Energía solar fotovoltaica para todos

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA TODOS

Pedro Francisco García Martín

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Código: SOLAR2

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA TODOS

Pedro Francisco García Martín

Energía solar fotovoltaica para todos

Primera edición, 2021

© 2021 Pedro Francisco García Martín

© 2021 MARCOMBO, S.L.

www.marcombo.com

Diseño de la cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICO

Corrección: Mónica Muñoz y Anna Alberola

Directora de producción: M.^a Rosa Castillo

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra.

ISBN: 978-84-267-3295-8

Producción del ePub: booqlab

A mi esposa y a mis hijos, quienes con su apoyo y comprensión han sido fundamentales para escribir este libro.

Índice

En este libro encontraremos

Introducción

CAPÍTULO 1. Tipos de instalaciones solares fotovoltaicas

CAPÍTULO 2. Componentes de las instalaciones solares fotovoltaicas

CAPÍTULO 3. App Android SOLARPE PRO

CAPÍTULO 4. Orientación óptima de los paneles

CAPÍTULO 5. Inclinación óptima de los paneles

CAPÍTULO 6. Altura solar máxima

CAPÍTULO 7. Distancia entre filas de paneles en horizontal

CAPÍTULO 8. Distancia entre filas de paneles en cubierta inclinada

CAPÍTULO 9. Diseño de instalación solar autónoma

CAPÍTULO 10. Diseño de instalación solar conectada a red

En este libro encontraremos

A lo largo del libro se utilizan los siguientes iconos para indicar los tipos de actividades:

OBJETIVOS: al comienzo de cada capítulo, podemos ver los objetivos que alcanzaremos en su desarrollo.

CASO PRÁCTICO: la mejor forma de aprender es mediante la práctica. Presentamos 49 casos prácticos que van desde planteamientos sencillos hasta instalaciones complejas, y que están basados en las especificaciones de equipamientos reales.

Explicación detallada y paso a paso de la resolución del caso práctico planteado.

REGLA IMPRESCINDIBLE: conceptos fundamentales e importantes a tener en cuenta durante el diseño o la instalación de los sistemas de energía solar fotovoltaica.

CASO PRÁCTICO RESUELTO CON SOLARPE PRO: de manera sencilla y rápida, podemos resolver el caso práctico planteado utilizando la aplicación Android SOLARPE PRO.

Introducción

Una instalación solar fotovoltaica produce energía eléctrica a partir de la luz solar.

Los componentes más importantes de estas instalaciones son los paneles solares fotovoltaicos, que están formados por placas semiconductoras que producen una corriente eléctrica al recibir los fotones de la luz.

Los paneles solares para energía fotovoltaica han rebajado su precio un 80 % en los últimos cinco años, y los Gobiernos de los diferentes países apoyan e incentivan el desarrollo de las energías renovables, por lo que el crecimiento de las instalaciones fotovoltaicas va a ser imparable.

Además, la energía fotovoltaica no agota recursos naturales, puede crear empleo y contribuye a reducir las emisiones de gases con efecto invernadero (que son una de las principales causas del cambio climático).

En los países en vías de desarrollo (que, en algunos casos, tienen muchas horas diarias de radiación solar), la energía fotovoltaica puede constituir una importante oportunidad para el crecimiento económico.

Mediante la energía solar fotovoltaica, la electricidad resulta accesible para todos; pero es necesario seleccionar correctamente los elementos que forman parte de la instalación para un funcionamiento óptimo y eficiente.

Este libro se acompaña de SOLARPE PRO, una app Android que facilita el diseño y la instalación de sistemas de energía solar fotovoltaica. También se incluyen 49 casos prácticos resueltos con ejemplos de instalaciones.

En sus versiones anteriores, SOLARPE PRO ha sido reconocida por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) como la aplicación más innovadora, en junio de 2016. También ha sido galardonada con el premio SIMO Educación 2016 y con el premio Francisco Giner de los Ríos en 2018.

La versión actual de SOLARPE PRO, incluida en este libro, incorpora nuevas funciones que la convierten en una herramienta definitiva para el diseño y la puesta en práctica de instalaciones fotovoltaicas.

La energía solar va a experimentar un importante desarrollo en los próximos años. Mediante este libro y su app SOLARPE PRO, las instalaciones fotovoltaicas se encontrarán al alcance de todos.

CAPÍTULO 1. Tipos de instalaciones solares fotovoltaicas

OBJETIVOS:

• Conocer los tipos fundamentales de instalaciones solares fotovoltaicas.

• Aprender las características y el esquema básico de estas instalaciones.

Las instalaciones de energía solar fotovoltaica pueden ser, fundamentalmente, de dos tipos:

- INSTALACIONES AISLADAS. También se conocen como OFF GRID. Se prescinde completamente de la red de suministro eléctrico. Son adecuadas para lugares aislados a los que no llegan las compañías eléctricas.

Para tener electricidad en ausencia de luz solar, deben incorporar baterías.

- INSTALACIONES CONECTADAS A RED. También se conocen como ON GRID.

No son necesarias baterías porque, cuando no hay sol, se toma la energía eléctrica de la red de suministro.

Se puede vender a la red el excedente de energía generada.

CAPÍTULO 2. Componentes de las instalaciones solares fotovoltaicas

OBJETIVOS:

• Estudiar los componentes más importantes de las instalaciones solares fotovoltaicas.

• Diferenciar los tipos de paneles solares.

• Conocer los tipos de reguladores de carga.

• Aprender las diferentes tecnologías que existen actualmente en las baterías.

• Estudiar los tipos de inversor y sus aplicaciones más adecuadas.

• Saber qué protecciones específicas emplear en las instalaciones solares fotovoltaicas.

• Analizar los esquemas de los principales tipos de instalaciones fotovoltaicas, distinguiendo sus componentes y comprendiendo su funcionamiento.

2.1. Paneles solares

A partir de la luz solar, se produce energía eléctrica en forma de corriente continua, con polaridad positiva y negativa.

2.1.1. Monocristalinos

Son los más caros y difíciles de fabricar, pero consiguen eficiencias de hasta el 22 %. Presentan un color azul homogéneo.

2.1.2. Policristalinos

Son más baratos y fáciles de fabricar. Consiguen eficiencias en torno al 16 %. Con temperaturas elevadas, la pérdida de eficiencia en módulos policristalinos, en general, resulta menor que en paneles monocristalinos. En su superficie se distinguen diferentes estructuras cristalinas, con distintos tonos de azul.

2.1.3. De silicio amorfo

Son los más baratos, pero su eficiencia no pasa del 10 %. Estos paneles tienen un tono marrón homogéneo y no están formados por la unión de células individuales, como los paneles monocristralinos o policristalinos, sino que consisten en una lámina continua que se extiende por toda la superficie del panel.

2.2. Regulador de carga

Controla la carga de las baterías. Son necesarios en las instalaciones aisladas. Principalmente, hay dos tipos: PWM y MPPT.

2.2.1. PWM

Son más económicos y se pueden utilizar cuando la tensión generada por los paneles solares se halla ligeramente por encima de la tensión del banco de baterías. PWM son las siglas en inglés de «modulación de ancho de pulso». En estos reguladores, se realiza una conexión directa entre los paneles solares y el banco de baterías. Durante su carga, el voltaje de la matriz de paneles se reduce para adaptarse a la tensión de las baterías. A medida que estas se cargan, su tensión se incrementa, y el regulador aumenta también el voltaje de la matriz de paneles.

2.2.2. MPPT

Son más caros, pero mucho más eficientes, porque buscan el punto de máxima potencia de la energía eléctrica generada, optimizando así la carga de las baterías. También presentan otras ventajas, como la posibilidad de que los paneles solares produzcan una tensión muy superior a la del banco de baterías. En estos reguladores, se reduce la tensión de la matriz de paneles para adaptarse al voltaje de baterías; pero, al mismo tiempo, se aumenta la intensidad, por lo que se utiliza toda la potencia entregada por los paneles.

Al regulador de carga se deben conectar, en primer lugar, las baterías y, después, los paneles fotovoltaicos.

2.3. Baterías

Almacenan la energía eléctrica generada por los paneles solares y se cargan por medio del regulador de carga. Son necesarias en las instalaciones aisladas.

Para energía solar fotovoltaica, las baterías deben admitir descargas profundas, en torno al 60 %.

Algunas baterías pueden producir emanaciones de gases y deben ser instaladas en lugares ventilados y con adecuada señalización.

A continuación, veremos las diferentes tecnologías que existen dentro de las baterías.

2.3.1. De plomo ácido abierto

Es una tecnología utilizada durante décadas en sistemas aislados de energía solar fotovoltaica. Son más económicas, pero ocupan mucho espacio y desprenden gases, por lo que deben almacenarse en un recinto específico, bien ventilado y señalizado. Requieren mantenimiento cada dos-cuatro semanas, con la reposición de agua destilada, y siempre se ha de evitar que las placas de plomo del interior de los vasos queden al descubierto. Presentan una profundidad de descarga en torno al 60 % y, en comparación con otros tipos de baterías, ofrecen una reducida cantidad de ciclos de vida.

2.3.2. AGM

El electrolito líquido se encuentra absorbido en una sustancia esponjosa, por lo que no tienen escapes; tampoco es necesario mantenimiento, porque emplean una reacción química de recombinación que mantiene estable el nivel de líquido. Tienen una profundidad de descarga en torno al 60 % y, en comparación con otros tipos de baterías, ofrecen una reducida cantidad de ciclos de vida.

2.3.3. De gel

Llevan electrolito en forma de gel. No necesitan mantenimiento y presentan más ciclos de vida que las dos tecnologías anteriores, por lo que su durabilidad es mayor. Además, poseen baja autodescarga, su rendimiento se mantiene estable durante su vida útil y soportan bien el calor.

2.3.4. De litio

Cuentan con menor peso y volumen que todas las anteriores. No necesitan ningún mantenimiento y su profundidad de descarga puede llegar al 90 %. Ofrecen aproximadamente el triple de ciclos de vida con relación a las baterías de plomo ácido abierto, aunque pueden ser un 50 % más caras.

2.4. Inversor

Transforma la CC almacenada en las baterías en corriente alterna de 230 V, con la que pueden funcionar aparatos eléctricos y electrodomésticos convencionales.

Fundamentalmente, existen inversores de dos tipos: de onda modificada y de onda pura.

2.4.1. De onda modificada

Su corriente eléctrica de salida no es exactamente igual a la corriente convencional. Resultan más baratos, pero pueden dar problemas en el funcionamiento de aparatos electrónicos.

2.4.2. De onda pura

Son más caros, pero su corriente de salida se corresponde perfectamente con una corriente convencional. Se pueden utilizar en todo tipo de aparatos.

2.5. Inversor cargador

Reúne las funciones del regulador de carga y del inversor.

Gestiona la carga de las baterías y, al mismo tiempo, convierte la corriente continua almacenada en corriente alterna de 230 V.

2.6. Inversor de conexión a red

Tiene una entrada para la energía generada por los paneles solares y otra entrada para la red de suministro eléctrico.

Cuando es de día, los aparatos eléctricos se alimentan con la energía generada por los paneles solares.

Cuando no hay sol, se toma la energía de la red de suministro para alimentar los aparatos de la instalación.

En algunos casos, permite que el excedente de energía solar generada se venda a la red.

2.7. Protecciones

En las instalaciones solares fotovoltaicas, hay que proteger el cableado entre los paneles y el regulador. Podemos emplear fusibles o interruptores automáticos.

Los fusibles deben ser de corriente continua (indicado con DC) y, preferentemente, para energía solar fotovoltaica (indicado con PV).

Podemos ver, en la siguiente imagen, un portafusible con su correspondiente fusible para energía fotovoltaica.

También podemos emplear interruptores automáticos magnetotérmicos, pero deben ser de corriente continua (marcados con DC) y hay que respetar la polaridad de las conexiones.

La instalación solar también ha de protegerse con dispositivos contra sobretensiones transitorias, que pueden producirse en caso de impacto de rayos. Estos dispositivos enviarán a tierra el exceso de tensión.

También resulta conveniente proteger el tramo de baterías-inversor y los circuitos de consumo en corriente alterna y en corriente continua.

Con los elementos descritos, se podrían formar las configuraciones expuestas a continuación.