Funcionamiento y componentes de una instalación Fotovoltaica aislada

Entender las características de una instalación de Autoconsumo aislada
Modelo de propuesta solar

Una instalación fotovoltaica constituye una fuente de suministro eléctrico gracias a los módulos, que captan la energía solar y la convierten en energía eléctrica debido al efecto fotovoltaico que se produce en sus células. Esta energía puede ser utilizada directamente en una instalación aislada, que habitualmente incluye baterías para almacenar el excedente de energía generada. 

Una instalación fotovoltaica aislada es aquella que no está conectada a la red eléctrica y su objetivo es consumir toda la energía generada, bien inmediatamente o bien tras ser acumulada en baterías. 

A continuación, detallamos los componentes que conforman una instalación fotovoltaica aislada: 

  1. Módulos fotovoltaicos 

El conjunto de módulos constituye la parte generadora de la instalación. Cada uno de ellos está formado por células fotovoltaicas conectadas eléctricamente entre sí, siendo su superficie más habitual de hasta 2 m2 y teniendo una potencia de unos 300 W. 

Este grupo de células fotovoltaicas están conectadas mediante contactos metálicos soldados y al conjunto se le dota de aislamiento, protección, rigidez y estanqueidad. 

Los tipos de módulos fotovoltaicos disponibles, dependiendo del material semiconductor con el que se fabriquen pueden ser: 

  • Módulos de silicio monocristalino: Su eficiencia es una de las más altas del mercado, del 15% al 18%. Tiene elevada durabilidad y sus propiedades se deterioran poco con el paso del tiempo. 
  • Módulos de silicio policristalino: Su eficacia es algo menor (13%-15%), sin embargo, su coste también es un 10% inferior aproximadamente y su durabilidad es similar a los módulos monocristalinos. Suelen trabajar mejor a elevadas temperaturas. 
  • Módulos de capa fina: Se fabrican añadiendo un material semiconductor sobre otro elemento que sirve de como soporte físico. Resultan más baratos por emplear menos material en su fabricación. Son módulos flexibles, por lo que tienen múltiples aplicaciones. 

Los módulos más utilizados por su buena relación entre rendimiento y coste de fabricación son los monocristalinos y policristalinos. 

  1. Acumuladores o baterías 

Los acumuladores, más conocidos como baterías, son equipos que casi siempre se encuentran en este tipo de instalaciones. Este sistema de batería presenta las siguientes características: 

  • Serán capaces de satisfacer la demanda de energía eléctrica en periodos nocturnos.
  • Durante el día, las baterías aportarán la energía necesaria si la capacidad de generación de los módulos fotovoltaicos no es suficiente para los consumos existentes.
  • Almacenarán energía eléctrica hasta su capacidad límite, siempre y cuando la energía generada en los módulos sea superior a la demanda eléctrica de los consumos. 

En realidad, las baterías no almacenan electricidad directamente, sino que transforman la energía eléctrica que les llega en forma de reacciones químicas durante la carga. Al descargarse, se producen otras reacciones químicas que liberan energía eléctrica aprovechable por los consumos que se conectan a ellas. 

Existen diferentes tipos de baterías, siendo las más apropiadas para aplicaciones fotovoltaicas las de plomo-ácido, debido a las buenas propiedades que presentan de autodescarga, número de ciclos y coste económico. Estas baterías son versátiles en amplios rangos de corrientes de carga y ofrecen una rentabilidad aceptable. Dentro de esta categoría podemos encontrar baterías estacionarias, solares y de gel. 

  1. Reguladores 

En general, la tensión nominal del sistema de baterías es algo inferior a la tensión nominal del generador fotovoltaico. Esta diferencia de tensión suele variar entre 4 y 8V. Esto es debido principalmente a que para poder cargar las baterías la tensión en bornes del generador debe ser mayor que en el sistema de baterías, debido a que así la corriente pueda ser impulsada hacia ellas y a que cuando la temperatura aumenta, la tensión nominal de los módulos tiende a disminuir, por lo que este efecto puede minimizarse diseñando un generador para una tensión nominal superior a la de las baterías. 

Un regulador es un dispositivo que, gracias al microprocesador que incorporan, controlan los procesos de carga y descarga de las baterías, realizando principalmente las siguientes funciones: 

  • Protección contra sobrecarga de las baterías
  • Protección contra sobredescargas de las baterías
  • Sistema de adquisición de datos
  • Algunos reguladores disponen de dispositivos de protección contra sobretensiones y sobreintensidades 

Existen diferentes tipos de reguladores en el mercado: Shunt o paralelo y serie. 

  1. Inversores 

El inversor es un equipo cuya función es convertir la corriente continua en alterna que es la forma en que se consume y se entrega la energía. Interiormente un inversor incluye circuitos eléctricos y transistores o tiristores para realizar la conversión de la forma de onda, además de filtros para afinarla. 

Actualmente, la mayoría de los inversores incorporan la importante función de buscar el punto de máxima potencia en el que los módulos deben trabajar. Es decir, los módulos pueden trabajar a una tensión e intensidad que viene definida por su curva característica que a su vez depende de las condiciones de irradiancia y de temperatura y es el inversor el que define cuáles son la tensión y a intensidad a la que deben operar para que se pueda extraer de ellos la máxima potencia. 

En el caso de los inversores de instalaciones aisladas se conectan a la salida del regulador, convirtiendo la corriente continua en alterna con forma de onda sinusoidal para que pueda entregarse a los consumos que requieren este tipo de corriente. 

También podemos encontrar los denominados inversores-cargadores que incorporan las funciones propias de un regulador, además de suministrar corriente alterna a los consumos. Por tanto, no se requiere un regulador si se instala un inversor-cargador. 

  1. Convertidores CC/CC 

Se encuentran en determinadas instalaciones aisladas cuando la corriente continua procedente de las baterías o de los módulos, que se encuentra a un determinado nivel de tensión, hay que adecuarlo a otro nivel de tensión de corriente continua. Por ejemplo, si existen consumos de 12V y el sistema de baterías proporciona tensión a 24V, deberemos emplear un convertidor. 

  1. Dispositivos de protección 

Los dispositivos de protección proporcionan seguridad tanto a las personas como a los equipos de la instalación, minimizando las consecuencias de posibles contactos directos e indirectos, cortocircuitos, sobreintensidades y sobretensiones. Los principales elementos de protección son: 

  • Diodos de bloqueo. Instalados en la salida de cada cadena de módulos para que no se disipe la potencia generada en caso de defecto, evitando que la corriente circule en sentido contrario al que se pretende
  • Diodos de bypass. Colocados en la caja de conexiones de cada módulo, minimizan problemas ocasionados por sombreados parciales, ya que impiden que las células en sombra actúen como receptores.
  • Fusibles. Cada equipo de la instalación suele incluir sus propios fusibles, con el objetivo de protegerlo frente a sobreintensidades. También se colocan fusibles externos para la protección de los circuitos de corriente continua contra sobrecargas y cortocircuitos.
  • Interruptores magnetotérmicos. Al menos existe uno de ellos colocado a la salida del inversor, aunque en muchos casos viene incluido en el propio equipo. Además, se colocan para proteger los diferentes circuitos de corriente alterna. Al igual que los fusibles, también protegen contra sobrecargas y cortocircuitos.
  • Interruptores diferenciales. Se colocan en las instalaciones de corriente alterna para garantizar la seguridad de las personas contra contactos directos (debidos al contacto con partes activas) e indirectos (debidas a una derivación por un fallo del aislamiento de partes en tensión), y también para proteger a l apropia instalación contra los incendios que podrían provocar estas derivaciones.
  • Varistores. Son dispositivos de protección contra sobretensiones (tensiones más elevadas de los niveles normales que ocurren durante un cierto tiempo), por lo que también se les llama limitadores o descargadores de sobretensiones
  • Puesta a tierra. Dota de seguridad a las personas y a los equipos derivando a tierra la corriente de defecto que se pueda generar debido a fallos de aislamiento, averías, etc. Se conectan a tierra las estructuras de los módulos, carcasas de los cuadros eléctricos, etc. 
  1. Cableado 

El cableado que se utiliza en circuitos de corriente continua suele tener doble aislamiento y su sección es superior a la del cableado convencional de las instalaciones de corriente alterna, debido a que las tensiones empleadas son bajas (12V o 24V por ejemplo), pero transportan potencias considerables, por lo que la intensidad que circula por ellos es elevada si se compara con la que circula por los cables de 230 V de corriente alterna. 

En cuanto al cableado de corriente alterna, es el habitual que puede encontrarse en cualquier tipo de instalación eléctrica. Cuanto mayor sea la potencia de los consumos a alimentar, mayor deberá ser su sección. 

  1. Equipos propios de una instalación fotovoltaica conectada a red 

Describimos a continuación otros equipos menos comunes que pueden encontrarse en algunas instalaciones aisladas: 

  • Sistemas de control. Miden los datos más relevantes de la instalación y suelen incluir alarmas por alta o baja tensión
  • Sistemas de medida. Contador de energía que normalmente se coloca antes de los consumos para registrar la energía eléctrica que se está consumiendo.
  • Temporizadores. Empleados en situaciones donde se necesita realizar una serie de conexiones y desconexiones con un tiempo prefijado
  • Sistemas de energía auxiliar. En instalaciones aisladas donde no existe la posibilidad de consumir energía de la red eléctrica, puede resultar interesante dotar a la instalación de un sistema de respaldo con el objetivo de garantizar el suministro eléctrico de los consumos. Los dos sistemas de energía auxiliar más empleados son el grupo electrógeno que suele funcionar con gasóleo y el aerogenerador. 
  1. Estructuras y soportes 

Las estructuras y soportes son dispositivos que permiten colocar las placas solares en las cubiertas (tejados) para asegurar la instalación y poder sacar su máximo rendimiento obteniendo la inclinación adecuada para cada latitud. Normalmente son instalaciones fijas y están fabricadas con materiales muy resistentes para soportar el desgaste de las condiciones climatológicas adversas (lluvias, nieve, fuerte vientos, etc.). 

En almerichestudio contamos con experiencia tanto en el diseño como en la ejecución de proyectos de energía solar fotovoltaica. Contacta con nosotros y te asesoraremos gratuitamente

Bibliografía: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas. Julián Cantos Serrano.2016.

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