Las instalaciones solares fotovoltaicas aisladas tienen el objetivo de dar servicio eléctrico a cualquier consumidor que se encuentre fuera de la red eléctrica pública de distribución. Nos podemos encontrar aquí desde una cabaña que solamente tiene una bombilla, hasta una granja con un gran consumo eléctrico.
Aprende a conocer y analizar el consumo previsto
La forma de funcionar es, aprovechando el recurso renovable del sol, que por una parte es infinito y gratuito, y por otra parte es inestable y no garantiza el suministro, además de aportar energía solo en unas horas al día. Por lo tanto, para tener un suministro eléctrico en estas condiciones aisladas que sea ininterrumpido, lo más importante es hacer una buena planificación y selección del material que se va a instalar. Hay que tener claro que el material a instalar en una instalación fotovoltaica aislada no es el que uno quiera, sino el que se necesite.
¿De qué elementos consta una instalación fotovoltaica aislada?
Además de contar con recursos energéticos renovables y gratuitos como sol y viento, para tener un suministro totalmente garantizado, debemos complementar nuestra instalación con un generador eléctrico auxiliar que funcione con energías fósiles como Diesel o Gasolina. Hoy en día no tenemos mejor opción.
No vamos a hablar de marcas concretas. Sino de equipos con características técnicas determinadas para que sea aplicable a cualquier caso. Es fundamental contar siempre con una empresa de energía solar con gran experiencia y que brinde el mejor asesoramiento posible. Por eso, contar con Varitech es una gran opción porque #somosingenieria. Hay muchas tiendas online que venden kits solares, y nos garantizan una serie de kWh. ¿Pero, eso es realmente lo que necesito? Hay detalles que seguro estaremos pasando por alto.
Los equipos que debemos seleccionar son:
-Paneles solares
-Aerogenerador
-Reguladores de carga
-Inversor
-Baterías
-Generador
-Estructura
-Cableado
Calcular los paneles
Actualmente, contamos con dos tipos de paneles solares:
Los clásicos de 12 o 24V (por su idoneidad para cargar baterías de 12 o 24V) o los monocristalinos de alta potencia. El uso de los primeros se basa en que, al contar con 36 o 60 células respectivamente el voltaje de los mismos es más o menos parecido a las baterías de 12V o 24V. Su uso está muy extendido en las campers o en microinstalaciones.
Nosotros no recomendamos este tipo de panel ya que está pensado para cargar baterías con unos reguladores muy poco eficientes que veremos más adelante y se llaman PWM.
Los paneles monocristalinos modernos, van desde los 400W hasta los 600W en una gama enorme de configuraciones y opciones.
Se puede ver el término de potencia pico muy a menudo, referido como kWp o Wp. Y esto quiere decir básicamente suma de potencia de paneles (su valor nominal según norma STC). Se le agrega el sufijo de pico, porque la realidad es que jamás alcanzamos en nuestro país la potencia nominal con norma STC porque nuestra radiación y condición climatológica no es tan favorable.
Cuando generalmente hablamos de kW a secas, nos estamos refiriendo a potencia nominal de inversor, que es la que realmente cuenta a efectos de legalización y para citar el tamaño de la instalación. A nosotros no nos gusta hablar de kWp, más bien kW de panel.
¿Cuántas placas solares se necesitan para mi vivienda?
Podemos elegir lo que queremos siempre que atendamos a dos criterios, conectándolos en serie (para aumentar voltaje) y en paralelo (varias series entre sí) para aumentar potencia.
-El número de paneles en serie, multiplicado por el voltaje de circuito abierto del panel (dato que viene en ficha técnica como Voc), multiplicado por un factor 1.1 no debe nunca superar el voltaje máximo de entrada en corriente continua del inversor o regulador de carga que seleccionemos. Ponemos un ejemplo: Si tenemos un inversor cuya tensión máxima es 500V, y contamos con paneles de 450W cuya Voc es 50V, no podremos hacer series de más de 9 paneles.
-Si con una serie de 9 paneles no basta, tendremos que hacer una configuración de varias series en paralelo, eso sí, todas ellas de IGUAL número de paneles. Está prohibido poner en paralelo series de distinta longitud.
-El número total de paneles solares determinará la potencia pico de nuestra instalación aislada, y es muy importante saber cómo dimensionar la potencia pico de paneles.
Cálculo del inversor en instalaciones fotovoltaicas aisladas
Este es el equipo encargado de convertir la energía almacenada en batería en corriente alterna para el suministro eléctrico. Se conecta directamente a bornes de batería, y tiene la capacidad de apagarse cuando el valor de tensión de la misma es demasiado baja, o cuando, de forma equivalente, su estado de carga sea insuficiente. Absorberá tanto la energía que entre del regulador de carga, como la propia de la batería al mismo tiempo, y una vez más tenemos que tener precaución con esto.
A nivel doméstico, nos encontramos los pequeños de 180W a 1200W que son simplemente inversor, y los grandes de 3kW, 5kW o 7kW que suelen incorporar funciones como cargador desde generador o red e incluso regulador de carga integrado.
Podemos limitar, si queremos, la potencia máxima que va a poder entregar el inversor instalando un interruptor automático de un calibre inferior, a modo de ICP (interruptor de control de potencia). Así:
10A | 2300W |
16A | 3680W |
20A | 4600W |
25A | 5750W |
32A | 7360W |
Y esto permite también reducir la máxima intensidad de descarga de las baterías y que éstas queden protegidas.
Hay que tener en cuenta que, ante un eventual cortocircuito, saltará antes el inversor que el interruptor automático. Básicamente porque su capacidad de cortocircuito es relativamente pequeña como para hacer saltar un interruptor automático que dispara por parte magnética a 10-12 veces su calibre.
Ante una sobrecarga, saltará el inversor si el interruptor automático da un resultado de potencia superior al tamaño del inversor y pondrá alarma de sobrecarga, y disparará el interruptor automático si se usa para limitar potencia al ponerlo más pequeño.
Calcular el tamaño del inversor
Es muy importante que se ajuste en el inversor todos los parámetros adecuadamente, como por ejemplo, las tensiones de batería a las cuales deben parar, de lo contrario provocarán daños en las mismas por excesiva profundidad de descarga.
El tamaño del inversor dependerá de lo que se quiera conectar a él. Normalmente para uso de iluminación, televisión, y pequeño electrodoméstico que no tenga mecanismos de calefacción (por ejemplo tostadora) es suficiente con 600-1200W nominales. Si es para una vivienda completa pequeña que no tenga piscina y tampoco bomba de presión o riego, 3kW nominales es suficiente. Si por el contrario tiene algún motor de presión, depuradora, etc es recomendable ir a 5 o 7kW nominales.
A mayores potencias, como granjas o instalaciones industriales, se usa una tecnología muy distinta de la doméstica que se llama AC coupling y la cual no vamos a desarrollar en este capítulo desarrollado a uso doméstico general.
Calcular la batería
Para dimensionar y hacer compatible este equipo, debemos comprobar si la batería asociada, es capaz de entregar toda la potencia que este inversor es capaz de demandar. Para ello, debemos dividir su potencia nominal del inversor entre la tensión del banco de baterías asociado y comprobar que la intensidad resultante sea compatible con el banco de baterías (asumiendo que es de noche y no entra nada de carga de paneles para considerar un escenario desfavorable). Por ejemplo, un inversor de 5kW con un banco de baterías de 48V podrá llegar a absorber hasta 104A.
Por otra parte, es obvio que la tensión de trabajo del inversor debe ser compatible con el banco de baterías asociado, es decir, no podemos conectar un banco de baterías de 24V a un inversor diseñado para operar a 48V.
-A nivel de cableado y protecciones, debemos incluir un fusible de intensidad inferior a la máxima admitida por el cable que va a la batería. También un interruptor automático de calibre inferior al máximo permitido por el cable que sale de inversor (o entra para cargar baterías si tiene conexión a generador o red).
-Respecto a la protección diferencial, realmente éste tipo de instalaciones se consideran de neutro aislado de tierra (tipo IT según normativa) y no necesariamente requieren un diferencial porque realmente la instalación está aislada de tierra.
-Es imprescindible que todas las masas estén puestas a tierra y que se vigile el aislamiento de neutro a tierra periódicamente y que sea superior a 0.5Mohm con un medidor de aislamiento reglamentario a través de un electricista autorizado.
Calcular los reguladores
Este equipo está destinado a cargar las baterías aprovechando la producción de los paneles solares fotovoltaicos. Lo podemos encontrar por el nombre de cargador solar o regulador de carga, siendo el mismo dispositivo.
Existen otro tipo de cargadores de batería que denominamos cargadores eléctricos, que son una variante de éstos pero que se alimentan de red eléctrica o generador Diesel en lugar de energía solar.
Además, hay equipos especiales denominados convertidores dc-dc que permiten, a partir de otra batería (conectada o no a un alternador), cargar una segunda batería o generar una tensión distinta (pasar de 12V a 24V u otro caso similar).
Tiene un algoritmo de carga para que la tensión de la batería siempre sea adecuada y podemos distinguir 3 fases principalmente:
: Cuando la batería tiene mayor capacidad de absorber potencia, la intensidad es más alta
-Absorción: a tensión constante, la intensidad va disminuyendo progresivamente
-Flotación: Se fija una tensión de reposo para mantener la batería con el 100% de carga.
-Ecualización: Se somete la batería a una tensión más alta de lo normal para desulfatar los electrodos de la batería y así aumentar su vida útil (solo baterías de plomo).
¿Qué tipo de regulador de carga elegir para instalaciones solares fotovoltaicas aisladas?
A la hora de seleccionar un regulador de carga nos encontramos dos opciones fundamentalmente.
Reguladores PWM
Estos reguladores conectan el panel solar directamente a la batería, conmutándolo según un patrón de pulsos llamado PWM (pulse with modulation). Se trata de una especie de interruptor que abre y cierra muchas veces por segundo, conectando y desconectando panel y batería para regular la cantidad de intensidad que entra del panel solar a dicha batería.
De esta forma, puede hacer que el panel haga trabajar la batería en carga, absorción o flotación.
Son equipos simples y robustos pero que, durante la fase de carga, conectan el panel directamente a la batería. Por tanto, imponen que el panel trabaje a la misma tensión de la batería. En estas condiciones, el panel está fuera de su punto de máxima potencia y simplemente aportará la intensidad que corresponda (un valor entre la intensidad de máxima potencia y la de cortocircuito).
Para calcular la potencia que puede cargar como máximo, debemos multiplicar intensidad de máxima potencia por tensión de batería. Este tipo de reguladores requieren paneles especiales, cuya tensión de trabajo sea parecida a la tensión de la batería. Además, para su elección, tenemos que tener en cuenta que su capacidad de intensidad nominal de ficha técnica sea superior a la intensidad máxima del panel solar elegido (o suma de intensidades si hay varios paneles en paralelo).
Reguladores MPPT
Tienen la capacidad de hacer trabajar al panel en su tensión de máxima potencia, y así, mandar la máxima potencia posible a la batería. Pueden generar hasta un 25% más de potencia que los PWM con el mismo panel.
Su coste es superior (doble o triple), pero su uso es muy recomendable. Puedes conectar varios paneles en serie pero en su diseño debes observar la tensión máxima de entrada prevista. No podemos conectar un conjunto de paneles en serie cuya tensión supere o pueda superar la tensión máxima admisible del regulador.
Es aconsejable elegirlos de forma que la potencia máxima de salida que dispongan (producto de intensidad máxima de carga por tensión del banco de baterías, sea inferior entre un 5% y un 20% a la suma de potencia pico de paneles asociados al mismo.
Estos reguladores tienen la capacidad de no inyectar más intensidad a la batería que la que pueden manejar, entonces, no es problema por conectarles un campo solar muy superior a la máxima potencia que éstos pueden manejar.
De hecho, es posible en muchos de ellos fijar la intensidad máxima de trabajo para aplicaciones especiales. Dichos reguladores se comercializan en intensidades desde 10A hasta 100A, y de tensiones máximas desde 75V hasta 250V. Hay inversores aislados con regulador de carga MPPT integrados, de forma que toda la electrónica necesaria está contenida en un mismo equipo.
En la gráfica anterior vemos como, al trabajar a tensiones mayores con un regulador con MPPT en un panel del 36 células se produce mayor potencia (el valor de la curva de potencia-tensión de color rojo es más alto) que en un regulador PWM donde hace trabajar al panel entorno a 12V en la fase de carga.
Pasos previos a la instalación de paneles solares
A la hora de seleccionar una estructura para una instalación fotovoltaica aislada, es muy importante conocer el tejado donde vamos a ubicarla. Si es teja o si es chapa, o incluso si se quiere poner en suelo. Además de conocer el procedimiento de montaje según el manual de instrucciones de la estructura que vayamos a utilizar.
Es importante que dicha estructura esté homologada y con su certificación CE, de forma que cumpla los estándares del código técnico de la edificación. Es recomendable acudir a un técnico que certifique que su montaje es adecuado y que el lugar donde vamos a anclarla es seguro y soporta las cargas previstas.
La estructura solar que vayamos a elegir juega un papel muy importante en la inclinación de las placas y su orientación.
Cómo elegir generadores auxiliares para calcular y dimensionar una instalación fotovoltaica aislada
Estos equipos permiten generar energía eléctrica a partir de combustible Diesel o Gasolina, y funcionan a demanda, es decir, cuando es necesario.
Se pueden usar únicamente para cargar baterías solares, o bien para cargar baterías y dar suministro eléctrico a la vivienda al mismo tiempo. Dependerá de ello el tipo de cargador que tengamos.
Si vamos a conectar a un cargador eléctrico cuya única misión es cargar las baterías, tan sólo debemos seleccionar un generador solar que tenga una potencia nominal al menos 30%-50% superior a la máxima potencia absorbida por el cargador eléctrico (se obtiene multiplicando tensión del banco de baterías e intensidad nominal del banco eléctrico, dando el resultado en watios).
Sin embargo, si vamos a usar un inversor-cargador combinado, hay que tener en cuenta que éstos tienen la capacidad de ponerse en modo bypass para dar tensión a la casa a través del generador directamente. Y además, absorber potencia directamente.
En este caso, el cálculo será sumar la potencia de carga de baterías (igual que antes multiplicando intensidad máxima de carga y tensión el banco de baterías) y potencia nominal del inversor. A éste valor debemos buscar un generador que tenga una potencia nominal al menos 30%-50% superior al resultado anterior.
Elegir un generador más grande de lo normal no es problema desde el punto de vista técnico, salvo por el consumo extra de combustible que tendrá.
Entre gasolina y diesel, las ventajas de elegir una gasolina es su menor precio de compra, pero su mayor coste de operación (por su mayor consumo con respecto a su potencia y el mayor coste del combustible). Además, la durabilidad de la gasolina es menor que los Diesel. Por eso, para uso ocasional o de emergencia recomendamos gasolina (incluso con arranque automático si buscamos comodidad). Si es para vivir en una casa aislada todo el año es mejor elegir un Diesel.
¿Merecen la pena los aerogeneradores para instalaciones fotovoltaicas aisladas?
Los aerogeneradores son elementos que pueden cargar las baterías usando el empuje del viento como fuente de energía. Debemos tener en cuenta que, a diferencia del sol, no en todos sitios hace viento ni la misma cantidad.
Para que nos hagamos una idea, los aerogeneradores comerciales están diseñados para entregar su potencia nominal a partir de una velocidad de viento de aproximadamente 12m/s que es 43.2 km/h.
Esta velocidad es tan alta que prácticamente impide hablar entre dos personas con normalidad y además silban los oídos. Por debajo de esto, la producción es menor linealmente desde 3m/s que suele ser su velocidad de arranque.
Estudiar la cantidad real de viento es realmente complejo, pues, aunque existen mapas de recurso eólico, las casuísticas locales son difíciles de determinar sin medios específicos como anemómetros con datalogger.
Por tanto, si buscamos un aerogenerador, hagamos la cuenta de los días reales de viento que podemos tener, y asumamos que como mucho va a poder dar una potencia máxima del 30% de su valor nominal.
Consideramos que, mientras el panel solar ha bajado notablemente de precio, los aerogeneradores prácticamente tienen el mismo precio que tenían en 2007. Mientras que los paneles son sencillos de instalar y fiables, los aerogeneradores tienen mantenimiento, engrases, rodamientos, cimentaciones especiales, etc. Por tanto, vemos mucho mejor invertir en paneles solares apoyados de un generador, que en eólica para instalaciones aisladas pequeñas. Como siempre, salvo casos muy particulares.
Cálculo y dimensionado del cableado e instalación eléctrica en una instalación fotovoltaica aislada
El cableado que debemos elegir para instalaciones fotovoltaicas aisladas, debe seguir el reglamento electrotécnico de baja tensión, así como el resto medidas de seguridad y protecciones.
Hay que tener en cuenta que este tipo de instalaciones deben ir certificadas legalmente por un instalador autorizado en baja tensión con la emisión del correspondiente boletín eléctrico.
Para dimensionar el cableado, podemos seguir a modo de guía la siguiente tabla, que relaciona potencia máxima, intensidad máxima y sección de cable recomendado para corriente alterna monofásica 230V:
Potencia (W) | Intensidad (A) | Sección cable (Cobre) |
2300 | 10 | 1.5 |
3680 | 16 | 2.5 |
4600 | 20 | 4 |
5750 | 25 | 6 |
7360 | 32 | 10 |
9200 | 40 | 10 |
Si la distancia de cable que tenemos es superior a los 15 metros, es recomendable subir de sección un escalón, hasta los 30 metros. Si son más de 30 metros, es recomendable consultar con un técnico especialista.
Todos los equipos metálicos y partes metálicas tienen toma de tierra o borne de conexión a tierra. Debemos conectar un cable que una todas ellas y vaya a una pica de 2m clavada en el terreno. Es recomendable que un técnico electricista mida el funcionamiento de la puesta a tierra y que verifique que todo esté correcto. El cable para realizar todas estas conexiones debe ser de una sección igual o superior a la de los conductores eléctricos principales de alterna que tengamos en nuestro circuito eléctrico.
Para el cableado de paneles solares, debemos usar un cable con aislamiento suficiente y de sección igual o superior a 4mm2 por cada string o serie de paneles solares. Existe un tipo de cable solar específico que se llama PV ZZ-F que tiene un aislamiento de 1500Vdc y está diseñado específicamente para instalaciones fotovoltaicas. Si la distancia de cable a paneles solares es superior a 50m es recomendable acudir a un especialista.
Es importante usar canalizaciones adecuadas según normativa. Así, si usamos cables de aislamiento 1kV o superior (mangueras o cables solares), no hay problema en que vayan a intemperie sin tubo siempre que tengan algún tipo de protección mecánica o estén fuera del acceso de las personas. Si usamos cable 350V/750V de cubierta PVC deben ir siempre bajo tubo o canaleta.
Las conexiones a paneles solares deben hacerse siempre con conectores MC-4 de forma que se use el mismo método de conexión para el que están diseñados y se garantice la estanqueidad de la unión por medio de este tipo de conector.
Recomendamos usar fusibles, una pareja para positivo/negativo por string para mantenimiento y protección contra sobretensiones. Estos fusibles deben ser de 20 A de capacidad nominal (o lo recomendado por ficha técnica del panel solar) y deben ser diseñados específicamente para trabajar a 1000Vdc tanto base como fusible.
Lo normal es usar el tamaño 10x38mm estándar. Hay fabricantes que indican que no es necesario el fusible, y pueden tener razón, pero es cierto que si se produce una sobretensión y el inversor dispone de protección clase II para ello, derivará en una sobre corriente que hará saltar el fusible y protegerá la instalación.
Tenemos que saber que los fusibles no van a proteger frente a cortocircuitos ni roces en los cables, porque el calibre del fusible siempre va a ser mayor que la corriente cortocircuito del panel. Por tanto, para prevenir incendios, debemos extremar las precauciones con el trazado de cable solar que esté suficientemente protegido de roedores y roces o daños en su aislamiento.
Para seleccionar el cable de la batería, debemos tener en cuenta que no debe tener una longitud mayor a 3 metros (si se necesita más debe consultar a un especialista), y la sección de cable debe ir conforme a esta tabla:
A 12V
Potencia (W) | Intensidad (A) | Sección cable (Cobre) |
1260 | 105 | 16 |
1476 | 123 | 25 |
1848 | 154 | 35 |
2256 | 188 | 50 |
2928 | 244 | 70 |
3552 | 296 | 95 |
4176 | 348 | 120 |
A 24V
Potencia (W) | Intensidad (A) | Sección cable (Cobre) |
2520 | 105 | 16 |
2952 | 123 | 25 |
3696 | 154 | 35 |
4512 | 188 | 50 |
5856 | 244 | 70 |
7104 | 296 | 95 |
8352 | 348 | 120 |
A 48V
Potencia (W) | Intensidad (A) | Sección cable (Cobre) |
5040 | 105 | 16 |
5904 | 123 | 25 |
7392 | 154 | 35 |
9024 | 188 | 50 |
11712 | 244 | 70 |
14208 | 296 | 95 |
16704 | 348 | 120 |
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