidas a base de silicio monocristalino. No obstante, existen diversos procedimientos y tipos de materiales que se usan para la construcción de las células, de los cuales seguidamente resumiremos el más indiciado y el más utilizado.
Células de arseniuro de galio
Son quizá estas células fotovoltaicas las más indicadas para la fabricación de paneles, ya que su rendimiento teórico alcanza límites cercanos al 27-28 % en su versión monocristalina. El problema principal radica en que este material es raro y poco abundante, hecho por el cual no se ha empezado su manipulación hasta hace relativamente poco tiempo, estando su tecnología poco avanzada y con costos elevados.
Células de silicio monocristalino
Como se ha mencionado al principio de las células fotovoltaicas más utilizadas en la actualidad son las de silicio monocristalino. Esto puede deberse en gran parte al a industria que se ha montado sobre el silicio, ya que es la base de todos los transistores, circuitos integrados y otros componentes activos electrónicos. Por otro lado no podemos olvidar que el silicio es el segundo material mas abundante en la tierra después del oxigeno
Después de estos datos, puede uno preguntarse la razón por la cual las células fotovoltaicas tienen un costo elevado. La respuesta a esta cuestión tiene varias vertientes. Primeramente, el silicio no se encuentra en estado puro y existen ciertos elementos de difícil eliminación. Por otra parte, se ha de fundir y hacerse crecer para formar un monocristal, como se vera mas tarde, etapa la cual se invierte mucho tiempo y mucha energía. Otro aspecto importante es que, por el momento, su uso esta un poco limitado, no pudiéndose fabricar en cantidades tales que pudieran abaratar sensiblemente el costo del producto
Una célula solar de silicio monocristalino no es otra cosa que un diodo de unión p-n que se hace especialmente sensible a la iluminación, generando la corriente eléctrica. En la figura siguiente se observa el circuito equivalente de una célula fotovoltaica, donde se aprecia el generador de corriente, el diodo, un pequeño efecto capacitivo (expresado por un condensador) y dos resistencias típicas de la fabricación, una serie y otra en paralelo o shunt, que están formadas por los propios materiales utilizados
La curva intensidad tensión (I-V) que define el comportamiento de una célula fotovoltaica está representada en la figura siguiente
En ella se pueden ver las medidas típicas que definen una célula. Son:
· Intensidad de cortocircuito Icc
Es aquella que se produce a tensión cero y puede ser medida directamente con un amperímetro conectado a la salida de la célula solar. Su valor varía en función de la superficie y de la radiación luminosa a la que la célula está expuesta
Normalmente, y para células de 100 mm de diámetro, su valor está próximo a los 2.5 amperios de 100mW/cm cuadrado.
· Tensión de circuito abierto Vca
Es la tensión que podemos medir al no existir una carga conectada y representa la tensión máxima que puede dar una célula. Su medida se realiza simplemente conectando un voltímetro entre bornas, y su valor oscila, según el tipo de construcción interior de la célula, alrededor de los 0.5V.
· Potencia de pico Wp
Es la potencia eléctrica máxima que puede suministrar una célula y se defina por el punto de la curva I-V donde el producto de la intensidad producida y la tensión máxima. Todos los restantes puntos de la curva generan valores inferiores de dicho producto.
· Factor de forma FF
Se define mediante la siguiente expresión:
FF=OP.VP/Icc.Vca
Evidentemente, el FF siempre será un valor mas pequeño que la unidad, y la célula solar será tanto mejor cuanto mas se aproxime el valor del factor de forma a dicha cifra. Normalmente, en las células comerciales el FF esta comprendido entre el 0.7 y el 0.8, teniendo las de silicio monocristalino, por regla general, mejor valor que las fabricadas con silicio policristalino
El factor de forma resulta ser un parámetro de gran utilidad práctica, ya que al ser evaluado con el de otro tipo de célula nos da una idea de la calidad de dicho dispositivo, comparativamente hablando.
· Eficiencia de conversión, rendimiento
Por último, otro parámetro que define la calidad de una célula fotovoltaica es el rendimiento o eficiencia de conversión (n), representado por la siguiente formula:
N= Wp/Wr
Donde WP (potencia pico) es igual al producto de la intensidad pico (IP) por la tensión pico (VP), representada en la figura por el rectángulo rayado, y el WR la potencia de radiación incidente sobre la superficie de la célula solar
Para conocer bien el funcionamiento de una célula fotovoltaica debemos tener presentes dos conceptos fundamentales:
a) la tensión en bornas de una unión p-n varía en función de la temperatura, pero a una determinada temperatura esta tensión es constante
b) la corriente suministrada por una célula solar a un circuito exterior es proporcional a la intensidad de radiación y a la superficie de la célula
Los gráficos nos muestran claramente estos conceptos, ya que observamos que si mantenemos una iluminación constante y variamos la temperatura, la curva inicial se va desplazando a la vez que la tensión de circuito abierto va haciéndose más pequeña
En otro grafico vemos que si mantenemos la célula a una temperatura constante y disminuimos la radiación incidente, obtenemos unas corrientes de cortocircuito cada vez menores, pero que están relacionadas proporcionalmente con las iluminaciones
También puede apreciarse que la tensión de circuito abierto no ha variado sensiblemente, lo que nos demuestra su estabilidad frente a los incrementos de la iluminación
Si ahora observamos el comportamiento de la tensión, corriente y rendimiento de nuestra célula aunándolas en un solo grafico, obtenemos deducciones muy interesantes, como que al aumentar la temperatura la tensión baja, mientras que la curva correspondiente a la intensidad incrementa su valor en menor proporción, lo que se traduce en un descenso del rendimiento. Podremos decir, en consecuencia, que a medida que la temperatura a la que se encuentra la célula aumenta, disminuye el rendimiento, produciéndose el efecto contrario, es decir, un aumento del rendimiento en función de unas temperaturas mas bajas.
Capitulo 3
El modulo fotovoltaico
Lógicamente, y salvo muy pocas aplicaciones (juguetería, equipos didácticos, etc.), las células se agrupan en lo que se denomina modulo o panel fotovoltaico, que no es otra cosa que un conjunto de células conectadas convenientemente, de tal forma que reúnan unas condiciones optimas para su integración en sistemas de generación de energía, siendo compatibles (tanto en tensión como en potencia) con las necesidades y equipos estándares existentes en el mercado
Normalmente se habla de paneles de 6, 12 y 24 voltios, si bien es cierto que su tensión esta por encima de las mencionadas, oscilando las potencias
Normalmente se habla de paneles de 6,12 y 24 voltios, si bien es cierto que su tensión esta por encima de las mencionadas, oscilando las potencias producidas entre los 2.5 y los 80 W
Las células que integran un panel fotovoltaico deben estar comprendidas en un rango muy estrecho en cuanto a sus parámetros eléctricos, para evitar descompensaciones que se producirían en el interior del modulo si unas generan mas corriente que las vecinas. Precisamente por este motivo son de suma importancia las pruebas finales de las células, dentro de su proceso de fabricación
El mundo fotovoltaico consta de diversas capas que recubren a las células por arriba y por abajo, con el fin de darles una protección mecánica, toda vez que además las protegen contra los agentes atmosféricos, especialmente el agua, que puede llegar a ser causante de la oxidación de los contactos, con lo cual las células quedarían inservibles para la producción de energía
Los módulos fotovoltaicos tienen estructuras y formas muy variadas, según los diferentes fabricantes. Podríamos hacer una división general diciendo que un modulo puede estar formado por:
- Cubierta exterior
- Capa encapsulante anterior
- Células fotovoltaicas
- Capa encapsulante posterior
- Protección posterior
- Marco soporte
- Contactos eléctricos de salida
Describiremos someramente las principales cualidades que deben presentar los materiales que se usan en la fabricación de los módulos fotovoltaicos
· Cubierta exterior
Tiene una función eminentemente protectora, ya que es la que debe sufrir la acción de los agentes atmosféricos. Por este motivo, se suele utilizar vidrio en vez de siliconas como hace algunos años, pues presentaban problemas de durabilidad. El vidrio especialmente el templado, presenta unas cualidades que confieren al modulo fotovoltaico grandes ventajas respecto a otros tipos de materiales, ya que presenta una buena protección contra los impactos a la vez que tiene una excelente transmisión a la radiación del espectro solar
El cristal utilizado para la fabricación de módulos y paneles fotovoltaicos debe ser, en su parte exterior, sumamente liso y capaz den o retener suciedad. No ocurre así normalmente en la posterior, que esta en contacto con el encapsulante, y es rugosa con el fin de mejorar la penetración de la radiación y la adherencia con este, el cual embute a las células.
· Capas encapsulantes
Son las encargadas de proteger las células solares y los contactos de interconexión. Los materiales utilizados (siliconas, polivinilo butiral, EvA o etilvinilo- acetileno, etc.) debe presentar sobre todo una excelente transmisión a la radiación solar, así como una nula degradación frente a las radiaciones ultravioletas, ya que si no es así, puede disminuir el rendimiento del modulo. El encapsulante debe prestar también la misión de proteger y amortiguar las posibles variaciones e impactos que se pueden producir, así como actuar de adhesivo entre las cubiertas posterior e inferior
· Protección posterior
Su misión consiste fundamentalmente en proteger contra los agentes atmosféricos, ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad, algunos fabricantes utilizan cristal, pero normalmente suelen utilizarse materiales acrílicos, siliconas, TEDLAR o EVA. Estos últimos materiales, cada día más usados, proporcionan unas características inigualables, ya que son hasta 2300 veces menos absorbentes de la humedad que la silicona
Habitualmente suele tener color blanco ya que esto favorece el rendimiento del panel
· Marco soporte
Es la parte que presta rigidez mecánica al conjunto y permiten su inserción en estructuras que agruparan a más módulos
El marco suele ser de aluminio anodizado o acero inoxidable, y a veces puede aplicarse un tratamiento especial para hacerlo mas resistente al ambiente marino, que tan perjudicial para los materiales
Los marcos soporte deberán llevar los taladros necesario para su anclaje a un bastidor, evitando tener que ser manipulados después de un marco no debe ser taladrado bajo ningún concepto, ya que las vibraciones producidas pueden hacer estallar el cristal, llevan una toma de tierra, que deberá ser usada si el numero de unidades que van a ser instaladas es grande
· Contactos eléctricos
Son aquellos que van a permitir acceder a la energía producida por el conjunto de células. Las formas y los métodos son variados. Unos fabricantes proporcionan uno o dos metros de cable que sale del interior del panel, otros disponen de bornas positiva y negativa, que a veces van en una caja de conexiones intemperie o simplemente se protegen, una vez hecha la conexión, con un capuchón de goma. De cualquier forma, deben de ser cómodos para el cableado y permitir que la conexión de una gran cantidad de módulos sea dificultosa.
· Normativa sobre los módulos fotovoltaicos
Dado el desarrollo de la energía solar fotovoltaica es creciente, desde hace años se han establecido una serie de normas que regulan su calidad
Dichas normas son de obligado cumplimiento en algunos países y recomendadas en otros, siendo en cualquier caso una ventaja para los usuarios de estos sistemas
En España, existe una norma establecida el 8/11/1985 que regula las pruebas que deben realizarse para obtener una homologación por parte del ministerio de industria y que son las siguientes:
- Inspección visual
- Pruebas mecánicas:
Terminales eléctricos (tracción, flexión, par)
Resistencia del modulo a la torsión
Resistencia del modulo a impactos de bolas de hielo
- Características eléctricas:
Tensión en circuito abierto
Tensión en punto de máxima potencia
Corriente en cortocircuito
Corriente en punto de máxima potencia
Potencia en punto de máxima potencia
- Prueba de aislamiento eléctrico (fugas)
- Pruebas de durabilidad:
Ciclos de temperatura
Ciclos de húmedas-temperatura
Resistencia a ambientes salinos
Resistencia a radiación ultravioleta
Prueba de duración
Capitulo 4
Reguladores de carga
Como ya se ha visto anteriormente, los módulos fotovoltaicos tienen una salida en tensión superior a la tensión nominal de las baterías o acumuladores usados en las instalaciones. Este hecho es debido fundamentalmente a dos causas:
- La tensión del panel debe ser mas elevada, para paliar la disminución que se puede producir debido al numero de temperatura
- La tensión del panel fotovoltaico debe ser siempre mayor que la tensión de batería, para poder cargarla adecuadamente. Como se ha estudiado, para alcanzar un pleno estado de carga en una batería de 12 V nominales, necesitamos una tensión minima de 14 V ( 2.34 V por elementos de batería)
La misión del regulador, se centra por lo tanto, en evitar que, debido a una tensión excesiva proporcionada por el panel, este pueda en algún momento sobrecargar el acumulador, con el consiguiente perjuicio que pueda ocasionar al a vida de la batería
En definitiva, el regulador de carga es un equipo capaz de evitar la sobrecarga del acumulador a la vez que limita la tensión a unos valores adecuados para el mantenimiento, en estado de flotación, del grupo de baterías
La misión del regulador de carga es de suma importancia en la mayoría de los casos, ya que estamos trabajando con una fuente de energía totalmente variable y estacional. Supongamos, por ejemplo, un consumo fijo durante todos los días del año. Si calculamos el número de módulos solares necesarios, lógicamente deberemos tomar como base la radiación invernal para asegurar el correcto funcionamiento del sistema en la peor época. Pero esto nos da pie para pensar que, cuando llegue el verano, el valor de la radiación pueda duplicarse, por lo que la producción será doble a la calculada en la estación invernal y, por el contrario, el consumo será el mismo. De no existir un sistema regulador, se produciría un exceso de corriente que seria capaz de hacer hervir el electrolito con la consiguiente perdida de agua y deterioro del grupo acumulador, al no estar limitada la tensión
Habitualmente, el control del estado de carga de las baterías se realiza mediante la medida de la tensión en bornas, usando los datos proporcionados por los diferentes fabricantes, ya que existe una relación entre estos dos parámetros. De esta forma, el circuito de control del regulador de carga sabe cuando este debe empezar a actuar limitando la tensión y corriente proporcionada por el grupo fotovoltaico
Esencialmente, existen dos grandes grupos de reguladores: los de tipo shunt o paralelo y los de tipo serie. La misión en ambos casos es la misma y se diferencian en la forma de trabajo y prestaciones de cada uno de estos elementos. Seguidamente comentaremos el funcionamiento de estos tipos de reguladores básicos.
Regulador shunt
El método tradicional de controlar la carga de las baterías en los sistemas eléctricos es el regulados shunt. Los dispositivos de este tipo, colocados en paralelo con el grupo solar y el sistema de baterías detectan la tensión de los bornes de la batería, y cuando ese potencial alcanza un valor establecido de antemano, crean una vía de baja resistencia a través del grupo solar, derivando con ello la corriente y apartándola de las baterías
Un diodo en serie, situado entre el regulador en derivación y la batería impide que la corriente del acumulador retorne a través del regulador o del grupo solar. Como el sistema al que se está dando energía toma corriente de la batería, su tensión en los bornes descenderá hasta que se desconecte el regulador en derivación y se reanude la carga
Los reguladores del tipo shunt han de disipar toda la corriente de salida del grupo solar cuando el sistema de baterías alcanza el estado de plena carga. Esto resulta una tarea razonable cuando los sistemas eléctricos solares son pequeños, pero con los grandes sistemas requieren disipadores térmicos de grandes dimensiones o disipadores menores múltiples. Lo que conduce a problemas de fiabilidad y de costo elevado
Luego, puede decirse que estos reguladores son rentables aplicándolos cuando la potencia de los módulos no sea excesivamente grande ya que el precio puede equipararse entonces a reguladores tipo serie con mayores prestaciones y capaces de manejar una mayor corriente procedente del grupo fotovoltaico
Estos equipos constan de:
- Un relé mecánico, cuyos contactos proporcionan una vía de baja resistencia para la corriente que afluye a la batería
- Circuitos de detección y control para determinar el estado apropiado del relé
- Circuitos para proteger a los contactos del relé de la degradación debida a la conexión e interrupción de las corrientes fuertes
El relé incorporado debe ser un componente de alta calidad caracterizado por grandes áreas de contacto para baja resistencia. También debe durante un corto periodo cumplir un mínimo de actuaciones aseguradas, ya que ello define la vida del regulador, así como estar totalmente protegido contra los efectos ambientales
Los circuitos de control realizan diversas funciones, incluidas, detección del potencial de la batería para determinar cuando esta se encuentra plenamente cargada, compensación de temperaturas para permitir el reglaje exacto automático del coeficiente de temperatura de la batería y medida de la potencia del grupo solar.
Funcionamiento
Cuando la tensión en los bornes de la batería alcanza, durante la carga, el nivel umbral preestablecido, los circuitos de control abren el relé y le permiten que permanezca abierto durante un cierto tiempo, después del cual cierran el relé para reanudar la carga
Sincronizados con este ciclo, los circuitos de control abre el relé durante un corto periodo de tiempo (normalmente un segundo), en el transcurso del cual, se mide la tensión de salida de los paneles solares. Si la tensión del grupo fotovoltaico es mas baja que el potencial de la batería, el relé se mantendrá abierto. Esta condición se da todas las noches, cuando la potencia de salida del grupo solar desciende a cero
Esta característica de los circuitos de control elimina la necesidad del diodo de bloqueo y la caída de tensión correspondiente que su uso nos proporciona. En determinados modelos, también se prevén terminales para un elemento sensible a la temperatura, sensor, que se puede adherir a la carcasa del acumulador que se esta cargando, como el potencial final de la carga está en función de la temperatura, este elemento característico reajusta automáticamente el punto de umbral para asegurar la plena carga de la batería a cualquier temperatura. Esta compensación da una corrección del punto de umbral de -3mV/ºC/elemento, ideal para las baterías utilizadas en los sistemas de energía solar. El uso de sensor en un entorno de temperatura controlada carece de interés, ya que la tensión umbral se puede ajustar al principio en relación con la temperatura que van a estar los acumuladores
Los circuitos para proteger los contactos del relé consisten en dispositivos de estado sólido en paralelo con los contactos que reducen la tensión a 6V, lo que garantiza un comportamiento seguro y de larga duración, consiguiendo en los reguladores una vida mas larga y con menos circuitos accesorios, así como una mayor reducción en el precio
La gran ventaja de los reguladores serie es su reducido espacio y la ausencia del calor lo que los hace óptimos para su utilización en cabinas completamente herméticas, que trabajan en condiciones muy duras.
La estructura soporte es otro aspecto importante en estas instalaciones, asegura un buen anclaje a la vez que proporciona no solo la orientación necesaria al generador solar, sino el ángulo de inclinación idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación
Estos elementos, son los encargados de hacer a los módulos resistentes a la acción ejercida por los elementos atmosféricos. Se estudiaran en este capitulo diversas formas de situar los módulos fotovoltaicos
Supongamos que se dispone de una superficie de paneles de 1m cuadrado, y en la zona de su instalación pueden producirse vientos de 200 km/h. la formula de la presión máxima del viento es:
P=F/S
Donde:
F=fuerza del viento
V=velocidad del aire en m/s
S=superficie receptora en m cuadrado
P=presión del viento en KP/m cuadrado
Este ejemplo demuestra el gran efecto que puede hacer el viento sobre un grupo de módulos solares y hacernos pensar en las graves consecuencias de un mal anclaje o un erróneo diseño de la estructura que soporta el conjunto
No solo es la acción del viento el problema de los soportes y estructura, también debemos tener cuidado con la nieve, lluvia, heladas, etc. En efecto, algunas de las acciones descritas anteriormente (nieve, lluvia) afectan al emplazamiento forma del soporte de sustentación, mientra que las heladas o determinados ambientes (por ejemplo los cercanos a las costas), afectan más al tipo de materiales empleados para la construcción de las estructuras
Como se ha mencionado anteriormente, el soporte del panel fotovoltaico cumple una doble misión. Por una parte, mecánica, al proporcionar y asegurar el perfecto ensamblaje y afianzamiento, y por otra, proporcionar la orientación precisa, así como el ángulo o ángulos idóneos par aprovechar la máxima radiación o la mas interesante para la aplicación a la cual se destine. La orientación ha de ser siempre sur (si estamos en el hemisferio norte), pues es la única orientación donde aprovechamos, de una forma total, la radiación emitida por el sol. Tan solo en circunstancias muy especiales podremos variar la orientación ligeramente hacia el poniente o el levante, como puede ser el caso de existir un obstáculo natural (montaña, etc.) que durante un corto periodo impida la radiación directa del sol
En la figura adjunta quedan claramente representadas las trayectorias del sol en las diferentes estaciones, y podemos observar su corto recorrido en invierno, a la vez que comprobamos que la trayectoria de la radiación es mas horizontal que en verano. Es la causa por la que la inclinación de los paneles fotovoltaicos suele ser mas grande, de forma tal que aprovechemos lo mas posible la escasa radiación invernal haciendo incidir sus rayos normalmente. Como consecuencia, se produce una perdida en verano que podría ser compensada, si así se diseña el soporte, variando la inclinación del conjunto a un ángulo de inferior valor volviendo a incidir los rayos solares en un ángulo lo más cercano a los 90º sobre la superficie del panel solar
Podemos hacer varias clasificaciones al hablar de soportes, pero creemos más interesante hacer las distinciones en función de la forma de situación. En el dibujo adjunto se representan cuatro formas típicas de colocar un grupo de módulos fotovoltaicos, que comentaremos seguidamente
1) es la clásica forma de instalar los grandes conjuntos de módulos fotovoltaicos, pues que en otro método acarrearía mayores inconvenientes para su montaje. Este tipo de estructuras es muy robusto, y no debemos olvidar que en esta disposición la acción del viento es menor pues, como todos sabemos, a más altura mayor es la fuerza del aire, ya que en las capas bajas queda más atenuado. Presenta además esta forma de montaje una gran facilidad para su instalación, tanto de la propia estructura soporte como de los paneles fotovoltaicos, ya que se trabaja a ras de suelo. Como inconveniente presenta la fácil accesibilidad y la mayor probabilidad de que puedan producirse sombras parciales
A la mayoría de estas instalaciones se las protege por medio de un cerramiento metálico, para evitar el paso de personar y animales que pudieran ejercer acciones perjudiciales para el buen funcionamiento de la instalación
El montaje de este tipo de sustentación del conjunto solar no es demasiado bueno para aplicaciones en montaña, donde pueda producirse la presencia de nieve, ya que esta, caída en grandes cantidades, podría llegar a tapar parcial o totalmente los paneles solares. No obstante, este inconveniente puede verse subsanad por la creación de unos asientos mas elevados, de acuerdo con la altura que pueden alcanzar las precipitaciones en forma de nieve
2) Este sistema de sustentación es usado principalmente en instalaciones donde ya se disponga de un mástil, aunque no queda descartada la posibilidad de un montaje especial, dada la facilidad y simplicidad que presenta. Las instalaciones para las cuales es recomendado este tipo de implantación no deben ser excesivamente grandes, contando con poco mas de un metro cuadrado de superficie de módulos, ya que si esta superficie se ve rebasada, nos obligaría a sobredimensionar e incluso arriostrar el mástil, con lo cual cabria la posibilidad de que otro sistema pudiera ser mas económico y de mas fácil instalación. Este sistema es muy utilizado en las instalaciones con repetidores, donde ya se dispone de una antena que puede hacer las veces de mástil, con lo que tan solo bastaría hacer el marco soporte de los módulos y los herrajes de unión con la torre
3) Otra forma, cada vez mas utilizada sobre todo en instalaciones domesticas, consiste en acoplar la estructura a una de las paredes del recinto donde se va a instalar energía solar fotovoltaica. Presenta este método evidentes ventajas, no solo en seguridad debido a la altura a la cual se puede instalar, sino a la liviana estructura que se utiliza, ya que la base presenta un buen punto de anclaje, que además de estar construido. Puede este sistema adaptarse mediante tacos de expansión o bien realizando una pequeña obra donde se inserte la estructura. La acción del viento queda drásticamente disminuida ya que no puede incidir prácticamente por la parte posterior, y un viento frontal no hará más que ejercer fuerza directa sobre los puntos de apoyo. Esta opción solo tiene el inconveniente de que es obligatorio que una de las fachadas de al sur. Cualquier variación presentara problemas accesorios que complicaran la estructura, al tener que dotarla de un ángulo lateral para su perfecta orientación
4) La instalación en la cubierta de un edificio es uno de los métodos más usados a la hora de realizar el montaje de un equipo solar, ya que normalmente siempre podremos disponer del lugar adecuado para garantizar la perfecta orientación, además de suficiente espacio. Lo comentado para el caso de la instalación sobre el suelo, respecto a los problemas con nieve, debe ser tenido en este caso también en cuenta. El anclaje normalmente no presenta inconvenientes, pero debemos asegurar el perfecto restablecimiento de la impermeabilidad y no permitir que puedan producirse depósitos de agua que perjudiquen posteriormente. Un sistema rápido y seguro, que es aplicable a casetas de instalaciones de telecomunicación, telemetría, etc. , que normalmente suelen ser de tejado plano, es taladrar el techo introduciendo un espárrago roscado con sus tuercas y arandelas, tanto por abajo como por arriba, dejando firmemente seguro el anclaje de la estructura. Para dejar el conjunto perfectamente impermeabilizado, se sellan con silicona todas las uniones para impedir el paso de agua.
Los materiales utilizados para la construcción de estructuras soporte pueden variar en función del tipo, medio ambiente al cual están sometidos resistencia, etc. Los principales materiales utilizados son los siguientes:
Es un material ampliamente usado para las pequeñas estructuras (de uno a seis módulos habitualmente) ya que presenta una gran ventaja por su fácil mecanización, liviano peso y gran resistencia. Es muy conveniente, casi imprescindible, que el aluminio a utilizar sea anodizado, para que su vida pueda dilatarse a grandes periodos de uso
Los soportes realizados en aluminio pueden formarse bien con tubos o con angular de dimensiones y grosores adecuados a las fuerzas a que se vea sometido por acción del viento. Se recomienda que toda la tornillería sea de acero inoxidable
Es el material habitualmente usado para instalaciones de gran número de paneles o que deben soportar potentes vientos, ya que se encuentra en una gama de dimensiones, formas y grosores muy amplia. En todos los casos, las estructuras soporte construidas con hierro deben ser sometidas a un galvanizado que le confiera propiedades anticorrosivas durante muchos años. Este baño galvánico debe incorporar a la superficie un grosor no menor de 100 micras, para asegurar una perfecta protección
Debemos tener en cuenta que todos los trabajos de corte, soldadura, etc., deben ser ejecutados con antelación al galvanizado, ya que cualquier modificación posterior haría perder la protección en el lugar donde se realizo. No obstante y teniendo en cuenta que puede ocurrir que a la hora de la instalación se necesite hacer algún ajuste imprescindible, se dispone en el mercado de un producto para pequeños retoques de galvanizado en frio que, aplicados al lugar del desperfecto, lo protegerán contra toda la acción corrosiva
Al igual que en el caso anterior, se recomienda que toda la tornillería utilizada sea de acero inoxidable, con el fin de alargar su vida y permitir en cualquier momento el cambio de algunos de los elementos que la componen
Es el material más perfecto que puede ser utilizado para la construcción de estructuras, ya que s inatacable por casi todas las acciones externas y tipo de ambientes. El acero inoxidable es muy utilizado en instalaciones que estén situadas en ambientes salinos, que como ya se sabe, son altanamente corrosivos. La contra partida en la utilización del acero inoxidable para la construcción de soportes metálicos estiba en su elevado precio y especial manipulación en las soldaduras que hace encarecer su costo. No obstante, este inconveniente puede quedar absorbido por la calidad y larga vida que proporcionara su utilización
Cuando se utiliza acero inoxidable para la construcción de estructuras soporte, hay que tener en cuenta que si el marco de los módulos fotovoltaicos es de aluminio, deberá evitarse el contacto directo de estos materiales, mediante un aislador, dado que estos dos elementos producen una corrosión galvánica elevada, especialmente en ambientes salinos. La instalación de inhibidores de corrosión galvánica es, en este caso, de uso obligatorio
Desde hace algún tiempo, los nuevos materiales sintéticos están constituyendo en algunas aplicaciones a los materiales tradicionales. Este es el caso de la fibra de vidrio o composite, que presenta unas características físicas y mecánicas excelentes, unida a una disminución de peso considerable respecto a los aceros. Su nula corrosión la hace especialmente indicada en aplicaciones solares, además de presentar un aislamiento eléctrico que, en algunos casos, nos puede evitar la puesta a tierra del conjunto
La fibra de vidrio puede presentarse en diferentes colores y perfiles, bien el “L” o en forma de tubo, por lo que se acopla a multitud de aplicaciones y tipos de estructuras soporte, ya sea utilizando únicamente este material
Uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta respecto a las estructuras son los puntos de apoyo, pues de ellos depende la solidez del conjunto. De nada sirve calcular un angular que soporte vientos muy fuertes si no afianzamos de forma segura la estructura al suelo, cubierta o cualquier otro lugar. En el caso de utilizar mástil debemos pensar la posibilidad de arriostrar este y dotarle de una base solida
En la figura se pueden apreciar cuatro tipos diferentes de asientos para estructuras de suelo o cubierta. El dibujo A representa una losa de hormigón con base perimetral, esta debe ser reforzada en sus extremos con tirantes alrededor del perímetro y a través del centro de la losa
En el esquema B se puede apreciar la clásica disposición con cimientos de vigas de madera, más rápidas de instalar pero de una duración menor. Semejante a este tipo, pero mucho más resistente, es el de la figura C, donde nos muestra el perfil de una estructura que utiliza bloques de hormigón, que es aconsejable que se refuercen con tirantes de ¼ de pulgada a lo largo del bloque
Por último, el caso D presenta una disposición con cimientos metálicos. Este tipo de cimientos debe estar firmemente anclado a tierra, ya que no tiene suficiente masa para resistir vientos elevados.
Efectos de los agentes atmosféricos sobre las instalaciones solares fotovoltaicas y algunos consejos para evitarlos
No debemos olvidar que los módulos solares, así como conexiones y estructuras soporte, se encuentran completamente a la intemperie, y esto representa una cuidadosa selección de los materiales a usar en todas y cada una de las instalaciones, tanto más cuanto más duras sean las condiciones atmosféricas que se presenten
La primera regla para dimensionar y definir todos y cada uno de los elementos que formaran el conjunto fotovoltaico, es obtener la mayor cantidad de datos de la zona en cuestión, vientos (frecuencia e intensidad), temperaturas (tanto máximas como mínimas), pluviometría, presencia de nieve en determinadas épocas del año, tipo de ambiente (si es corrosivo), nieblas, etc. Estos factores nos serán muy útiles también para el cálculo de resultados de los módulos fotovoltaicos, así como de la capacidad del acumulador
Si los vientos son fuertes, la estructura soporte de los módulos debe estar prevista para poder dejar un hueco entre modulo y modulo, con el fin de que el aire pueda circular entre ellos ejerciendo menos presión que si los paneles fotovoltaicos quedan pegados unos a otros. Esta distancia puede estar alrededor de los dos centímetros
Como ya se ha mencionado anteriormente, debemos tener muy en cuenta la posibilidad de que, si existen precipitaciones en forma de nieve, estas pueden llegar a tapar los módulos solares. Para evitar esto elevaremos la base de la estructura lo suficiente como para permitir que la nieve se amontone sin perjudicar a la superficie captadora. Es aconsejable en todos los casos, la inserción de tirantes entre las patas de la estructura para poder obtener una mayor resistencia mecánica del soporte
Si se trata de ambientes marinos, la elección del material metálico se realizara sin escatimar gastos, ya que a la larga el conjunto dará mejores resultados que si realizamos la instalación con materiales de inferior calidad. Esto es debido, como todos sabemos, al alto poder corrosivo que tiene el ambiente en las zonas marinas. Lógicamente, si la estructura está en contacto con el agua del mar (boyas de señalización, plataformas, etc.), el problema se agudiza, debiendo utilizarse en este caso el acero inoxidable o acero con doble galvanizado en caliente, para dotarle de un grosor mucho más elevado del que habitualmente se aporta para instalaciones con ambientes más benignos
La lluvia sobre los componentes metálicos en si no representa nada más que la posibilidad de oxidación más acelerada. Ahora bien, como se ha mencionado anteriormente, la instalación consta además de otros componentes como son las uniones eléctricas, cables de conexión, etc. Estos elementos deben ser totalmente estancos, con el fin de evitar posibles cortocircuitos producidos por el agua de lluvia
Es aconsejable que los módulos solares dispongan de una caja de conexiones estanca, o bien, si los terminales estas desnudos, queden protegidos después de realizar la conexión mediante un capuchón de goma. Todos los conductores eléctricos deben estar suficientemente aislados, e incluso se podría recomendar el utilizar en las partes exteriores cables de manguera de doble capa bajo un tubo plástico resistente, ya que se ha demostrado que en un periodo de tiempo no excesivamente largo el cable de manguera se termina cuarteando, iniciando a partir de ese momento un rápido y progresivo deterioro, con los consiguientes riesgos que esto conlleva
Debemos pensar que las instalaciones solares fotovoltaicas no siempre son definitivas e inamovibles. Por esta razón se debe prestar suma atención a las partes de amarre (tanto de paneles-estructura como de estructura-base de soporte), ya que en un determinado momento puede ser necesaria la sustitución de un modulo o la ampliación en tamaño del soporte fotovoltaico, por haber crecido la demanda de potencia. Por este motivo se han de usar buenos materiales en tornillería, evitando que una corrosión entre anillos y tuercas pueda hacer retrasar un trabajo que en principio es fácil
Como último consejo no debemos olvidar nunca el uso de silicona en todas aquellas uniones o puntos débiles frente al agua y la humedad, sellando mediante el empleo de estas conexiones eléctricas, cajas, juntas, etc.
Como muchas veces se ha dicho que una imagen vale más que mil palabras, a continuación hay reunidas una serie de dibujos y fotos que representan de una manera más grafica diversas soluciones adoptadas. Para la instalación exterior de los módulos y paneles fotovoltaicos.
La mayoría de los metales se encuentran en la naturaleza en forma de oxido o sulfuros y solo se pueden obtener de estos compuestos naturales mediante la aportación de grandes cantidades de energía. No obstante, los metales así obtenidos se encuentran en una situación inestable y cuando entran otra vez en contacto con el medio ambiente (atmosfera, agua, etc.). Tienden a recuperar su estado natural. Esta tendencia es lo que se conoce como corrosión.
Como se ha visto en anteriores capítulos, los rayos solares inciden sobre la tierra con diferentes ángulos de inclinación, variables o solo por la posición del observador, sino también por la época del año. En efecto, para instalaciones situadas en el hemisferio norte (caso de España), la orientación del modulo solar será sur, mientas que si esta se encuentra en el hemisferio sur la orientación será norte (caso de Sudamérica y también de África). De cualquier forma, como los paneles producen la máxima energía cuando los rayos solares inciden perpendicularmente a la superficie del panel, deberemos buscar el ángulo de inclinación perpendicularmente a la superficie del panel, deberemos buscar el ángulo de inclinación tal que nos produzca la máxima corriente eléctrica una vez orientado en su posición. Lógicamente, este ángulo de inclinación será variable a lo largo de los meses del año, puesto que la inclinación de estos rayos va siendo mayor cuanto más se acerque el verano y viceversa. Por tanto, y para España, los ángulos variaran entre el 20-25º al 55-60º respecto a la horizontal, según sea verano o inviernos respectivamente
Lo mejor para conseguir siempre la máxima producción seria variar el ángulo mes a mes, pero como esto resulta bastante molesto, en la mayoría de las instalaciones se opta por el ángulo más idóneo dependiendo de la época en la cual se va a utilizar con más frecuencia, o bien por dar una inclinación grande para aprovechar al máximo el sol invernal si el consumo es igual para todos los meses del año. En algunos casos es posible, y no resulta especialmente molesto dar dos inclinaciones al año, una de invierno (55-60º) y otra de verano, que se encuentre alrededor de los (25-30º)
Una vez que disponemos del ángulo idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación, pasaremos a describir la conexión eléctrica entre paneles. Como todos sabemos, la interconexión entre los módulos puede ser de dos tipos: en serie (para aumentar la tensión) o en paralelo (con lo cual aumenta la intensidad producida). No obstante, con excesiva frecuencia se ha de disponer una mezcla de los dos tipos de conexiones para poder conseguir la intensidad y tensión idónea para cada caso en particular
De todos es conocido que la conectar dos módulos en paralelo la tensión resultante es la misma que la de uno, pero, por el contrario, la intensidad eléctrica es doble. Si en cambio los dos módulos se conectan en serie, la tensión será el doble, mientras que la intensidad eléctrica producida corresponderá a la de uno de ellos. En los gráficos que siguen se pueden apreciar algunos ejemplos que ilustran lo anteriormente expuesto, siendo el común denominador de todos ellos la utilización de un modulo cuya tensión nominal es de 12V y su corriente de 2 amperios, que resulta una condición imprescindible para la conexión de paneles en serie, paralelo y mezcla de estas dos formas
Resulta obvia la importancia de unas buenas conexiones eléctricas que aseguren una fiabilidad elevada, en previsión de posibles fallos con respecto a caídas de tensión producidas en las uniones. Esta avería, que suele resultar más frecuente de lo que en principio podemos pensar, se elimina disponiendo los terminales adecuados para cada tipo de conexión, por lo que podemos huir de arrollamientos del conductor sobre los terminales que tan poca seguridad nos pueden ofrecer
Tampoco debemos olvidar la protección contra los agentes atmosféricos de los conductores eléctricos, especialmente los que interconexionan los módulos y los que los unen con el sistema de regulación. Son precisamente estos los que sufrirán más directamente las inclemencias atmosféricas, por lo cual su elección no debe plantear dudas, ya que, en cualquier caso, se deben instalar los de mejor calidad respecto a sus aislantes exteriores. Una buena costumbre consiste en introducirlos bajo tubo, al menos en el tramo que se va a encontrar a la intemperie
Problemas ocasionados por sombras parciales en la superficie de un panel fotovoltaico
Se observa un defecto de tendencia a la inversión cuando una célula con poca intensidad de salida está conectada a otras cuya intensidad es más elevada. En estas condiciones, la célula de baja salida, en vez de generar corriente lo que hace es disiparla (produciendo una elevación de su temperatura), es decir, actúa de receptor en vez de generador
En la figura anterior se pueden verlas curvas características I-V de 33 células conectadas en serie (correspondientes a un modulo estándar) y de una célula que puede tener tendencia a la inversión. En ambos casos se trabaja en las condiciones de medida normales (a 100 mW/cm2 y 25º). La potencia total producida por el conjunto de las 33 células fotovoltaicas en serie es el producto de la intensidad por la tensión en cualquier punto de la curva I-V. Igualmente la potencia disipada resulta ser el producto de la corriente por el voltaje, para cada punto
Dado que se supone que todas las células que incorpora un modulo fotovoltaico han sido seleccionadas y agrupadas respecto a su salida eléctrica, ya que sin esta condición la calidad del modulo dejara mucho que desear, la única posibilidad de que exista una célula de baja salida en un agrupamiento en serie este total o parcialmente sombreada
La peor condición que se puede dar para producirse el fallo del modulo por calor, como consecuencia de la inversión, es la de cortocircuito ya que en ese momento la intensidad es máxima. Este hecho, no obstante, es poco frecuente debido a que usualmente la mayoría de los módulos se utilizan junto con sistemas de baterías. Por este motivo estableceremos una tensión media de funcionamiento de 12.5 V, a fin de centrar criterios
Veamos la figura anterior, donde una célula esta sombreada en el 50% de su superficie (nótese que al añadir una célula de baja salida se modifican las características de salida del modulo). Para calcular la potencia disipada por la célula sombreada, determinaremos en nivel de corriente resultante en la curva I-V (incluida la sombreada, para una tensión fijada de 12.5V. puesto que todas las células del modulo están conectadas en serie, la corriente a través de ellas será la misma, y por tanto el voltaje de funcionamiento de la célula sombreada puede ser calculado por medio de la corriente de funcionamiento del modulo. Realizados estos cálculos sobre la figura, observaremos que la potencia disipada por la célula parcialmente sombreada es la correspondiente al rectángulo rayado en la curva, que en este caso es de casi 5 W (=3V x 1.6 A), y esto representa casi cinco veces más de lo que esta célula generaría en condiciones normales. El caso expuesto es el peor, ya que, en contra de lo que se pueda pensar, una célula totalmente sombreada disiparía menos energía que la que tiene la mitad de su superficie
Cuando los módulos fotovoltaicos son usados en instalaciones que incorporan series de estos (24V o mas), es aconsejable el uso de un diodo by-pass. El efecto de este diodo se indica esquemáticamente en la siguiente figura, pudiéndose observar la limitación del voltaje inverso a través de cada modulo, hasta los 0.7 V, justo la caída de tensión del diodo. Además, la utilización de un diodo by-pass en los sistemas de 24V nominales o mas disminuye las pérdidas de rendimiento de la instalación por efecto de células sombreadas. Este comportamiento queda reflejado en la figura 2, para el supuesto de diez módulos dispuestos en serie con una tensión nominal de 120 V
Resumiendo, podemos decir que se debe estudiar muy bien la situación del panel fotovoltaico a la hora de su instalación, pues, como se ha visto, las sombras parciales sobre sus células o, por similitud, las sombras a paneles enteros dentro de un grupo elevado de módulos pueden acarrear averías o como mínimo, pasos de corriente entre los módulos, que no benefician precisamente a estos
Especial cuidado debemos tener en sistemas que trabajen a tensiones superiores a 24 V, puesto que la incorporación de diodos de by-pass se hace entonces obligatoria. Un buen diodo recomendado para estos casos es el T 16-83 MR 758 que, acoplado entre las bornas de los módulos evita que un panel pueda actuar de receptor de intensidad si su superficie ha quedado oscurecida total o parcialmente
Un fallo muy usual en la instalación de módulos fotovoltaicos, que precisamente se suele producir cuando el montaje se realiza en verano, es aquel que, debido a la altura que alcanza el sol en esta época, no nos advierte de las posibles sombras arrojadas por arboles o cualquier otro obstáculo, tanto natural como artificial, y que cuando la época invernal se va acercando, y debido a la escasa inclinación que adquieren los rayos, se producen por sorpresa, sobre parte o toda la superficie
A- 1 modulo. Todas las células con alto rendimiento
B- 1 modulo. Una célula con bajo rendimiento
C- 1 modulo con un diodo de by-pass en paralelo. Una célula con bajo rendimiento
D- 10 módulos conectados en serie. Todos los módulos como “A”
E- 10 módulos conectados en serie. 9 módulos como “A” y uno como “B”
F- 10 módulos conectados en serie. 9 módulos como “A” y uno como “C”
Todo lo expuesto respecto a la conexión en serie, paralelo o mezcla de estas formas para conseguir los voltajes adecuados, puede trasladarse íntegramente para la conexión de los acumuladores, con la salvedad de que, en vez del término intensidad de corriente, lo que se suman son las capacidades. Por ejemplo, si disponemos de dos acumuladores de 6 V y 500 Ah y los conectamos en serie, el resultado final es de 12 V 500 Ah. Si por el contrario, su acoplamiento lo hacemos en paralelo, el resultado quedara en 6V y 1000 Ah de capacidad
Habitualmente, los dos tipos más usados de baterías son las estacionarias, compuestas por elementos de una tensión de 2 V nominales entre sus bornas, y las monobloc, cuya tensión suele ser de 12 V pero también pueden encontrarse versiones de 6 a 24 V. lógicamente, existe una amplia gama de capacidades que cubrirán nuestras necesidades, tanto en el caso de las baterías tipo estacionario como en las otras
La instalación de los acumuladores no presenta especiales cuidados, pero debemos tener en cuenta algunos puntos básicos, como son:
Los acumuladores deben acomodarse lo más cerca posible del conjunto de módulos fotovoltaicos para evitar las posibles caídas de tensión que pudieran producirse
Al igual que lo mencionado para los paneles, debe procurarse realizar bien las conexiones ya que en muchos casos son estas las causantes de caídas de tensión, utilizando los terminales adecuados y las pletinas de interconexiones que se suministran para estos efectos.
Deberemos siempre aislar la batería del suelo mediante una bancada de madera o de un metal resistente al acido. Pueden también disponerse los elementos de acumulación en estanterías, para poner reducir el espacio si el número de acumuladores fuera elevado.
Cualquier lugar razonablemente ventilado posee la suficiente corriente de aire como para evitar la acumulación de hidrogeno y oxigeno que siempre se desprende en la parte final de la carga de la batería, si bien es cierto que, al ser la carga de los paneles solares lenta, no se produce una excesiva gasificación. De cualquier forma, si la capacidad fuese elevada y esto obligara a disponer de aberturas de ventilación, estas deben situarse siempre en la parte superior de las paredes, ya que el hidrogeno es menos pesado que el aire y, por lo tanto, asciende una vez liberado
El lugar destinado a albergar los acumuladores deberá mantenerse entre los 15 y 25 º C, si es posible. Una temperatura más baja producirá una disminución de la capacidad disponible de la batería (pensemos que a 5 ºC la capacidad ha disminuido aproximadamente al 80% de su valor), y una más elevada generara un acortamiento de la vida útil. Es conveniente, por tanto, no someter la batería a temperaturas más elevadas de los 38ºC
Se da el caso en múltiples ocasiones de instalaciones situadas en montes o cerros donde pueden producirse temperaturas bajas y, lo que s peor, mantenida durante varios días. En estos casos no existe otro remedio que aumentar la capacidad y proteger, mediante elementos aislantes, lo mejor posible los acumuladores, de tal forma que sean mínimamente afectados por las bajas temperaturas
El rendimiento óptimo del acumulador se produce aproximadamente a los 20ºC
Debemos pensar que el electrolito de las baterías contiene acido y que este resulta sumamente corrosivo. Este hecho nos aconseja que los acumuladores se manejen con sumo cuidado, para evitar quemaduras tanto en la piel como en la ropa, suelo, etc. Pero quizá sea en el transporte donde se deban tomar mas precauciones, debido fundamentalmente a que, en su mayoría, los sistemas fotovoltaicos se encuentran alejados de carreteras, y el acceso por caminos o sendas puede acarrear problemas de fuga del electrolito
Para estos casos extremos las baterías pueden adquirirse cargadas en seco, si así se especifica al fabricante, ya que de esta manera podemos transportar los recipientes mejor (debido a su peso disminuido) y sin riesgos. El acido en estos casos es transportado en botellas independientes, para proceder al rellenado de los acumuladores una vez que han sido instalados en su correspondiente bancada
Las baterías fotovoltaicas sin mantenimiento no suelen desprender gases a un sistema de recombinación que incorporan en la parte superior de la carcasa, por lo que pueden utilizarse sin precauciones especiales de ventilación. De cualquier forma, es aconsejable seguir el resto de las indicaciones hechas anteriormente para poder proporcionar los mejores resultados
Los equipos que van a constituir el sistema de regulación y control ( reguladores de carga, sistemas de alarma, voltímetros, amperímetros, desconectadores, etc.), deben integrarse en un pequeño armario de control que reúna toda la información precisa para que de un golpe de vista podamos conocer el estado general de los componentes que forman el equipo fotovoltaico. Como elementos imprescindibles se encuentran el regulador de carga y un voltímetro u otro elemento que nos de referencia del estado de carga aproximado en el que se encuentra la batería. Esta medida puede hacerse con un densímetro si la batería es del tipo con mantenimiento y, por lo tanto, accesible al electrolito
Usualmente, estos cuadros de control suelen ser construidos por cada montador, adecuándolos a las necesidades propias de la instalación. Como norma muy amplia podríamos diferenciar dos tipos de instalaciones, las habitadas o donde frecuentemente existe personal, y aquellas otras que están alejadas y carecen de personas que las atiendan o las usen directamente. Las primeras constaran de todos aquellos equipos que nos den datos de su funcionamiento, como pueden ser voltímetros, amperímetros, desconectadores por baja tensión, fusibles o magnetotermicos de protección, etc., que lógicamente estarán en total consonancia con el tamaño e importancia de la instalación. Por el contrario, en todos aquellos usos donde el equipo se encuentre desatendido, sería completamente absurdo disponer de una gran cantidad de aparatos para señalizar datos que nadie va a ver. Recomendamos en estos casos el uso del regulador como elemento imprescindible y un desconectador por baja tensión capaz de proteger a la batería en caso de descarga excesiva
Existen unos equipos muy interesantes como son los contadores de amperios-hora, que nos permiten controlar bien la cantidad de Ah, que fluyen del panel solar a la batería, los de batería a la carga, o ambos. Estas medidas resultan muy útiles, sobre todo si llevamos la contabilidad mensual o semanal, pudiendo darnos datos reales de la instalación solar o incluso del consumo del equipo conectado. Mediante los contadores de amperios-hora podremos hacer un análisis del balance de producción-gasto durante todas las épocas del año, que resulta muy útil para instalaciones en lugares donde no existen datos de radiación o en aquellas otras ocasiones donde se desconoce el uso que se va a realizar de un determinado equipo, pudiendo sacar conclusiones interesantes de estos elementos
Los amperihorimetros disponen usualmente de cuatro dígitos que pueden saltar en pasos de 1 ó 10 amperios, pudiéndose extender mediante la conexión de shunts. El consumo es muy bajo (= 0.6mA máximo) y no representa obstáculo importante para su utilización.
Todo lo mencionado en los apartados anteriores corresponde al conjunto solar fotovoltaico pero, una vez situados en bornas de la batería de almacenamiento, lo que le sigue corresponde a una instalación eléctrica convencional en corriente continua
Los equipos convertidores o inversores, tanto senoidales como de onda cuadrada, deben instalarse siempre lo más cerca de las baterías que se pueda. Esta afirmación está justificada por la gran caída de tensión que se puede producir si alejamos el convertidor excesivamente de la baterías. Pensemos que, una vez hecha la transformación, el trabajar con una tensión elevada (220V) y poca corriente, nos acarrea unas pérdidas mínimas aun utilizando una sección de conductor pequeña
Como ejemplo de la afirmación anterior, calcularemos la diferencia de sección del hilo conductor que deberíamos incorporar en un convertidor cc/ca de 500W 12 V de entrada, si lo situáramos a 2 metros de los acumuladores o a 20 metros de estos, y admitiéramos una caída de tensión de 0.2 V
Si recordamos la fórmula de cálculo de la sección de un conductor tenemos para el primer caso:
S= 2IL/56(Va-Vb)
S=(2x500W/12V x 2m)/56 x 0.2 V= 166.4 /11.2= 14.85 mm2
Para el ejemplo de los 20 m à 14.85 x 10 = 148.5 mm2
Evidentemente, la diferencia de costo de conductor entre un caso y el otro justifica plenamente el situarlo cercano a los acumuladores, ya que en el primer ejemplo utilizaríamos 2x2 metros de conductor de 14.85 mm2 y en el otro 2 x 20 m de una sección de 148.5 mm2, mientras que la sección que en ambos casos deberíamos de poner para la línea de corriente alterna estaría en torno a 1.5-2.5 mm2
Si la instalación de convertidores fuera, en vez de cc/ca, de cc/cc, podríamos hacer dos distinciones, la primera si la tensión de entrada es superior a la tensión de salida (por ejemplo 24/12). En este caso, convendría disponer el convertidor lo más cerca del receptor por la misma razón que la expuesta sobre las caídas de tensión. Por el contrario, si la tensión de entrada es inferior a la de salida (por ejemplo 12/24), el convertidor cc/cc deberá ir lo más próximo a los acumuladores
Resumen de normas practicas para una instalación de sistemas fotovoltaicos
- Disponer los módulos orientados al sur con el ángulo idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación solar
- Evitar sombras parciales sobre células o módulos producidas por obstáculos
Se entiende habitualmente como instalación fotovoltaica el conjunto formado por los módulos, sistemas de regulación y control y acumuladores, siendo el resto una instalación eléctrica convencional, donde los equipos que la integren tendrán un mantenimiento más o menos particular
En función de lo dicho anteriormente, centraremos nuestra atención en los tres elementos básicos, describiendo seguidamente unas breves normas a tener en consideración respecto al cuidado de los componentes:
Realmente, aun siendo el elemento más importante de toda la instalación, es el que menos trabajo de mantenimiento nos va a producir. En efecto, el mantenimiento que requiere un modulo solar fotovoltaico es mínimo, ya que se va a reducir a una limpieza de su superficie con algún elemento no abrasivo, toda vez que pueda observarse suciedad. Habitualmente, en las instalaciones situadas en el campo, no se producirán depósitos de suciedad frecuentes salvo que pueda estar junto a alguna industria que elimine residuos por chimeneas, en cuyo caso se precisaran un mantenimiento mas continuado
Es precisamente en el punto de mantenimiento donde se hace importante la necesidad de dotar al modulo de un cristal que no presente una superficie rugosa, capaz de mantener la suciedad más fácilmente y presentar más resistencia a su limpieza. Los cristales de los módulos solares deben ser extremadamente lisos para favorecer así la autolimpieza por acción del aire y del agua de forma natural
Existen algunos casos donde se presenta un problema importante, y son aquellos donde la instalación fotovoltaica está situada junto al mar o en este (caso de boyas marinas, señalizaciones ópticas, etc.). Ocurre muy frecuentemente que las gaviotas suelen posarse en la parte superior de la estructura soporte, defecando sobre los paneles y produciendo suciedades muy persistentes que alteraran el buen funcionamiento del grupo solar, como consecuencia de sombras parciales sobre las células. Para estos casos se ha ideado la inclusión en la parte superior de la estructura, de unas antenas flexibles que no permitan el posamiento de aves, evitando los efectos que producen.
Realmente no necesita ningún mantenimiento especial, salvo su revisión visual para comprobar el buen funcionamiento de los diversos equipos que lo componen
Resulta muy conveniente, si este cuadro se instalara en algún sitio donde exista humedad (cerca del mar, países tropicales, etc.), proteger los diversos aparatos de la acción perjudicial de esta, para lo cual existen unos sprays que preservan a los componentes electrónicos y contactos eléctricos de sus efectos con una simple pulverización
Aparte de las precauciones que se deben observar a la hora de instalar un grupo de acumuladores, ya mencionadas en el capitulo anterior, son quizá estos elementos los que mayor atención requieren de todos los componentes de una instalación solar, especialmente aquellos que tengan mantenimiento y sobre los cuales nos centraremos
El relleno del electrolito es una de las operaciones típicas del mantenimiento de las baterías de acumuladores, acción que se debe llevar a término con agua exenta de impurezas y manteniendo el nivel de electrolito dentro de unos límites. El agua que se debe utilizar será del tipo desmineralizada o destilada
Se debe tener en cuenta que el relleno de los elementos de batería se ha de hacer siempre con agua y no con acido, que solamente estará destinado para aquellos casos excepcionales donde pueda haberse producido una fuga de electrolito
- Baterías plante: diez milímetros por encima del borde superior de los separadores
- Baterías tubulares: si son de recipientes opacos, suelen ser suministrados con tapón indicador de nivel. Si los recipientes son transparentes, llevan dos marcas de máximo y mínimo impresas en la carcasa
La práctica periódica de mantenimiento redundara en beneficio de la vida de la batería, y para ello deben de seguirse algunos puntos básicos, como son:
- Comprobar el nivel de electrolito mensualmente en cada uno de los elementos
- Realizar una inspección visual de la batería tanto del recipiente como de las placas ( si los elementos fueran transparentes), observando si las placas están curvadas o los elementos formados en el fondo llegan a cortocircuitar estas
- Mantener las bornas y conexiones libres de sulfato, aplicando vaselina neutra cada vez que necesite. Este defecto produce irremediablemente un contacto deficiente y, en consecuencia, una gran caída de tensión.
Regulador serie
En la actualidad se puede encontrar un tipo de regulador de carga que no disipa virtualmente nada de energía y que se ha denominado tipo serie
Estos aparatos se basan en el concepto de la regulación serie, en la que el grupo solar se desconecta del sistema de baterías cuando se logra un estado de plena carga. En una palabra, este equipo es equivalente a un interruptor conectado en serie que proporciona una vía de baja resistencia (de miliohmios) desde el grupo solar al sistema de baterías durante la carga y un circuito abierto entre el grupo solar y la batería cuando esta se encuentra plenamente cargada
En el regulador serie no se disipa nada de energía en uno u otro estado, porque cuando esta en la posición cerrado no hay caída de tensión en el interruptor, y cuando se encuentra en la posición abierto no hay paso de corriente. La única potencia consumida es la requerida en el interior del equipo para los circuitos de detección y control
En muchos casos, esta sola unidad es capaz de funcionar en cualquier sistema cuya tensión nominal de trabajo este comprendida entre 12 y 48 Vcc
Un simple ajuste del control umbral permite el funcionamiento apropiado para cualquier tensión, debido a que lo que se hace es abrir o cerrar un relé el cual no depende de la tensión del sistema
- Un relé mecánico, cuyos contactos proporcionan una vía de baja resistencia para la corriente que afluye a la batería
- Circuitos de detección y control para determinar el estado apropiado del relé
- Circuitos para proteger a los contactos del relé de la degradación debida a la conexión e interrupción de las corrientes fuertes
El relé incorporado debe ser un componente de alta calidad caracterizado por grandes áreas de contacto para baja resistencia. También debe durante un corto periodo cumplir un mínimo de actuaciones aseguradas, ya que ello define la vida del regulador, así como estar totalmente protegido contra los efectos ambientales
Los circuitos de control realizan diversas funciones, incluidas, detección del potencial de la batería para determinar cuando esta se encuentra plenamente cargada, compensación de temperaturas para permitir el reglaje exacto automático del coeficiente de temperatura de la batería y medida de la potencia del grupo solar.
Funcionamiento
Cuando la tensión en los bornes de la batería alcanza, durante la carga, el nivel umbral preestablecido, los circuitos de control abren el relé y le permiten que permanezca abierto durante un cierto tiempo, después del cual cierran el relé para reanudar la carga
Sincronizados con este ciclo, los circuitos de control abre el relé durante un corto periodo de tiempo (normalmente un segundo), en el transcurso del cual, se mide la tensión de salida de los paneles solares. Si la tensión del grupo fotovoltaico es mas baja que el potencial de la batería, el relé se mantendrá abierto. Esta condición se da todas las noches, cuando la potencia de salida del grupo solar desciende a cero
Esta característica de los circuitos de control elimina la necesidad del diodo de bloqueo y la caída de tensión correspondiente que su uso nos proporciona. En determinados modelos, también se prevén terminales para un elemento sensible a la temperatura, sensor, que se puede adherir a la carcasa del acumulador que se esta cargando, como el potencial final de la carga está en función de la temperatura, este elemento característico reajusta automáticamente el punto de umbral para asegurar la plena carga de la batería a cualquier temperatura. Esta compensación da una corrección del punto de umbral de -3mV/ºC/elemento, ideal para las baterías utilizadas en los sistemas de energía solar. El uso de sensor en un entorno de temperatura controlada carece de interés, ya que la tensión umbral se puede ajustar al principio en relación con la temperatura que van a estar los acumuladores
Los circuitos para proteger los contactos del relé consisten en dispositivos de estado sólido en paralelo con los contactos que reducen la tensión a 6V, lo que garantiza un comportamiento seguro y de larga duración, consiguiendo en los reguladores una vida mas larga y con menos circuitos accesorios, así como una mayor reducción en el precio
La gran ventaja de los reguladores serie es su reducido espacio y la ausencia del calor lo que los hace óptimos para su utilización en cabinas completamente herméticas, que trabajan en condiciones muy duras.
Capitulo 5
Estructuras soporte para paneles fotovoltaicos
La estructura soporte es otro aspecto importante en estas instalaciones, asegura un buen anclaje a la vez que proporciona no solo la orientación necesaria al generador solar, sino el ángulo de inclinación idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación
Estos elementos, son los encargados de hacer a los módulos resistentes a la acción ejercida por los elementos atmosféricos. Se estudiaran en este capitulo diversas formas de situar los módulos fotovoltaicos
Supongamos que se dispone de una superficie de paneles de 1m cuadrado, y en la zona de su instalación pueden producirse vientos de 200 km/h. la formula de la presión máxima del viento es:
P=F/S
Donde:
F=fuerza del viento
V=velocidad del aire en m/s
S=superficie receptora en m cuadrado
P=presión del viento en KP/m cuadrado
Este ejemplo demuestra el gran efecto que puede hacer el viento sobre un grupo de módulos solares y hacernos pensar en las graves consecuencias de un mal anclaje o un erróneo diseño de la estructura que soporta el conjunto
No solo es la acción del viento el problema de los soportes y estructura, también debemos tener cuidado con la nieve, lluvia, heladas, etc. En efecto, algunas de las acciones descritas anteriormente (nieve, lluvia) afectan al emplazamiento forma del soporte de sustentación, mientra que las heladas o determinados ambientes (por ejemplo los cercanos a las costas), afectan más al tipo de materiales empleados para la construcción de las estructuras
Como se ha mencionado anteriormente, el soporte del panel fotovoltaico cumple una doble misión. Por una parte, mecánica, al proporcionar y asegurar el perfecto ensamblaje y afianzamiento, y por otra, proporcionar la orientación precisa, así como el ángulo o ángulos idóneos par aprovechar la máxima radiación o la mas interesante para la aplicación a la cual se destine. La orientación ha de ser siempre sur (si estamos en el hemisferio norte), pues es la única orientación donde aprovechamos, de una forma total, la radiación emitida por el sol. Tan solo en circunstancias muy especiales podremos variar la orientación ligeramente hacia el poniente o el levante, como puede ser el caso de existir un obstáculo natural (montaña, etc.) que durante un corto periodo impida la radiación directa del sol
En la figura adjunta quedan claramente representadas las trayectorias del sol en las diferentes estaciones, y podemos observar su corto recorrido en invierno, a la vez que comprobamos que la trayectoria de la radiación es mas horizontal que en verano. Es la causa por la que la inclinación de los paneles fotovoltaicos suele ser mas grande, de forma tal que aprovechemos lo mas posible la escasa radiación invernal haciendo incidir sus rayos normalmente. Como consecuencia, se produce una perdida en verano que podría ser compensada, si así se diseña el soporte, variando la inclinación del conjunto a un ángulo de inferior valor volviendo a incidir los rayos solares en un ángulo lo más cercano a los 90º sobre la superficie del panel solar
Tipos de estructuras
Podemos hacer varias clasificaciones al hablar de soportes, pero creemos más interesante hacer las distinciones en función de la forma de situación. En el dibujo adjunto se representan cuatro formas típicas de colocar un grupo de módulos fotovoltaicos, que comentaremos seguidamente
1) es la clásica forma de instalar los grandes conjuntos de módulos fotovoltaicos, pues que en otro método acarrearía mayores inconvenientes para su montaje. Este tipo de estructuras es muy robusto, y no debemos olvidar que en esta disposición la acción del viento es menor pues, como todos sabemos, a más altura mayor es la fuerza del aire, ya que en las capas bajas queda más atenuado. Presenta además esta forma de montaje una gran facilidad para su instalación, tanto de la propia estructura soporte como de los paneles fotovoltaicos, ya que se trabaja a ras de suelo. Como inconveniente presenta la fácil accesibilidad y la mayor probabilidad de que puedan producirse sombras parciales
A la mayoría de estas instalaciones se las protege por medio de un cerramiento metálico, para evitar el paso de personar y animales que pudieran ejercer acciones perjudiciales para el buen funcionamiento de la instalación
El montaje de este tipo de sustentación del conjunto solar no es demasiado bueno para aplicaciones en montaña, donde pueda producirse la presencia de nieve, ya que esta, caída en grandes cantidades, podría llegar a tapar parcial o totalmente los paneles solares. No obstante, este inconveniente puede verse subsanad por la creación de unos asientos mas elevados, de acuerdo con la altura que pueden alcanzar las precipitaciones en forma de nieve
2) Este sistema de sustentación es usado principalmente en instalaciones donde ya se disponga de un mástil, aunque no queda descartada la posibilidad de un montaje especial, dada la facilidad y simplicidad que presenta. Las instalaciones para las cuales es recomendado este tipo de implantación no deben ser excesivamente grandes, contando con poco mas de un metro cuadrado de superficie de módulos, ya que si esta superficie se ve rebasada, nos obligaría a sobredimensionar e incluso arriostrar el mástil, con lo cual cabria la posibilidad de que otro sistema pudiera ser mas económico y de mas fácil instalación. Este sistema es muy utilizado en las instalaciones con repetidores, donde ya se dispone de una antena que puede hacer las veces de mástil, con lo que tan solo bastaría hacer el marco soporte de los módulos y los herrajes de unión con la torre
3) Otra forma, cada vez mas utilizada sobre todo en instalaciones domesticas, consiste en acoplar la estructura a una de las paredes del recinto donde se va a instalar energía solar fotovoltaica. Presenta este método evidentes ventajas, no solo en seguridad debido a la altura a la cual se puede instalar, sino a la liviana estructura que se utiliza, ya que la base presenta un buen punto de anclaje, que además de estar construido. Puede este sistema adaptarse mediante tacos de expansión o bien realizando una pequeña obra donde se inserte la estructura. La acción del viento queda drásticamente disminuida ya que no puede incidir prácticamente por la parte posterior, y un viento frontal no hará más que ejercer fuerza directa sobre los puntos de apoyo. Esta opción solo tiene el inconveniente de que es obligatorio que una de las fachadas de al sur. Cualquier variación presentara problemas accesorios que complicaran la estructura, al tener que dotarla de un ángulo lateral para su perfecta orientación
4) La instalación en la cubierta de un edificio es uno de los métodos más usados a la hora de realizar el montaje de un equipo solar, ya que normalmente siempre podremos disponer del lugar adecuado para garantizar la perfecta orientación, además de suficiente espacio. Lo comentado para el caso de la instalación sobre el suelo, respecto a los problemas con nieve, debe ser tenido en este caso también en cuenta. El anclaje normalmente no presenta inconvenientes, pero debemos asegurar el perfecto restablecimiento de la impermeabilidad y no permitir que puedan producirse depósitos de agua que perjudiquen posteriormente. Un sistema rápido y seguro, que es aplicable a casetas de instalaciones de telecomunicación, telemetría, etc. , que normalmente suelen ser de tejado plano, es taladrar el techo introduciendo un espárrago roscado con sus tuercas y arandelas, tanto por abajo como por arriba, dejando firmemente seguro el anclaje de la estructura. Para dejar el conjunto perfectamente impermeabilizado, se sellan con silicona todas las uniones para impedir el paso de agua.
Tipos de materiales utilizados
Los materiales utilizados para la construcción de estructuras soporte pueden variar en función del tipo, medio ambiente al cual están sometidos resistencia, etc. Los principales materiales utilizados son los siguientes:
Aluminio
Es un material ampliamente usado para las pequeñas estructuras (de uno a seis módulos habitualmente) ya que presenta una gran ventaja por su fácil mecanización, liviano peso y gran resistencia. Es muy conveniente, casi imprescindible, que el aluminio a utilizar sea anodizado, para que su vida pueda dilatarse a grandes periodos de uso
Los soportes realizados en aluminio pueden formarse bien con tubos o con angular de dimensiones y grosores adecuados a las fuerzas a que se vea sometido por acción del viento. Se recomienda que toda la tornillería sea de acero inoxidable
Hierro
Es el material habitualmente usado para instalaciones de gran número de paneles o que deben soportar potentes vientos, ya que se encuentra en una gama de dimensiones, formas y grosores muy amplia. En todos los casos, las estructuras soporte construidas con hierro deben ser sometidas a un galvanizado que le confiera propiedades anticorrosivas durante muchos años. Este baño galvánico debe incorporar a la superficie un grosor no menor de 100 micras, para asegurar una perfecta protección
Debemos tener en cuenta que todos los trabajos de corte, soldadura, etc., deben ser ejecutados con antelación al galvanizado, ya que cualquier modificación posterior haría perder la protección en el lugar donde se realizo. No obstante y teniendo en cuenta que puede ocurrir que a la hora de la instalación se necesite hacer algún ajuste imprescindible, se dispone en el mercado de un producto para pequeños retoques de galvanizado en frio que, aplicados al lugar del desperfecto, lo protegerán contra toda la acción corrosiva
Al igual que en el caso anterior, se recomienda que toda la tornillería utilizada sea de acero inoxidable, con el fin de alargar su vida y permitir en cualquier momento el cambio de algunos de los elementos que la componen
Acero inoxidable
Es el material más perfecto que puede ser utilizado para la construcción de estructuras, ya que s inatacable por casi todas las acciones externas y tipo de ambientes. El acero inoxidable es muy utilizado en instalaciones que estén situadas en ambientes salinos, que como ya se sabe, son altanamente corrosivos. La contra partida en la utilización del acero inoxidable para la construcción de soportes metálicos estiba en su elevado precio y especial manipulación en las soldaduras que hace encarecer su costo. No obstante, este inconveniente puede quedar absorbido por la calidad y larga vida que proporcionara su utilización
Cuando se utiliza acero inoxidable para la construcción de estructuras soporte, hay que tener en cuenta que si el marco de los módulos fotovoltaicos es de aluminio, deberá evitarse el contacto directo de estos materiales, mediante un aislador, dado que estos dos elementos producen una corrosión galvánica elevada, especialmente en ambientes salinos. La instalación de inhibidores de corrosión galvánica es, en este caso, de uso obligatorio
Fibra de vidrio
Desde hace algún tiempo, los nuevos materiales sintéticos están constituyendo en algunas aplicaciones a los materiales tradicionales. Este es el caso de la fibra de vidrio o composite, que presenta unas características físicas y mecánicas excelentes, unida a una disminución de peso considerable respecto a los aceros. Su nula corrosión la hace especialmente indicada en aplicaciones solares, además de presentar un aislamiento eléctrico que, en algunos casos, nos puede evitar la puesta a tierra del conjunto
La fibra de vidrio puede presentarse en diferentes colores y perfiles, bien el “L” o en forma de tubo, por lo que se acopla a multitud de aplicaciones y tipos de estructuras soporte, ya sea utilizando únicamente este material
Puntos de apoyo
Uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta respecto a las estructuras son los puntos de apoyo, pues de ellos depende la solidez del conjunto. De nada sirve calcular un angular que soporte vientos muy fuertes si no afianzamos de forma segura la estructura al suelo, cubierta o cualquier otro lugar. En el caso de utilizar mástil debemos pensar la posibilidad de arriostrar este y dotarle de una base solida
En la figura se pueden apreciar cuatro tipos diferentes de asientos para estructuras de suelo o cubierta. El dibujo A representa una losa de hormigón con base perimetral, esta debe ser reforzada en sus extremos con tirantes alrededor del perímetro y a través del centro de la losa
En el esquema B se puede apreciar la clásica disposición con cimientos de vigas de madera, más rápidas de instalar pero de una duración menor. Semejante a este tipo, pero mucho más resistente, es el de la figura C, donde nos muestra el perfil de una estructura que utiliza bloques de hormigón, que es aconsejable que se refuercen con tirantes de ¼ de pulgada a lo largo del bloque
Por último, el caso D presenta una disposición con cimientos metálicos. Este tipo de cimientos debe estar firmemente anclado a tierra, ya que no tiene suficiente masa para resistir vientos elevados.
Efectos de los agentes atmosféricos sobre las instalaciones solares fotovoltaicas y algunos consejos para evitarlos
No debemos olvidar que los módulos solares, así como conexiones y estructuras soporte, se encuentran completamente a la intemperie, y esto representa una cuidadosa selección de los materiales a usar en todas y cada una de las instalaciones, tanto más cuanto más duras sean las condiciones atmosféricas que se presenten
La primera regla para dimensionar y definir todos y cada uno de los elementos que formaran el conjunto fotovoltaico, es obtener la mayor cantidad de datos de la zona en cuestión, vientos (frecuencia e intensidad), temperaturas (tanto máximas como mínimas), pluviometría, presencia de nieve en determinadas épocas del año, tipo de ambiente (si es corrosivo), nieblas, etc. Estos factores nos serán muy útiles también para el cálculo de resultados de los módulos fotovoltaicos, así como de la capacidad del acumulador
Si los vientos son fuertes, la estructura soporte de los módulos debe estar prevista para poder dejar un hueco entre modulo y modulo, con el fin de que el aire pueda circular entre ellos ejerciendo menos presión que si los paneles fotovoltaicos quedan pegados unos a otros. Esta distancia puede estar alrededor de los dos centímetros
Como ya se ha mencionado anteriormente, debemos tener muy en cuenta la posibilidad de que, si existen precipitaciones en forma de nieve, estas pueden llegar a tapar los módulos solares. Para evitar esto elevaremos la base de la estructura lo suficiente como para permitir que la nieve se amontone sin perjudicar a la superficie captadora. Es aconsejable en todos los casos, la inserción de tirantes entre las patas de la estructura para poder obtener una mayor resistencia mecánica del soporte
Si se trata de ambientes marinos, la elección del material metálico se realizara sin escatimar gastos, ya que a la larga el conjunto dará mejores resultados que si realizamos la instalación con materiales de inferior calidad. Esto es debido, como todos sabemos, al alto poder corrosivo que tiene el ambiente en las zonas marinas. Lógicamente, si la estructura está en contacto con el agua del mar (boyas de señalización, plataformas, etc.), el problema se agudiza, debiendo utilizarse en este caso el acero inoxidable o acero con doble galvanizado en caliente, para dotarle de un grosor mucho más elevado del que habitualmente se aporta para instalaciones con ambientes más benignos
La lluvia sobre los componentes metálicos en si no representa nada más que la posibilidad de oxidación más acelerada. Ahora bien, como se ha mencionado anteriormente, la instalación consta además de otros componentes como son las uniones eléctricas, cables de conexión, etc. Estos elementos deben ser totalmente estancos, con el fin de evitar posibles cortocircuitos producidos por el agua de lluvia
Es aconsejable que los módulos solares dispongan de una caja de conexiones estanca, o bien, si los terminales estas desnudos, queden protegidos después de realizar la conexión mediante un capuchón de goma. Todos los conductores eléctricos deben estar suficientemente aislados, e incluso se podría recomendar el utilizar en las partes exteriores cables de manguera de doble capa bajo un tubo plástico resistente, ya que se ha demostrado que en un periodo de tiempo no excesivamente largo el cable de manguera se termina cuarteando, iniciando a partir de ese momento un rápido y progresivo deterioro, con los consiguientes riesgos que esto conlleva
Debemos pensar que las instalaciones solares fotovoltaicas no siempre son definitivas e inamovibles. Por esta razón se debe prestar suma atención a las partes de amarre (tanto de paneles-estructura como de estructura-base de soporte), ya que en un determinado momento puede ser necesaria la sustitución de un modulo o la ampliación en tamaño del soporte fotovoltaico, por haber crecido la demanda de potencia. Por este motivo se han de usar buenos materiales en tornillería, evitando que una corrosión entre anillos y tuercas pueda hacer retrasar un trabajo que en principio es fácil
Como último consejo no debemos olvidar nunca el uso de silicona en todas aquellas uniones o puntos débiles frente al agua y la humedad, sellando mediante el empleo de estas conexiones eléctricas, cajas, juntas, etc.
Ejemplos gráficos de diversos tipos de soportes
Como muchas veces se ha dicho que una imagen vale más que mil palabras, a continuación hay reunidas una serie de dibujos y fotos que representan de una manera más grafica diversas soluciones adoptadas. Para la instalación exterior de los módulos y paneles fotovoltaicos.
El problema de la corrosión y su tratamiento
La mayoría de los metales se encuentran en la naturaleza en forma de oxido o sulfuros y solo se pueden obtener de estos compuestos naturales mediante la aportación de grandes cantidades de energía. No obstante, los metales así obtenidos se encuentran en una situación inestable y cuando entran otra vez en contacto con el medio ambiente (atmosfera, agua, etc.). Tienden a recuperar su estado natural. Esta tendencia es lo que se conoce como corrosión.
Capitulo 6
Instalación del panel fotovoltaico
Como se ha visto en anteriores capítulos, los rayos solares inciden sobre la tierra con diferentes ángulos de inclinación, variables o solo por la posición del observador, sino también por la época del año. En efecto, para instalaciones situadas en el hemisferio norte (caso de España), la orientación del modulo solar será sur, mientas que si esta se encuentra en el hemisferio sur la orientación será norte (caso de Sudamérica y también de África). De cualquier forma, como los paneles producen la máxima energía cuando los rayos solares inciden perpendicularmente a la superficie del panel, deberemos buscar el ángulo de inclinación perpendicularmente a la superficie del panel, deberemos buscar el ángulo de inclinación tal que nos produzca la máxima corriente eléctrica una vez orientado en su posición. Lógicamente, este ángulo de inclinación será variable a lo largo de los meses del año, puesto que la inclinación de estos rayos va siendo mayor cuanto más se acerque el verano y viceversa. Por tanto, y para España, los ángulos variaran entre el 20-25º al 55-60º respecto a la horizontal, según sea verano o inviernos respectivamente
Lo mejor para conseguir siempre la máxima producción seria variar el ángulo mes a mes, pero como esto resulta bastante molesto, en la mayoría de las instalaciones se opta por el ángulo más idóneo dependiendo de la época en la cual se va a utilizar con más frecuencia, o bien por dar una inclinación grande para aprovechar al máximo el sol invernal si el consumo es igual para todos los meses del año. En algunos casos es posible, y no resulta especialmente molesto dar dos inclinaciones al año, una de invierno (55-60º) y otra de verano, que se encuentre alrededor de los (25-30º)
Una vez que disponemos del ángulo idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación, pasaremos a describir la conexión eléctrica entre paneles. Como todos sabemos, la interconexión entre los módulos puede ser de dos tipos: en serie (para aumentar la tensión) o en paralelo (con lo cual aumenta la intensidad producida). No obstante, con excesiva frecuencia se ha de disponer una mezcla de los dos tipos de conexiones para poder conseguir la intensidad y tensión idónea para cada caso en particular
De todos es conocido que la conectar dos módulos en paralelo la tensión resultante es la misma que la de uno, pero, por el contrario, la intensidad eléctrica es doble. Si en cambio los dos módulos se conectan en serie, la tensión será el doble, mientras que la intensidad eléctrica producida corresponderá a la de uno de ellos. En los gráficos que siguen se pueden apreciar algunos ejemplos que ilustran lo anteriormente expuesto, siendo el común denominador de todos ellos la utilización de un modulo cuya tensión nominal es de 12V y su corriente de 2 amperios, que resulta una condición imprescindible para la conexión de paneles en serie, paralelo y mezcla de estas dos formas
Resulta obvia la importancia de unas buenas conexiones eléctricas que aseguren una fiabilidad elevada, en previsión de posibles fallos con respecto a caídas de tensión producidas en las uniones. Esta avería, que suele resultar más frecuente de lo que en principio podemos pensar, se elimina disponiendo los terminales adecuados para cada tipo de conexión, por lo que podemos huir de arrollamientos del conductor sobre los terminales que tan poca seguridad nos pueden ofrecer
Tampoco debemos olvidar la protección contra los agentes atmosféricos de los conductores eléctricos, especialmente los que interconexionan los módulos y los que los unen con el sistema de regulación. Son precisamente estos los que sufrirán más directamente las inclemencias atmosféricas, por lo cual su elección no debe plantear dudas, ya que, en cualquier caso, se deben instalar los de mejor calidad respecto a sus aislantes exteriores. Una buena costumbre consiste en introducirlos bajo tubo, al menos en el tramo que se va a encontrar a la intemperie
Problemas ocasionados por sombras parciales en la superficie de un panel fotovoltaico
Se observa un defecto de tendencia a la inversión cuando una célula con poca intensidad de salida está conectada a otras cuya intensidad es más elevada. En estas condiciones, la célula de baja salida, en vez de generar corriente lo que hace es disiparla (produciendo una elevación de su temperatura), es decir, actúa de receptor en vez de generador
En la figura anterior se pueden verlas curvas características I-V de 33 células conectadas en serie (correspondientes a un modulo estándar) y de una célula que puede tener tendencia a la inversión. En ambos casos se trabaja en las condiciones de medida normales (a 100 mW/cm2 y 25º). La potencia total producida por el conjunto de las 33 células fotovoltaicas en serie es el producto de la intensidad por la tensión en cualquier punto de la curva I-V. Igualmente la potencia disipada resulta ser el producto de la corriente por el voltaje, para cada punto
Dado que se supone que todas las células que incorpora un modulo fotovoltaico han sido seleccionadas y agrupadas respecto a su salida eléctrica, ya que sin esta condición la calidad del modulo dejara mucho que desear, la única posibilidad de que exista una célula de baja salida en un agrupamiento en serie este total o parcialmente sombreada
La peor condición que se puede dar para producirse el fallo del modulo por calor, como consecuencia de la inversión, es la de cortocircuito ya que en ese momento la intensidad es máxima. Este hecho, no obstante, es poco frecuente debido a que usualmente la mayoría de los módulos se utilizan junto con sistemas de baterías. Por este motivo estableceremos una tensión media de funcionamiento de 12.5 V, a fin de centrar criterios
Veamos la figura anterior, donde una célula esta sombreada en el 50% de su superficie (nótese que al añadir una célula de baja salida se modifican las características de salida del modulo). Para calcular la potencia disipada por la célula sombreada, determinaremos en nivel de corriente resultante en la curva I-V (incluida la sombreada, para una tensión fijada de 12.5V. puesto que todas las células del modulo están conectadas en serie, la corriente a través de ellas será la misma, y por tanto el voltaje de funcionamiento de la célula sombreada puede ser calculado por medio de la corriente de funcionamiento del modulo. Realizados estos cálculos sobre la figura, observaremos que la potencia disipada por la célula parcialmente sombreada es la correspondiente al rectángulo rayado en la curva, que en este caso es de casi 5 W (=3V x 1.6 A), y esto representa casi cinco veces más de lo que esta célula generaría en condiciones normales. El caso expuesto es el peor, ya que, en contra de lo que se pueda pensar, una célula totalmente sombreada disiparía menos energía que la que tiene la mitad de su superficie
Cuando los módulos fotovoltaicos son usados en instalaciones que incorporan series de estos (24V o mas), es aconsejable el uso de un diodo by-pass. El efecto de este diodo se indica esquemáticamente en la siguiente figura, pudiéndose observar la limitación del voltaje inverso a través de cada modulo, hasta los 0.7 V, justo la caída de tensión del diodo. Además, la utilización de un diodo by-pass en los sistemas de 24V nominales o mas disminuye las pérdidas de rendimiento de la instalación por efecto de células sombreadas. Este comportamiento queda reflejado en la figura 2, para el supuesto de diez módulos dispuestos en serie con una tensión nominal de 120 V
Resumiendo, podemos decir que se debe estudiar muy bien la situación del panel fotovoltaico a la hora de su instalación, pues, como se ha visto, las sombras parciales sobre sus células o, por similitud, las sombras a paneles enteros dentro de un grupo elevado de módulos pueden acarrear averías o como mínimo, pasos de corriente entre los módulos, que no benefician precisamente a estos
Especial cuidado debemos tener en sistemas que trabajen a tensiones superiores a 24 V, puesto que la incorporación de diodos de by-pass se hace entonces obligatoria. Un buen diodo recomendado para estos casos es el T 16-83 MR 758 que, acoplado entre las bornas de los módulos evita que un panel pueda actuar de receptor de intensidad si su superficie ha quedado oscurecida total o parcialmente
Un fallo muy usual en la instalación de módulos fotovoltaicos, que precisamente se suele producir cuando el montaje se realiza en verano, es aquel que, debido a la altura que alcanza el sol en esta época, no nos advierte de las posibles sombras arrojadas por arboles o cualquier otro obstáculo, tanto natural como artificial, y que cuando la época invernal se va acercando, y debido a la escasa inclinación que adquieren los rayos, se producen por sorpresa, sobre parte o toda la superficie
A- 1 modulo. Todas las células con alto rendimiento
B- 1 modulo. Una célula con bajo rendimiento
C- 1 modulo con un diodo de by-pass en paralelo. Una célula con bajo rendimiento
D- 10 módulos conectados en serie. Todos los módulos como “A”
E- 10 módulos conectados en serie. 9 módulos como “A” y uno como “B”
F- 10 módulos conectados en serie. 9 módulos como “A” y uno como “C”
Instalación de acumuladores
Todo lo expuesto respecto a la conexión en serie, paralelo o mezcla de estas formas para conseguir los voltajes adecuados, puede trasladarse íntegramente para la conexión de los acumuladores, con la salvedad de que, en vez del término intensidad de corriente, lo que se suman son las capacidades. Por ejemplo, si disponemos de dos acumuladores de 6 V y 500 Ah y los conectamos en serie, el resultado final es de 12 V 500 Ah. Si por el contrario, su acoplamiento lo hacemos en paralelo, el resultado quedara en 6V y 1000 Ah de capacidad
Habitualmente, los dos tipos más usados de baterías son las estacionarias, compuestas por elementos de una tensión de 2 V nominales entre sus bornas, y las monobloc, cuya tensión suele ser de 12 V pero también pueden encontrarse versiones de 6 a 24 V. lógicamente, existe una amplia gama de capacidades que cubrirán nuestras necesidades, tanto en el caso de las baterías tipo estacionario como en las otras
La instalación de los acumuladores no presenta especiales cuidados, pero debemos tener en cuenta algunos puntos básicos, como son:
Situación y conexionado
Los acumuladores deben acomodarse lo más cerca posible del conjunto de módulos fotovoltaicos para evitar las posibles caídas de tensión que pudieran producirse
Al igual que lo mencionado para los paneles, debe procurarse realizar bien las conexiones ya que en muchos casos son estas las causantes de caídas de tensión, utilizando los terminales adecuados y las pletinas de interconexiones que se suministran para estos efectos.
Bancada
Deberemos siempre aislar la batería del suelo mediante una bancada de madera o de un metal resistente al acido. Pueden también disponerse los elementos de acumulación en estanterías, para poner reducir el espacio si el número de acumuladores fuera elevado.
Ventilación
Cualquier lugar razonablemente ventilado posee la suficiente corriente de aire como para evitar la acumulación de hidrogeno y oxigeno que siempre se desprende en la parte final de la carga de la batería, si bien es cierto que, al ser la carga de los paneles solares lenta, no se produce una excesiva gasificación. De cualquier forma, si la capacidad fuese elevada y esto obligara a disponer de aberturas de ventilación, estas deben situarse siempre en la parte superior de las paredes, ya que el hidrogeno es menos pesado que el aire y, por lo tanto, asciende una vez liberado
Temperatura
El lugar destinado a albergar los acumuladores deberá mantenerse entre los 15 y 25 º C, si es posible. Una temperatura más baja producirá una disminución de la capacidad disponible de la batería (pensemos que a 5 ºC la capacidad ha disminuido aproximadamente al 80% de su valor), y una más elevada generara un acortamiento de la vida útil. Es conveniente, por tanto, no someter la batería a temperaturas más elevadas de los 38ºC
Se da el caso en múltiples ocasiones de instalaciones situadas en montes o cerros donde pueden producirse temperaturas bajas y, lo que s peor, mantenida durante varios días. En estos casos no existe otro remedio que aumentar la capacidad y proteger, mediante elementos aislantes, lo mejor posible los acumuladores, de tal forma que sean mínimamente afectados por las bajas temperaturas
El rendimiento óptimo del acumulador se produce aproximadamente a los 20ºC
Manipulación
Debemos pensar que el electrolito de las baterías contiene acido y que este resulta sumamente corrosivo. Este hecho nos aconseja que los acumuladores se manejen con sumo cuidado, para evitar quemaduras tanto en la piel como en la ropa, suelo, etc. Pero quizá sea en el transporte donde se deban tomar mas precauciones, debido fundamentalmente a que, en su mayoría, los sistemas fotovoltaicos se encuentran alejados de carreteras, y el acceso por caminos o sendas puede acarrear problemas de fuga del electrolito
Para estos casos extremos las baterías pueden adquirirse cargadas en seco, si así se especifica al fabricante, ya que de esta manera podemos transportar los recipientes mejor (debido a su peso disminuido) y sin riesgos. El acido en estos casos es transportado en botellas independientes, para proceder al rellenado de los acumuladores una vez que han sido instalados en su correspondiente bancada
Las baterías fotovoltaicas sin mantenimiento no suelen desprender gases a un sistema de recombinación que incorporan en la parte superior de la carcasa, por lo que pueden utilizarse sin precauciones especiales de ventilación. De cualquier forma, es aconsejable seguir el resto de las indicaciones hechas anteriormente para poder proporcionar los mejores resultados
Instalación de sistemas de regulación y control
Los equipos que van a constituir el sistema de regulación y control ( reguladores de carga, sistemas de alarma, voltímetros, amperímetros, desconectadores, etc.), deben integrarse en un pequeño armario de control que reúna toda la información precisa para que de un golpe de vista podamos conocer el estado general de los componentes que forman el equipo fotovoltaico. Como elementos imprescindibles se encuentran el regulador de carga y un voltímetro u otro elemento que nos de referencia del estado de carga aproximado en el que se encuentra la batería. Esta medida puede hacerse con un densímetro si la batería es del tipo con mantenimiento y, por lo tanto, accesible al electrolito
Usualmente, estos cuadros de control suelen ser construidos por cada montador, adecuándolos a las necesidades propias de la instalación. Como norma muy amplia podríamos diferenciar dos tipos de instalaciones, las habitadas o donde frecuentemente existe personal, y aquellas otras que están alejadas y carecen de personas que las atiendan o las usen directamente. Las primeras constaran de todos aquellos equipos que nos den datos de su funcionamiento, como pueden ser voltímetros, amperímetros, desconectadores por baja tensión, fusibles o magnetotermicos de protección, etc., que lógicamente estarán en total consonancia con el tamaño e importancia de la instalación. Por el contrario, en todos aquellos usos donde el equipo se encuentre desatendido, sería completamente absurdo disponer de una gran cantidad de aparatos para señalizar datos que nadie va a ver. Recomendamos en estos casos el uso del regulador como elemento imprescindible y un desconectador por baja tensión capaz de proteger a la batería en caso de descarga excesiva
Existen unos equipos muy interesantes como son los contadores de amperios-hora, que nos permiten controlar bien la cantidad de Ah, que fluyen del panel solar a la batería, los de batería a la carga, o ambos. Estas medidas resultan muy útiles, sobre todo si llevamos la contabilidad mensual o semanal, pudiendo darnos datos reales de la instalación solar o incluso del consumo del equipo conectado. Mediante los contadores de amperios-hora podremos hacer un análisis del balance de producción-gasto durante todas las épocas del año, que resulta muy útil para instalaciones en lugares donde no existen datos de radiación o en aquellas otras ocasiones donde se desconoce el uso que se va a realizar de un determinado equipo, pudiendo sacar conclusiones interesantes de estos elementos
Los amperihorimetros disponen usualmente de cuatro dígitos que pueden saltar en pasos de 1 ó 10 amperios, pudiéndose extender mediante la conexión de shunts. El consumo es muy bajo (= 0.6mA máximo) y no representa obstáculo importante para su utilización.
Instalación de convertidores
Todo lo mencionado en los apartados anteriores corresponde al conjunto solar fotovoltaico pero, una vez situados en bornas de la batería de almacenamiento, lo que le sigue corresponde a una instalación eléctrica convencional en corriente continua
Los equipos convertidores o inversores, tanto senoidales como de onda cuadrada, deben instalarse siempre lo más cerca de las baterías que se pueda. Esta afirmación está justificada por la gran caída de tensión que se puede producir si alejamos el convertidor excesivamente de la baterías. Pensemos que, una vez hecha la transformación, el trabajar con una tensión elevada (220V) y poca corriente, nos acarrea unas pérdidas mínimas aun utilizando una sección de conductor pequeña
Como ejemplo de la afirmación anterior, calcularemos la diferencia de sección del hilo conductor que deberíamos incorporar en un convertidor cc/ca de 500W 12 V de entrada, si lo situáramos a 2 metros de los acumuladores o a 20 metros de estos, y admitiéramos una caída de tensión de 0.2 V
Si recordamos la fórmula de cálculo de la sección de un conductor tenemos para el primer caso:
S= 2IL/56(Va-Vb)
S=(2x500W/12V x 2m)/56 x 0.2 V= 166.4 /11.2= 14.85 mm2
Para el ejemplo de los 20 m à 14.85 x 10 = 148.5 mm2
Evidentemente, la diferencia de costo de conductor entre un caso y el otro justifica plenamente el situarlo cercano a los acumuladores, ya que en el primer ejemplo utilizaríamos 2x2 metros de conductor de 14.85 mm2 y en el otro 2 x 20 m de una sección de 148.5 mm2, mientras que la sección que en ambos casos deberíamos de poner para la línea de corriente alterna estaría en torno a 1.5-2.5 mm2
Si la instalación de convertidores fuera, en vez de cc/ca, de cc/cc, podríamos hacer dos distinciones, la primera si la tensión de entrada es superior a la tensión de salida (por ejemplo 24/12). En este caso, convendría disponer el convertidor lo más cerca del receptor por la misma razón que la expuesta sobre las caídas de tensión. Por el contrario, si la tensión de entrada es inferior a la de salida (por ejemplo 12/24), el convertidor cc/cc deberá ir lo más próximo a los acumuladores
Resumen de normas practicas para una instalación de sistemas fotovoltaicos
- Disponer los módulos orientados al sur con el ángulo idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación solar
- Evitar sombras parciales sobre células o módulos producidas por obstáculos
Capitulo 7
Mantenimiento de una instalación fotovoltaica y pruebas de funcionamiento
Se entiende habitualmente como instalación fotovoltaica el conjunto formado por los módulos, sistemas de regulación y control y acumuladores, siendo el resto una instalación eléctrica convencional, donde los equipos que la integren tendrán un mantenimiento más o menos particular
En función de lo dicho anteriormente, centraremos nuestra atención en los tres elementos básicos, describiendo seguidamente unas breves normas a tener en consideración respecto al cuidado de los componentes:
Panel fotovoltaico
Realmente, aun siendo el elemento más importante de toda la instalación, es el que menos trabajo de mantenimiento nos va a producir. En efecto, el mantenimiento que requiere un modulo solar fotovoltaico es mínimo, ya que se va a reducir a una limpieza de su superficie con algún elemento no abrasivo, toda vez que pueda observarse suciedad. Habitualmente, en las instalaciones situadas en el campo, no se producirán depósitos de suciedad frecuentes salvo que pueda estar junto a alguna industria que elimine residuos por chimeneas, en cuyo caso se precisaran un mantenimiento mas continuado
Es precisamente en el punto de mantenimiento donde se hace importante la necesidad de dotar al modulo de un cristal que no presente una superficie rugosa, capaz de mantener la suciedad más fácilmente y presentar más resistencia a su limpieza. Los cristales de los módulos solares deben ser extremadamente lisos para favorecer así la autolimpieza por acción del aire y del agua de forma natural
Existen algunos casos donde se presenta un problema importante, y son aquellos donde la instalación fotovoltaica está situada junto al mar o en este (caso de boyas marinas, señalizaciones ópticas, etc.). Ocurre muy frecuentemente que las gaviotas suelen posarse en la parte superior de la estructura soporte, defecando sobre los paneles y produciendo suciedades muy persistentes que alteraran el buen funcionamiento del grupo solar, como consecuencia de sombras parciales sobre las células. Para estos casos se ha ideado la inclusión en la parte superior de la estructura, de unas antenas flexibles que no permitan el posamiento de aves, evitando los efectos que producen.
Cuadro de regulación y control
Realmente no necesita ningún mantenimiento especial, salvo su revisión visual para comprobar el buen funcionamiento de los diversos equipos que lo componen
Resulta muy conveniente, si este cuadro se instalara en algún sitio donde exista humedad (cerca del mar, países tropicales, etc.), proteger los diversos aparatos de la acción perjudicial de esta, para lo cual existen unos sprays que preservan a los componentes electrónicos y contactos eléctricos de sus efectos con una simple pulverización
Acumuladores
Aparte de las precauciones que se deben observar a la hora de instalar un grupo de acumuladores, ya mencionadas en el capitulo anterior, son quizá estos elementos los que mayor atención requieren de todos los componentes de una instalación solar, especialmente aquellos que tengan mantenimiento y sobre los cuales nos centraremos
El relleno del electrolito es una de las operaciones típicas del mantenimiento de las baterías de acumuladores, acción que se debe llevar a término con agua exenta de impurezas y manteniendo el nivel de electrolito dentro de unos límites. El agua que se debe utilizar será del tipo desmineralizada o destilada
Se debe tener en cuenta que el relleno de los elementos de batería se ha de hacer siempre con agua y no con acido, que solamente estará destinado para aquellos casos excepcionales donde pueda haberse producido una fuga de electrolito
La causa principal de la perdida de agua en un acumulador es
la electrolisis de la misma, producida por la corriente de carga, ya que la
acción de la evaporación se produce en una medida muy pequeña. Por este motivo,
si habitualmente un determinado acumulador precisa de la adicción de agua, es
señal evidente de que está produciendo una sobrecarga, para lo cual se tomara
la precaución de disminuir el ajuste de tensión del regulador
Si el nivel de electrolito en un elemento de batería es lo
suficientemente bajo como para dejar al descubierto las placas del mismo, estas
se sulfataran al entrar en contacto con el aire, y como consecuencia se
producirá su destrucción. Por el contrario, si el nivel es excesivamente alto,
puede alcanzar el orificio de ventilación de los tapones y ser expulsado fuera
por acción de los gases desprendidos durante la última fase de la carga de la
batería
Resumiendo, podemos decir que el nivel correcto del
electrolito según los distintos tipos de baterías, será de:
- Baterías plante: diez milímetros por encima del borde superior de los separadores
- Baterías tubulares: si son de recipientes opacos, suelen ser suministrados con tapón indicador de nivel. Si los recipientes son transparentes, llevan dos marcas de máximo y mínimo impresas en la carcasa
La práctica periódica de mantenimiento redundara en beneficio de la vida de la batería, y para ello deben de seguirse algunos puntos básicos, como son:
- Comprobar el nivel de electrolito mensualmente en cada uno de los elementos
- Realizar una inspección visual de la batería tanto del recipiente como de las placas ( si los elementos fueran transparentes), observando si las placas están curvadas o los elementos formados en el fondo llegan a cortocircuitar estas
- Mantener las bornas y conexiones libres de sulfato, aplicando vaselina neutra cada vez que necesite. Este defecto produce irremediablemente un contacto deficiente y, en consecuencia, una gran caída de tensión.
-
Baterías plante: diez milímetros por encima del
borde superior de los separadores
-
Baterías tubulares: si son de recipientes opacos,
suelen ser suministrados con tapón indicador de nivel. Si los recipientes son
transparentes, llevan dos marcas de máximo y mínimo impresas en la carcasa
La práctica periódica de mantenimiento redundara en
beneficio de la vida de la batería, y para ello deben de seguirse algunos
puntos básicos, como son:
-
Comprobar el nivel de electrolito mensualmente en cada
uno de los elementos
-
Realizar una inspección visual de la batería tanto del
recipiente como de las placas ( si los elementos fueran transparentes),
observando si las placas están curvadas o los elementos formados en el fondo
llegan a cortocircuitar estas
-
Mantener las bornas y conexiones libres de sulfato,
aplicando vaselina neutra cada vez que necesite. Este defecto produce
irremediablemente un contacto deficiente y, en consecuencia, una gran caída de
tensión.
Pruebas y averías de los diferentes componentes
Es necesario, tanto en el momento del montaje como alguna
vez durante su funcionamiento, revisar los diferentes y más usuales elementos
del conjunto fotovoltaico. Por este motivo se van a describir algunas medidas
básicas que nos ayudaran a saber si algún elemento puede estar en malas
condiciones.
Medidas sobre el panel fotovoltaico
La gran ventaja que presenta un panel fotovoltaico reside
principalmente en la casi ausencia de averías. Básicamente, puede dejar de
producir corriente por tan solo dos motivos: uno, la posible penetración de
humedad que pueda oxidar los materiales que componen el circuito, y otro, la rotura,
normalmente por acción exterior, de la cubierta superior (cristal) del modulo
solar
En ambas eventualidades debe ser sustituido por otro nuevo,
aunque en el caso de rotura de cristal puede darse la circunstancia, bastante
corriente, de que el modulo siga proporcionando energía, aunque será reducida
por las reflexiones que producirán las roturas
Para determinar de una forma poco complicada y bastante exacta si un
panel proporciona el amperaje que nos da en catalogo el fabricante, basta con
disponer de un
pequeño medidor de radiación solar que nos indique los
mW/cm2 de radiación incidente sobre la superficie del panel y un amperímetro
que se conectara en bornas del modulo para medir la corriente de cortocircuito
Ya que sabemos que para los paneles de silicio
monocristalino existe una razón directa entre la intensidad lumínica recibida y
la intensidad de cortocircuito producida, bastara una simple regla de tres para
saber si el panel produce lo que en realidad nos anunciaron. Como ejemplo
aclaratorio, supongamos que disponemos de un modulo fotovoltaico donde sus
características nos indican una corriente de cortocircuito de 3ª para 100
mW/cm2 y 25ºC
Sería bastante difícil esperar disponer de una radiación
similar para en ese momento, ver si su salida en corto nos da los 3 A
mencionados. Para evitarnos esto, dispondremos el medidor de radiación paralelo
a la superficie del modulo, anotando a la vez la radiación y la intensidad
eléctrica que circularía entre sus bornas. Supongamos que la radiación registrada
fuera de 60 mW/cm2. La intensidad teórica que nos debería dar se calcula:
100 mW/cm2 3 A
60 mW/cm2 X
X=60x3/100=1.8 A
Si este valor esta cercano al obtenido, podremos asegurar la
efectividad del panel, pero por el contrario, si se aleja excesivamente (teniendo
en cuenta la precisión del aparato y la temperatura reinante), podemos dudar de
los controles del fabricante. Un margen de +10%, si la temperatura oscila
alrededor de los 25ºC, puede ser aceptable
Para medir la intensidad proporcionada por el modulo a un
circuito exterior (bien sea el regulador, batería o cualquier carga conectada
en sus bornas), basta intercalar un amperímetro en una de sus líneas para
obtener el valor deseado. En muchas ocasiones, se puede observar que este valor
puede fluctuar debido al paso de nubes o variaciones en la luminosidad ambiente
Si la medida que se desea realizar es para averiguar la
tensión, deberemos usar un voltímetro intercalado en paralelo con la línea
positiva o negativa, leyendo el valor ofrecido en su escala. Salvo casos muy
particulares, esta medida es común para el panel y la batería, ya que los dos
se encontraran interconectados en una instalación real.
Regulador de carga
Las comprobaciones y ajustes de los reguladores se deberán realizar antes
de insertarlos en el conjunto fotovoltaico y variaran en función del tipo de
circuitos que utilicen. Como ya se vio anteriormente, existen dos grandes
bloques de reguladores, los serie y los shunt o paralelo. Los primeros presentan una fácil
comprobación, pues si medimos la corriente de paso entre el regulador y la
batería, esta será exactamente la que el panel pueda proporcionar en ese
instante. El corte del circuito vendrá dado cuando la tensión adquirida por la
batería se iguale a la previamente ajustada en el regulador, tensión por otra
parte que puede ser fácilmente medible por medio de un voltímetro entre bornas
de salida del regulador. En el caso de que esta tensión sea alta o baja, o bien
no exista paso de corriente desde paneles a batería, el regulador deberá ser
sustituido y llevado a reparar
El otro gran bloque de reguladores corresponde al tipo shunt
o paralelo. Para comprobar su correcto funcionamiento procederemos a separar la
batería del grupo panel-regulador, mediremos la tensión en bornas de salida del
regulador a la batería. Esta tensión deberá ser la previamente ajustada para
evitar la sobrecarga (aprox entre 14 y 14.5 voltios para instalaciones de 12 V)
Esta medida debe ser realizada cuando el sol esta elevado en
el horizonte, y deberemos observar el calentamiento de los transistores de
potencia o elementos encargados de la disipación de la corriente sobrante, si
esto ocurre y la tensión esta en torno a los 14-14.5 V, como se ha dicho antes
(28-29 V o 56-58 V para sistemas de 24 y 28 voltios nominales respectivamente),
podremos decir que el regulador se encuentra en perfectas condiciones de
funcionamiento
Si se desea comprobar la corriente de consumo de regulador,
o bien la corriente inversa absorbida por un modulo fotovoltaico, etc.,
deberemos cubrir el panel con una manta muy opaca o esperar a la noche para
intercalar un amperímetro, que dará directamente la corriente absorbida por el
elemento en cuestión, y determinar su valor. Estas medidas pueden ser muy útiles
si se sospecha de fugas elevadas a través de los módulos, consumo excesivo del
regulador, rotura del diodo de bloqueo, etc.
Sistema de acumulación
Como ya se ha mencionado y de todos es sabido, la forma de
medir el paso de corriente entre paneles-batería o batería-consumo, será
intercalando el amperímetro en serie entre estos elementos. Estos datos nos
darán a conocer el aporte de corriente de paneles y el consumo real en amperios
del equipo o equipos receptores
No obstante, las medidas y controles que pueden hacerse al
sistema de acumulación en si se limitaran a medir la tensión de circuito
abierto de cada elemento y la densidad de estos (si se trata de una batería con
mantenimiento, puesto que en las que no lo precisan, su electrolito no es
accesible)
Para determinar el buen estado de cada elemento, ya sean de
2 V o monoblocs, se procederá a separar eléctricamente estos midiendo sus
tensiones en bornas y la densidad del electrolito mediante un densímetro
En todos los casos las medidas deberán ser similares, y si
da la coincidencia de alguna variación importante, el elemento en cuestión debe
ser sometido a un estudio más particular que nos determine la causa de su
variación
No será admisible bajo ningún concepto el disponer en
paralelo o en serie acumuladores de distinto modelo, capacidad o tiempo de uso
diferente (unión de baterías nuevas con antiguas y usadas, etc.), ya que este
hecho nos acarrearía pasos internos de corriente entre un elemento y otro,
dando lugar al deterioro de las baterías mas nuevas
