Generacion de Energia Solar Fotovoltaica
Nuevas Energias
Jutglar Banyeres, Lluis
A pesar que el coste del kWp instalado, sigue siendo muy elevado, disfrutan de una serie de ventajas los hace muy atractivos:Su eficiencia es prácticamente independiente de la potencia instalada.El nivel tecnológico necesario para su instalación es muy simple.Requieren una infraestructura muy simple, comparada con otros sistemas de generación eléctrica.No tienen elementos mecán...
Sinopsis
A pesar que el coste del kWp instalado, sigue siendo muy elevado, disfrutan de una serie de ventajas los hace muy atractivos:Su eficiencia es prácticamente independiente de la potencia instalada.El nivel tecnológico necesario para su instalación es muy simple.Requieren una infraestructura muy simple, comparada con otros sistemas de generación eléctrica.No tienen elementos mecánicos ni partes móviles, excepto si se trata de paneles orientables.Su mantenimiento, excepto el de los acumuladores de electricidad, es casi nulo.No son ruidosos, no requieren refrigeración ni emiten gases.Consumen una energía gratuita, inagotable y que es respetuosa con el medioambiente.Son totalmente autónomos, pueden instalarse en puntos de difícil acceso y en lugares remotos.En el mercado se encuentran paneles que pueden sustituir elementos arquitectónicos en cubiertas y fachadas, cumpliendo dos funciones: actuar como cerramiento y generar energía.Este libro se ha escrito con el deseo que pueda servir de introducción al cálculo de instalaciones autónomas e instalaciones conectadas a la red, prestando especial atención al aspecto pedagógico de la materia tratada.También se ha tenido en cuenta, al tratar las aplicaciones prácticas, la documentación oficial publicada por el IDAE y el Gobierno (Pliegos de Condiciones Técnicas y Código Técnico de la Edificac
A pesar que el coste del kWp instalado, sigue siendo muy elevado, disfrutan de una serie de ventajas los hace muy atractivos: Su eficiencia es prácticamente independiente de la potencia instalada. El nivel tecnológico necesario para su instalación es muy simple. Requieren una infraestructura muy simple, comparada con otros sistemas de generación eléctrica. No tienen elementos mecánicos ni partes móviles, excepto si se trata de paneles orientables. Su mantenimiento, excepto el de los acumuladores de electricidad, es casi nulo. No son ruidosos, no requieren refrigeración ni emiten gases. Consumen una energía gratuita, inagotable y que es respetuosa con el medioambiente. Son totalmente autónomos, pueden instalarse en puntos de difícil acceso y en lugares remotos. En el mercado se encuentran paneles que pueden sustituir elementos arquitectónicos en cubiertas y fachadas, cumpliendo dos funciones: actuar como cerramiento y generar energía. Este libro se ha escrito con el deseo que pueda servir de introducción al cálculo de instalaciones autónomas e instalaciones conectadas a la red, prestando especial atención al aspecto pedagógico de la materia tratada. También se ha tenido en cuenta, al tratar las aplicaciones prácticas, la documentación oficial publicada por el IDAE y el Gobierno (Pliegos de Condiciones Técnicas y Código Técnico de la Edificación.
Índice
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 1
1.1 Interés de la energía fotovoltaica ................................................................. 1
1.2 Generación de electricidad a partir de la energía solar ................................ 1
1.3 Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos .................................................. 2
1.4 Clasificación de instalaciones fotovoltaicas ................................................ 3
2. EL SISTEMA SOL - TIERRA ........................................................................... 5
2.1 Introducción ................................................................................................. 5
2.2 Movimiento de la Tierra alrededor del Sol .................................................. 5
2.3 Hora solar y hora oficial .............................................................................. 7
2.4 Movimiento relativo del Sol respecto un punto
de la superficie terrestre ............................................................................... 9
2.5 Radiación solar sobre una superficie ......................................................... 12
2.5.1 Constante solar ........................................................................................... 12
2.5.2 La radiación solar debajo de la atmósfera .................................................. 13
2.5.3 Ángulo de incidencia sobre una superficie orientada ................................. 14
2.5.4 Tablas de irradiación .................................................................................. 15
2.5.5 Número de horas solar pico equivalentes (HSP) ........................................ 16
2.5.6 Orientación óptima de una superficie ........................................................ 17
2.6 Sombra de un obstáculo sobre un punto .................................................... 18
2.7 Sombra de un obstáculo sobre un plano .................................................... 21
2.7.1 Sombra de una fila de paneles sobre la siguiente situada
al mismo nivel............................................................................................ 21
2.7.2 Sombra de una fila de paneles sobre la siguiente situada
a distinto nivel............................................................................................ 23
2.7.3 Sombra de la línea del horizonte sobre un plano horizontal ...................... 24
2.7.4 Sombra de un objeto cualquiera sobre un plano, método analítico ............ 27
3. EL PANEL FOTOVOLTAICO ....................................................................... 29
3.1 Introducción ............................................................................................... 29
3.2 Tipos de células ......................................................................................... 31
3.2.1 Células de silicio cristalino ........................................................................ 31
3.2.2 Células de silicio amorfo hidrogenado ....................................................... 31
3.2.3 Células de SCd / SCu ................................................................................. 32
3.2.4 Células de AsGa / AsGaAl ........................................................................ 32
3.2.5 Dispositivos concentradores ...................................................................... 32
3.2.6 Absorción bifacial ...................................................................................... 33
3.2.7 Células de capa fina ................................................................................... 33
3.2.8 Células esféricas ........................................................................................ 33
3.3 Estructura de un panel FV de silicio .......................................................... 34
3.4 Características de una célula o panel ......................................................... 35
3.4.1 Curva característica I - V ........................................................................... 35
3.4.2 Resistencia serie, resistencia paralelo y factor de forma ............................ 36
3.4.3 Influencia de la intensidad de la luz y de la
temperatura del panel ................................................................................ 37
3.4.4 Conexión de paneles en serie y paralelo .................................................... 39
3.5 Ensayo de los paneles fotovoltaicos .......................................................... 40
3.6 Datos de catálogo de los paneles ............................................................... 41
3.7 Estimación de la energía diaria generada ................................................... 43
4. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN .................................................... 45
4.1 Introducción ............................................................................................... 45
4.2 Acumuladores o baterías ............................................................................ 46
4.2.1 Tipos de baterías ........................................................................................ 48
4.2.2 Características ............................................................................................ 49
4.2.3 Mantenimiento. .......................................................................................... 51
4.2.4 Conexión de las baterías y dimensionado de la carga de
acumulación .............................................................................................. 52
4.3 Regulador de carga de las baterías ............................................................. 54
4.3.1 Tipos de reguladores .................................................................................. 55
4.3.2 Características de los reguladores .............................................................. 56
4.3.3 Protección de los reguladores .................................................................... 57
4.3.4 Asociación de los reguladores y dimensionado ......................................... 58
4.4 Inversor o convertidor ................................................................................ 59
4.4.1 Tipos de convertidores ............................................................................... 59
4.4.2 Características de los convertidores ........................................................... 61
4.4.3 Protección de los convertidores ................................................................. 62
4.4.4 Asociación de los convertidores y dimensionado ...................................... 62
4.5 Equipos de conexión a la red ..................................................................... 62
5. CAMPO DE COLECTORES ........................................................................... 63
5.1 Introducción ............................................................................................... 63
5.2 Instalación integrada (BIPV) o superpuesta a un edificio.......................... 64
5.2.1 Cubiertas de edificios ................................................................................. 65
5.2.2 Cerramientos verticales .............................................................................. 67
5.2.3 Viseras ....................................................................................................... 69
5.2.4 Datos de sistemas integrados construidos .................................................. 70
5.3 Separación entre paneles estáticos ............................................................. 71
5.3.1 Separación entre filas de paneles situados sobre un plano
horizontal ................................................................................................... 71
5.3.2 Separación entre filas de paneles situados sobre un plano
inclinado .................................................................................................... 75
5.4 Cálculo de las pérdidas por sombras en paneles estáticos ......................... 75
5.5 Cálculo de las pérdidas por orientación en paneles estáticos ..................... 80
5.6 Cálculo de la generación de energía .......................................................... 83
5.7 Anclaje y soporte de los paneles ................................................................ 86
5.7.1 Peso del panel y carga de la nieve .............................................................. 87
5.7.2 Acción del viento ....................................................................................... 89
5.7.3 Tensiones de origen térmico ...................................................................... 91
5.7.4 Instalación sobre cubierta horizontal ......................................................... 92
5.7.5 Instalación sobre cubierta inclinada ........................................................... 94
5.7.6 Instalación en visera o voladizo ................................................................. 94
5.7.7 Instalación sobre el terreno ........................................................................ 94
5.7.8 Instalación sobre mástil.............................................................................. 96
5.8 Paneles orientables ..................................................................................... 96
6. ELECCIÓN DEL CABLE ................................................................................ 99
6.1 Introducción ............................................................................................... 99
6.2 Conocimientos básicos .............................................................................. 99
6.2.1 Cálculo de la caída de tensión .................................................................... 99
6.2.2 Pérdida de energía y calentamiento del conductor ................................... 101
6.3 Tipos de cable y red de distribución ........................................................ 102
6.4 Elección de la sección y tipo cable .......................................................... 105
6.5 Cálculo de la sección económica para una instalación
conectada a la red .................................................................................... 108
7. INSTALACIONES AISLADAS DE LA RED .............................................. 115
7.1 Introducción ............................................................................................. 115
7.2 Sistema FV doméstico ............................................................................. 115
7.2.1 Cálculo de la potencia máxima y de la energía diaria demandada ........... 116
7.2.2 Dimensionado del generador ................................................................... 119
7.2.3 Capacidad del acumulador ....................................................................... 124
7.2.4 Características del regulador .................................................................... 125
7.2.5 Inversor .................................................................................................... 125
7.3 Sistema FV aplicado al bombeo de agua ................................................. 126
7.3.1 Potencia demandad por una bomba ......................................................... 126
7.3.2 Cantidad máxima de agua extraíble y desnivel entre la superficie
libre y la bomba ...................................................................................... 128
7.3.3 Elección del tipo de la bomba .................................................................. 130
7.3.4 Componentes del sistema ......................................................................... 131
7.3.5 Dimensionado del generador ................................................................... 131
7.3.6 Dimensionado de la bomba ...................................................................... 132
7.4 Sistema de protección y seguridad ........................................................... 133
7.5 Mantenimiento del sistema FV ................................................................ 134
7.5.1 Mantenimiento del generador fotovoltaico .............................................. 134
7.5.2 Mantenimiento del acumulador eléctrico ................................................. 135
7.5.3 Mantenimiento del equipo regulador-inversor ......................................... 135
7.5.4 Mantenimiento del cableado y equipo de conexión ................................. 135
7.5.5 Periodicidad de las labores de mantenimiento preventivo ....................... 136
7.6 Análisis económico .................................................................................. 136
7.6.1 Coste neto de la instalación FV ............................................................... 137
7.6.2 Ahorro anual neto .................................................................................... 137
7.6.3 Tiempo de retorno de la inversión:
simple (PB) y actualizado (PBA) ............................................................ 138
8. INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED ......................................... 141
8.1 Introducción ............................................................................................. 141
8.2 Tipos de sistemas ..................................................................................... 142
8.3 Componentes ........................................................................................... 143
8.4 Parques solares ......................................................................................... 144
8.4.1 Esquema genérico de un parque solar ...................................................... 144
8.4.2 Condiciones técnicas mínimas de carácter general .................................. 145
8.4.3 Condiciones específicas de interconexión ............................................... 146
8.4.4 Protecciones del sistema eléctrico ............................................................ 146
8.4.5 Medición y facturación de la corriente generada y consumida ................ 148
8.5 Estimación de la producción anual de energía ......................................... 149
8.6 Mantenimiento ......................................................................................... 151
8.7 Análisis económico .................................................................................. 152
8.7.1 Coste neto de la instalación FV y beneficio anual neto ........................... 152
8.7.2 Tiempo de retorno de la inversión:
simple (PB) y actualizado (PBA) ............................................................. 153
8.7.3 Valor actual neto de la inversión (VAN) ................................................. 153
8.7.4 Tasa de rendimiento interno de la inversión (TRI) .................................. 154
9. CUMPLIMIENTO DEL CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN... 159
9.1 Introducción ............................................................................................. 159
9.2 Cálculo de la potencia eléctrica mínima que debe instalarse ................... 160
9.3 Pérdidas por inclinación, orientación y sombras ..................................... 163
9.3.1 Cálculo de las pérdidas por orientación e inclinación .............................. 163
9.3.2 Cálculo de las pérdidas por sombras ........................................................ 166
9.4 Mantenimiento ......................................................................................... 169
9.4.1 Plan de vigilancia ..................................................................................... 169
9.4.2 Plan de mantenimiento preventivo ........................................................... 169
APÉNDICE 1. TABLAS, GRÁFICOS, UNIDADES
Y EQUIVALENCIAS ................................................................ 171
A1.1 Tablas .................................................................................................... 171
A1.2 Gráficos ................................................................................................. 187
A1.3 Unidades y equivalencias ...................................................................... 191
APÉNDICE 2. GLOSARIO, SIGLAS Y SÍMBOLOS ..................................... 193
A2.1 Glosario ................................................................................................. 193
A2.2 Siglas ..................................................................................................... 202
A2.3 Símbolos ............................................................................................... 204
APÉNDICE 3. NORMAS ................................................................................... 205
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 209
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