Instalaciones Fotovoltaicas: Componentes, Funcionamiento y Mantenimiento

Producción y Mantenimiento en Instalaciones Fotovoltaicas

Una producción insuficiente puede deberse a un número elevado de desconexiones de la red por distorsiones en la propia red de suministro, o a problemas en la instalación fotovoltaica. Puede ocurrir que la generación eléctrica instantánea sea menor de lo esperado para el nivel de radiación existente, sin que se detecten cortes de suministro. En este caso, las causas de este mal funcionamiento, que puede empeorar con el tiempo, son variadas:

Selección inadecuada del inversor en relación con el generador fotovoltaico.
Dimensionado insuficiente de los cables, registrándose caídas de tensión excesivas.
Defectos en la conexión de un determinado número de ramas del generador.
Orientación inadecuada de parte o todo el generador.
Sombreado mayor de lo previsto, por un estudio inicial incorrecto, por árboles, por nuevas construcciones, etc.
Reducción de la eficiencia del inversor, por calentamiento o inversor defectuoso de fábrica.
Potencia real de módulos por debajo de lo especificado, ya tratado en la sección correspondiente.
Suciedad.

Una generación nula puede deberse a diversos motivos, que se pueden tratar de localizar en función de los valores de determinados parámetros:

Tensión nula en la línea principal de continua de entrada del inversor (desconexión completa en la línea de generación): puede deberse a la desconexión del interruptor principal, a los fusibles, a una derivación a tierra por sobretensión, a rotura o mala conexión de los cables o al cortocircuito del generador en la caja de conexiones.
Existe tensión en la línea de continua de entrada al inversor, pero no en la salida: puede deberse a un fallo del inversor, a un corte de corriente en la red eléctrica, a desconexión en los fusibles, en el diferencial o en el limitador de corriente; también por las condiciones de red inadecuadas (tensión de red elevada, perturbaciones, deformación de la onda respecto a sinusoidal, variaciones de frecuencia).

Acciones de Mantenimiento de una Instalación Autónoma

Los sistemas fotovoltaicos autónomos requieren poco mantenimiento. Sin embargo, algunas de las tareas pueden llegar a ser críticas si no se realizan. A continuación, se indican las principales labores que se deben realizar como mantenimiento preventivo normal:

Limpieza de paneles fotovoltaicos (inspección visual).
Comprobación de conexiones eléctricas.
Comprobación del nivel de líquido de baterías (inspección visual).
Comprobación del funcionamiento de regulador e inversor (inspección visual, multímetro).
Comprobación del funcionamiento de equipos de consumo (inspección visual, multímetro).

Un mantenimiento más avanzado puede incluir también la medida de la densidad de cada vaso de la batería y la verificación de los umbrales de actuación del controlador de carga y del inversor.

La Célula Solar: Curva I-V

Al conectar una célula solar iluminada a una carga eléctrica externa, se produce una diferencia de voltaje (∆V) en los extremos de la carga, circulando corriente por ella. Esta corriente circulante es la resultante de dos efectos opuestos: generación y recombinación. La corriente de iluminación, I_L, se debe a la generación de portadores, que será proporcional a la radiación solar que incide sobre la célula. Por el contrario, el efecto de recombinación debido al voltaje externo se conoce como corriente de oscuridad, I_D, con la característica de un diodo. La combinación de ambos factores opuestos da lugar a la curva I-V que define los posibles puntos de operación de una célula solar iluminada y conectada a una carga externa. Los valores más representativos de esta curva característica I-V son los siguientes:

Corriente de cortocircuito, I_sc: es el máximo valor de corriente que circula por una célula solar. Se produce cuando la célula está cortocircuitada (V=0).
Tensión de circuito abierto, V_oc: es el valor máximo de tensión entre terminales de la célula. Se produce cuando la célula no se encuentra conectada a ninguna carga (I=0).
Punto de máxima potencia, (I_PMP, V_PMP): es el par de valores de tensión y corriente para el que la célula solar entrega la máxima potencia posible. Se sitúa en el entorno del codo de la curva I-V.
Factor de forma o factor de llenado, FF: es un parámetro que sirve para cuantificar la forma de la curva característica I-V de una célula y, de ahí, su calidad. Toma valores entre 0,7 y 0,8, a través de la siguiente expresión: FF=I_PMP* V_PMP/ I_sc* V_oc.
Eficiencia de conversión energética o rendimiento, η: es el cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede extraer de la célula y la potencia de la radiación incidente sobre ella: η = I_PMP* V_PMP/P_L.

Los parámetros anteriores dependen de las condiciones externas, tanto de iluminación como de temperatura, fundamentalmente. Así pues, para poder normalizar la caracterización de células se establecen unas condiciones estándar de medida (CEM).

Pasos para el Montaje de una Instalación Fotovoltaica

Obra civil: acondicionamiento del terreno, debe ser relativamente plano, sin obstáculos que produzcan sombras.
Cimentación y anclaje de estructuras, dependiendo del tamaño del generador fotovoltaico, del tipo de estructura y del terreno. En instalaciones en cubierta se realiza el anclaje directamente sobre ésta, siguiendo la normativa de edificación correspondiente.
Fijación de los módulos fotovoltaicos, de acuerdo con el diseño de la planta, de forma que se facilite la conexión serie-paralelo prevista.
Cableado DC entre módulos y de éstos a caja de conexión del generador.
Cableado DC de la caja de conexión al inversor, con el interruptor principal de corriente continua en serie.
Montaje y conexión del inversor, en la sección de continua y de alterna.
Cableado en AC.
Puesta a tierra, de acuerdo a lo indicado en el Real Decreto 1663/2000.

Diagrama de un Sistema Fotovoltaico de 100kW hasta Evacuación en Media Tensión

Cada sistema de 100 kW se compone de los siguientes elementos:

Módulos fotovoltaicos instalados sobre estructura fija a inclinación de 30º.
Cajas de continua para agrupar las entradas de los diversos módulos con objeto de limitar el número de señales que entran al inversor.
Inversor de conexión a red de 100 kW, encargado de transformar la corriente continua que generan los módulos fotovoltaicos a energía alterna trifásica de 420 V.
Cuadro de baja tensión para protección y medida. En dicho cuadro se incluyen todas las protecciones de baja tensión necesarias (interruptor automático, protección diferencial, protección de medida…), así como los elementos necesarios para realizar la medida eléctrica de cada sistema (transformadores de intensidad, regleta de verificación y contador de energía).
Transformador trifásico de distribución. Este elemento es el encargado de transformar la energía de baja a media tensión (420 V / 20 kV). Se dispone uno por cada inversor.
Cuadro de protección en media tensión. Necesario para la protección del transformador, así como para la distribución de la energía en media tensión.

DIAGRAMA: Generador fotovoltaico a la Caja de conexionado DC que va al inversor fotovoltaico de 100kW (la caja y el inversor están en un cuadro que pone módulo inversor de 100 kW), del inversor pasamos al cuadro de caja de baja tensión (protección y medida) de ahí a un transformador de 420 V/ 20 kV y de ahí a un cuadro de media tensión, de donde sale una flecha grande que pone M.T, estos 3 están en un cuadro que lleva el nombre de centro de transformación a 100 kVA.

Parámetros que Afectan a la Célula Fotovoltaica

La influencia de la temperatura de la célula implica principalmente una reducción de la tensión de circuito abierto. Se produce un desplazamiento de la curva I-V hacia la izquierda con el aumento de la temperatura de la célula. La corriente de cortocircuito aumenta muy ligeramente con la temperatura, si bien, en el rango de variación habitual, a efectos prácticos puede considerarse constante. Se puede deducir que el rendimiento de las células solares se reduce entre 0,035-0,05%/ºC, en células de silicio. En cuanto a la influencia de la variación de la irradiancia solar incidente, se puede considerar que la corriente generada es proporcional a la iluminación recibida y que no existen diferencias apreciables sobre la tensión. En realidad, los efectos se producen indirectamente a través del calentamiento de la célula antes considerado.

Tipos de Células Solares

Las células de silicio monocristalino presentan un único frente de cristalización, con rendimientos alrededor del 20%. Una célula típica de 125×125 mm² ofrece una corriente de cortocircuito por encima de los 5 A y un voltaje en circuito abierto sobre los 0,6 V. Así, la potencia máxima de una célula de estas características ronda los 2,5 W. En el caso del silicio policristalino, el crecimiento de los cristales se realiza en varios frentes, con una mayor heterogeneidad. Así, son procesos más rápidos con eficiencias de célula algo menores. Las tecnologías de capa delgada aún permiten un menor gasto de materia prima (grosores de pocas micras), si bien todavía sus eficiencias son bajas y su producción bastante más reducida.

Ventajas e Inconvenientes de la Energía Fotovoltaica

Ventajas:

Emplea un recurso energético universal, de libre disposición e inagotable.
La transformación fotovoltaica es no contaminante, no generadora de residuos, no consumidora de agua.
Permite la generación eléctrica próxima al consumo, con la reducción de las pérdidas y el coste de las líneas de transporte. Esta es una de las características más ventajosas de la tecnología solar fotovoltaica frente a otras.
Es modular, permite un amplio rango de potencias, apta para una gran variedad de aplicaciones y lugares, incluidas zonas de difícil acceso y escasa concentración de población, donde otras tecnologías no tienen opción.
Su proceso completo, desde la fabricación hasta la instalación y el mantenimiento puede implicar niveles de cualificación profesional muy diferentes y participación tanto de empresas multinacionales con elevados niveles tecnológicos hasta técnicos locales de cualificación media.

Inconvenientes:

La radiación solar es una fuente variable y aleatoria, por tanto, de difícil predicción. Asimismo, es una fuente intermitente, lo que obliga a la inclusión de fuentes generadoras de apoyo o sistemas de almacenamiento. No existe todavía un desarrollo adecuado en predicción de radiación solar, lo que sería útil en la gestión de la red eléctrica si la potencia fotovoltaica instalada siguiera aumentando.
Actualmente la tecnología fotovoltaica es una tecnología cara, relativamente sofisticada, que requiere una elevada inversión inicial, con una producción de células solares concentrada en un número reducido de países, todo esto se compensa ya que los equipos fotovoltaicos tienen unos tiempos de vida largos (25, 30 años) y no requieren de ningún suministro de combustible. El actual incremento de producción debe llevar a una reducción de precios importante en los próximos años.

Aplicaciones Fotovoltaicas

AISLADAS A RED: Están las aplicaciones espaciales en un grupo y en otro las telecomunicaciones, señalización, alumbrado, otras aplicaciones profesionales, bombeo de agua y electrificación rural. Son instalaciones autónomas donde la generación eléctrica se dedica al propio autoconsumo del lugar. Debido a la intermitencia del recurso solar, se necesita un sistema de almacenamiento que recoja la energía eléctrica generada en los momentos de incidencia de radiación, para su uso posterior en momentos de baja o nula radiación solar. En las células solares, en las aplicaciones espaciales se emplean materiales más avanzados, como GaAs. CONEXIÓN A RED: Son las centrales fotovoltaicas, las huertas solares, los edificios fotovoltaicos y otras instalaciones. En ellas se genera electricidad durante las horas de sol (luz) y se inyecta directamente en la red, sin necesidad de almacenamiento e independientemente del consumo.

Capacidad y Descarga de una Batería

«Capacidad nominal», C_B,NOM: energía máxima almacenable en su interior, se expresa habitualmente en unidades de amperios-hora. Para que el dato de capacidad nominal de una batería esté realmente completo es necesario indicar en qué condiciones se ha obtenido dicha energía, es decir, a qué corriente de descarga, o más comúnmente, en cuántas horas. Es el denominado «régimen de descarga». La capacidad nominal debe confirmarse con la capacidad real, C_B, la energía total que realmente puede almacenar la batería.