Sistemas Solares Fotovoltaicos Conectados o de Conexión a Red Pública

En resumen, un sistemas solar fotovoltaico conectado a red o de tipo de conexión de red funciona de la siguiente manera: por medio de uno o varios paneles solares fotovoltaicos se genera electricidad en corriente continua, ésta energía se transforma por medio de uno o varios inversores para conexión de red en corriente alterna y se inyecta en paralelo con la red pública la generación lograda. Los sistemas solares fotovoltaicos conectados a red permiten a los usuarios cogenerar electricidad o inyectar en paralelo la energía, ya sea para autoconsumo o para el despacho al sistema interconectado.

El concepto de los sistemas solares fotovoltaicos conectados a red es compatible con un amplio margen de aplicaciones, las cuales pueden ir desde centrales de centenares de megavatios hasta pequeños sistemas de unos cuantos kilovatios. Renovaenergia se enfoca en el diseño, desarrollo de la ingeniería, provisión de equipos, instalación y puesta en marcha de sistemas pequeños y medianos, tales como los que pueden incorporarse en una vivienda, un comercio o una industria, principalmente utilizando las cubiertas existentes. El carácter intrínsecamente modular de la tecnología fotovoltaica permite, al contrario que en la mayoría de las fuentes de energía convencionales, un costo unitario relativamente independiente del tamaño de la instalación; por ello los pequeños sistemas presentan un gran interés (producción de energía descentralizada u autosuficiencia del usuario o consumidor).

En términos generales, los generadores fotovoltaicos distribuidos conectados a la red pueden aportar importantes beneficios a los sistemas de distribución, dependiendo de las características y condiciones operativas de red de distribución, así́ como de la localización de éstos dentro de la misma. Los beneficios potenciales más importantes son:

• Modulación de picos de demanda cuando existe cierto grado de coincidencia entre el perfil de generación fotovoltaica y el perfil de consumo del inmueble o alimentador.
• Alivio térmico a equipos de distribución, lo que implica también la posibilidad de postergar inversiones de capital para incrementar su capacidad o reemplazo.
• Disminución de perdidas por transmisión y distribución.
• Soporte de voltaje en alimentadores de distribución.
• Compensación de potencia reactiva en el alimentador.

Características de un sistema fotovoltaico conectado a red

Las principales componentes de un sistema fotovoltaico conectado a la red son: el arreglo fotovoltaico, que es el elemento encargado de transformar la radiación del sol en electricidad; y un elemento acondicionador de la potencia producida, un inversor de corriente continua a corriente alterna, cuya función es adecuar la energía generada por el arreglo a las características eléctricas que la red a la cual se conectará demanda.

Un arreglo fotovoltaico está constituido por un determinado número de módulos o paneles solares fotovoltaicos. El número de unidades dependerá de la potencia nominal requerida en el arreglo y de la potencia pico de los módulos seleccionados. El voltaje de salida del arreglo, que corresponde al voltaje de operación del inversor, se obtiene mediante la conexión en serie de un número determinado de paneles solares fotovoltaicos; y la potencia, a través de la conexión paralelo de dichas series. La potencia nominal de los módulos o paneles solares fotovoltaicos, normalmente está entre los 200 y 450 Wp. El material comúnmente usado en la fabricación de los módulos o paneles fotovoltaicos es el silicio; la eficiencia típica de estos módulos en condiciones estándar de irradiancia y temperatura (i.e., 1,000W/m2, 25°C, AM1.5) se encuentra entre 14 y 22% para silicio monocristalino y silicio policristalino; y entre 5 y 7 % para los de silicio amorfo.

El acondicionamiento de la potencia eléctrica generada por el arreglo fotovoltaico, indispensable para la conexión de éste a la red eléctrica convencional, se realiza mediante uno o varios inversores de tipo conexión de red, que convierte la corriente directa producida por el generador fotovoltaico a corriente alterna, en fase y a la frecuencia de la red para una conexión segura y confiable al sistema interconectado. La eficiencia de los inversores es generalmente mayor a 90% cuando éstos operan arriba del 10% de su potencia nominal.

Para extraer siempre la máxima potencia disponible en el arreglo fotovoltaico, el inversor incorpora entre sus funciones uno o varios elementos de control que sigue permanentemente el punto de máxima potencia del arreglo (MPPT, por sus siglas en inglés) mediante un ajuste continuo de la impedancia de la carga.

En relación con los aspectos de seguridad y de calidad de la energía producida, las compañías suministradoras del servicio eléctrico requieren de los fabricantes y usuarios de estos equipos el cumplimiento de normas y disposiciones aplicables que garanticen que la instalación y operación del inversor, y del sistema fotovoltaico en su conjunto, sea segura y no afecte adversamente la calidad de la energía.

Diseño de sistemas solares fotovoltaicos conectados a la red

Los datos de radiación solar utilizados para el cálculo de la energía que generará la instalación solar fotovoltaica conectada red, será obtenida del programa informático Meteonorm. El programa genera un fichero donde se especifica los valores mensuales de radiación horizontal, inclinada, y temperatura ambiente entre otros. Partiendo de los valores de radiación inclinada y temperatura ambiente se genera otra columna con los datos de temperatura del módulo o panel solar fotovoltaico, para cada valor de irradiación y temperatura y, con éstos, utilizando la ecuación simplificada, se calcula los valores de potencia del módulo para cada dato de los valores horarios. A partir de los datos horarios se pueden obtener los mensuales o globales.

La expresión de la ecuación simplificada es la siguiente:

Donde:

• Pm es la potencia máxima del generador en las condiciones deseadas de irradiancia G y temperatura de la célula Tc.
• Pm,ref es la potencia máxima del generador en las condiciones de referencia (condiciones estándar de medida u otras condiciones en las que se conozca la potencia).
• Gref es la irradiancia en las condiciones de referencia.
• ref es la temperatura de la célula en las condiciones de referencia.
• γ es el coeficiente de variación del punto de máxima potencia con la temperatura.

Mientras que la temperatura de la célula a partir de la temperatura ambiente la obtenemos mediante la siguiente expresión:

Donde:

• Tc es la temperatura de célula.
• Ta es la temperatura ambiente.
• TONC es la Temperatura de Operación Nominal del módulo fotovoltaico.
• G es la irradiación.

Se deben considerar las siguientes perdidas en la instalación:

• Pérdidas angulares
• Cableado: Estas perdidas suelen ser muy pequeñas si el cableado esta correctamente dimensionado.
• Mismatch: Estas pérdidas suelen asumirse en un 3%.
• No seguimiento del PMP
• Diferencias con la Pn: El rango puede oscilar entre el + – 3% al + – 10%. Consideraremos que las diferencias de Pn van a ser por debajo de la suministrada, considerando así́ un 3% de perdidas.
• Suciedad: Este valor suele oscilar entre 2-7%.

Así, se determina la energía producida por la instalación teniendo en cuenta las anteriores pérdidas.

La productividad final o Final Yield YF, se define como la energía anual producida por el sistema en un cierto periodo de tiempo, por unidad de potencia instalada, expresada en kWh/kWp.

Dimensionamiento del inversor

Para dimensionar el inversor se parte de la potencia del generador y después se obtiene el factor de dimensionado FS.

Dimensionamiento del generador

El dimensionamiento parte de analizar la superficie necesaria y la superficie hábil para el fin.

Primeramente se realiza una primera estimación del número de módulos necesarios:

Número máximo de módulos conectados en serie, en función de la tensión máxima a la entrada del inversor y la tensión máxima posible generada por los módulos en OC a -10oC:

Número mínimo de módulos a conectar en serie en función de la tensión mínima a la que el inversor puede buscar el PMP y la mínima tensión del generador en el PMP, que se da a 70oC.

En función de la intensidad, el número máximo de módulos en paralelo será:

Los diseños de un sistema solar fotovoltaico conectado a red, pueden resultar simples, pero la determinación de la energía anual que un sistema solar fotovoltaico conectado a red estimado puede entregar, en función de los parámetros obtenidos puede resultar más complejo, por lo que se utiliza algunas herramientas software que nos ayudan a generar simulaciones muy exactas.

Actualidad y viabilidad

Los sistemas solares conectados a red, actualmente al alcanzado una rentabilidad para la mayoría de las aplicaciones. Los costos de sus componentes han bajado en los últimos años, lo que permite obtener retornos de la inversión menores a 2 años para lugares con costos de electricidad superiores a 20 ctvos de dólar. Y en megaproyectos de subastas de energía, se ha llegado a ofertar costos por debajo de los 4 ctvos de dólar.

En el Ecuador, este tipo de sistemas ya son rentables y tienen retornos que oscilan entre los 1,5 años hasta los 7 años, dependiendo el tipo de tarifa del cliente.

Para poder determinar la viabilidad de la implementación de un sistema solar conectado a la red, RENOVAENERGIA, ha desarrollado una herramienta en una hoja de cálculo, que le permite al usuario determinar el tamaño del sistema solar conectado a la red ideal, así como el costo estimado del mismo y el tiempo de retorno de la inversión, comparando la energía que se dejará de consumir de la red eléctrica por la tarifa que debía haber pagado por ese número de kWh autogenerados.