Energía solar fotovoltaica para todos

CAPÍTULO 2. Componentes de las instalaciones solares fotovoltaicas

• 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.

2.8. Instalaciones formadas con distintas configuraciones de los componentes

2.8.1. Instalación aislada con regulador de carga e inversor

El regulador de carga gestiona la carga de la batería y el inversor convierte la corriente continua de las baterías en corriente alterna de 230 V.

2.8.2. Instalación aislada con inversor y regulador de carga con salida de CC

En este caso, se emplea un regulador que incorpora una salida de CC para alimentar aparatos en corriente continua.

El inversor convierte la corriente continua de las baterías en corriente alterna de 230 V para electrodomésticos convencionales.

2.8.3. Instalación aislada con inversor cargador

El inversor cargador cumple una doble función: gestiona la carga de la batería y convierte la corriente continua en corriente alterna de 230 V.

2.8.4. Instalación conectada a red

El inversor de conexión a red combina la energía solar generada con la energía convencional de la red de suministro.

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 para alimentar los aparatos de la instalación.

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

En estas instalaciones, el inversor de conexión a red también se conoce como «inversor híbrido», y resulta conveniente que admita una elevada tensión de corriente continua desde los paneles solares (PV input voltage). De esta forma, la intensidad será menor y, por tanto, los cables podrán ser de menor sección y conllevarán menores pérdidas.

Si se prevé una ampliación de la potencia demandada, el inversor puede ser paralelizable para que permita la conexión en paralelo con otro inversor.

La potencia total de los paneles solares, su intensidad total y la tensión de cada fila de paneles deben permanecer dentro de los límites de las características del inversor.

Algunos inversores híbridos pueden conectar varias alternativas a la energía generada por los paneles solares. De esta forma, cuando es de noche o no hay suficiente luz solar, los electrodomésticos de corriente alterna pueden funcionar a partir de la energía obtenida de la red, o a partir de la energía suministrada por un generador o por un banco de baterías.