Sistema Solar Fotovoltaico (PV) Conectado a la Red
La mayoría de los sistemas fotovoltaicos son sistemas conectados a la red que funcionan en conjunto con la energía suministrada por la compañía eléctrica. Un sistema solar conectado a la red tiene un inversor especial que puede recibir energía de la red o enviar energía de CA de calidad de red a la red de servicios públicos cuando hay un exceso de energía del sistema solar.
Sistema Solar fotovoltaico atado a la red
Además, la empresa de servicios públicos puede producir energía de granjas solares y enviar energía a la red directamente.
Sistemas fotovoltaicos residenciales y pequeños Conectados a la red
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se pueden configurar con o sin batería de respaldo. El sistema fotovoltaico conectado a la red más simple no usa respaldo de batería, pero ofrece una forma de complementar una fracción de la energía de la red. Los componentes principales de este sistema son los módulos fotovoltaicos y un inversor.
Sistema fotovoltaico residencial conectado a la red (Fuente: Wikipedia)
Los módulos se pueden conectar en serie al inversor si no se exceden los límites de voltaje, o se puede usar una caja combinadora separada para combinar las salidas de varios módulos en paralelo.
El inversor debe ser un tipo especial que se pueda conectar directamente a la caja de interruptores de CA, por lo que debe convertir la CC de los módulos fotovoltaicos en CA compatible con la red y coincidir con la fase de la onda sinusoidal de la utilidad.
También debe poder desconectar el sistema fotovoltaico (mediante un interruptor de transferencia automática) cuando la red está apagada, por lo que debe ser un inversor aprobado que cumpla con la norma UL 1741. Un interruptor de transferencia es un interruptor automático que puede conmutar cargas entre fuentes de alimentación alternativas sin interrumpir la corriente.
En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques básico de un sistema fotovoltaico conectado a la red con módulos fotovoltaicos en serie.
En comparación con un sistema con respaldo de batería, un sistema sin batería como este es menos costoso, más fácil de instalar y casi libre de mantenimiento. Tiene la ventaja de no tener que suministrar toda la energía necesaria para el hogar o negocio; puede compensar cualquier fracción de la energía y la utilidad de hacer la diferencia.
Si la red es confiable, como lo es en la mayoría de las áreas urbanas, entonces un sistema sin batería ofrece el mejor rendimiento por dólar gastado.
Para muchos edificios de oficinas comerciales, tiendas y edificios industriales, un sistema sin batería tiene sentido. Este tipo de edificios se ocupan normalmente durante las horas de luz, correspondientes a los momentos en que el recurso solar está disponible.
Por lo general, los módulos se pueden instalar en el techo del edificio o en una estructura de estacionamiento, por lo que el terreno no se sacrifica por el conjunto. El sistema se puede configurar para que cualquier exceso de energía se venda de nuevo a la empresa de servicios públicos, aliviando cualquier preocupación sobre la capacidad no utilizada en fines de semana o días festivos.
Figura 1 Sistema Fotovoltaico Solar Atado a la Red sin batería Simplificado
Norma UL 1741
Underwriters Laboratories® (UL) es una organización independiente de certificación de seguridad de productos que escribe normas de seguridad y prueba el cumplimiento de los productos.
La norma UL 1741 enumera los requisitos para inversores, convertidores, controladores de carga y equipos de sistemas de interconexión, tanto para sistemas de energía interactivos para servicios públicos (vinculados a la red) como para sistemas no vinculados a la red.
Otros estándares UL están escritos para módulos fotovoltaicos y cajas de conexiones, cableado, conectores, baterías y sistemas de montaje. Por ejemplo, la norma UL 1703 especifica estándares para sistemas fotovoltaicos de hasta 1000 V.
Las empresas que reciben la certificación UL pueden mostrar la marca UL en los productos.
Los sistemas fotovoltaicos residenciales y Pequeños Conectados a la red con respaldo de batería
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red con respaldo de batería pueden continuar suministrando energía en cualquier momento en que la red se apague. El sistema puede cambiar sin problemas a energía de respaldo cuando se produce un corte eléctrico. Al mismo tiempo, desconecta el sistema de la red para que no envíe energía cuando la red está apagada.
Cargas de respaldo
Un sistema pequeño con una capacidad de respaldo de batería completa es mucho más caro que un sistema sin batería.
Una forma de reducir los costos es dividir el sistema en cargas respaldadas y cargas no respaldadas, reduciendo así el número de baterías necesarias, ahorrando costos iniciales y reduciendo los requisitos de mantenimiento y espacio.
Esta opción requiere volver a cablear el panel de servicio y colocar cargas sin respaldo en un panel dedicado por separado de los que están respaldados. Esencialmente, esta opción es equivalente a tener dos sistemas, pero volver a cablear un panel puede ser una opción más barata que un sistema con respaldo completo.
En el diagrama de bloques de la Figura 2 se muestra un sistema con cargas respaldadas y cargas no respaldadas. Los paneles se muestran yendo a una caja combinadora, pero una disposición en serie es otra opción para conectar los módulos.
Una caja combinadora es una caja de conexión eléctrica para combinar las salidas de múltiples paneles solares en una salida de CC.
Figura 2 Sistema de respaldo de batería simplificado para Parte de la carga de CA
Cuando el sistema está en el modo interactivo de red, el inversor toma energía de las fuentes y la envía a las cargas de respaldo. Las cargas principales se alimentan directamente de la red.
Si hay más energía de los módulos fotovoltaicos de la que necesitan las cargas respaldadas, el exceso se coloca en la red a través de un interruptor de transferencia interno, lo que resulta en un crédito para el propietario (medición neta).
Cuando la red está apagada o fuera de las especificaciones, el interruptor de transferencia se abre y solo las cargas respaldadas reciben energía del inversor. Las cargas principales dependen únicamente de la red, por lo que estarán apagadas hasta que se restablezca la energía.
Dimensionamiento del inversor fotovoltaico
El tamaño del inversor y la batería de respaldo necesarios para un sistema de respaldo parcial requiere un análisis de las cargas que se colocarán en el sistema de respaldo.
Para estimar el requisito de potencia para las cargas de respaldo, la potencia de cada carga se puede resumir en una hoja de cálculo. Los motores necesitan más potencia durante el arranque que durante el funcionamiento, por lo que el sistema debe dimensionarse en función de la potencia de arranque. A partir de los resultados de este análisis, se puede seleccionar el inversor, incluidas varias opciones. Una opción es utilizar inversores que se puedan apilar.
El término apilamiento se refiere a la conexión de dos inversores para proporcionar salidas de fase dividida de 120/240 V. Otra opción disponible en algunos inversores es proporcionar una entrada de generador de motor de respaldo.
Banco de baterías para sistema fotovoltaico
El banco de baterías se dimensiona de acuerdo con el número de días de autonomía requeridos. El tamaño se puede basar en patrones históricos de tiempo en que la cuadrícula está inactiva.
En general, un sistema que hace una copia de seguridad de la cuadrícula se realiza un ciclo solo cuando la cuadrícula está caída, por lo que las consideraciones de tamaño son diferentes a las del sistema sin cuadrícula, que se ejecuta diariamente.
Una profundidad de descarga del 80% es apropiada para un sistema que se ciclan con poca frecuencia, y el número de días de autonomía se basa en el rendimiento de la red en lugar de en los patrones climáticos.
El ciclo poco frecuente significa que las baterías selladas pueden ser una buena opción para un sistema de respaldo porque requieren menos mantenimiento que los tipos inundados.
El inconveniente de las baterías selladas es que son más caras y tienen una vida útil más corta que los tipos inundados.
Para sistemas con respaldo de batería, son útiles los medidores de batería que pueden informar el estado de carga. Estos medidores muestran el voltaje, la corriente y el porcentaje de carga completa.
Otra opción es un medidor de potencia que monitorea el rendimiento del sistema y alerta al usuario de las condiciones de falla.
Los estudios han demostrado que los sistemas de monitoreo fomentan la conservación de energía y que una información más detallada conduce a una mayor conservación.
Pequeños sistemas fotovoltaicos con microinvertidores
Los sistemas mostrados anteriormente llevan CC a un inversor central y lo convierten en CA en ese punto. Otra opción que está creciendo en popularidad es el uso de un microinversor en cada módulo.
Un microinversor es un convertidor de CC a CA que está dimensionado para funcionar con un módulo solar. Por lo tanto, puede proporcionar un seguimiento del punto de máxima potencia para el módulo y una mayor eficiencia, particularmente para situaciones como un solo módulo sombreado que tiene una salida reducida. En la Figura 3 se ilustra un sistema básico.
Cada inversor emite CA compatible con la red que se sincroniza con otros microinvertidores del sistema. Los microinvertidores se instalan en paralelo para formar un circuito de derivación.
Los circuitos de ramificación a menudo se combinan en un subpanel. El resultado es un sistema más modular; si un módulo o microinvertidor falla, el resto del sistema continúa funcionando (con una salida reducida) porque los otros microinvertidores están conectados en paralelo y uno de código abierto no afecta el funcionamiento de los otros.
El módulo o microinvertidor defectuoso se puede reparar sin desconectar el resto del sistema; sin embargo, es posible que el módulo defectuoso deba retirarse para realizar el mantenimiento.
Algunos módulos vienen equipados con un microinvertidor incorporado y circuitos para optimizar la salida.
Los microinvertidores incorporados no tienen acceso a los circuitos de CC desde el módulo fotovoltaico, pero eliminan el cableado de CC, los conectores, las cajas combinadoras, etc. Esto simplifica la instalación, haciendo que el sistema en general sea eficiente y rentable. También elimina los circuitos de CC de alto voltaje (hasta 600 V), por lo que el sistema de micro inversor es más seguro que los sistemas de alto voltaje con un inversor central.
Figura 3 Sistema Micro inversor Básico. La CC de cada módulo se convierte en CA, donde se conecta a otros microinvertidores del sistema.
Sistemas fotovoltaicos comerciales e Institucionales
Los sistemas fotovoltaicos solares comerciales e institucionales pueden ofrecer economías de escala y con frecuencia tienen la ventaja de una demanda relativamente menor de electricidad por la noche.
La mayoría de estos sistemas están diseñados para reducir la demanda de electricidad para un usuario más grande, como una empresa, una escuela o una instalación de fabricación, por lo que el sistema está diseñado para ser un sistema fotovoltaico conectado a la red.
Algunos sistemas están diseñados como sistemas fuera de la red para aplicaciones remotas, como un sistema fotovoltaico que se instaló para un santuario marino en las Islas Farallones.
El santuario marino había importado anteriormente diesel para hacer funcionar generadores de electricidad. Además de complementar la energía de los servicios públicos, otra aplicación para los establecimientos comerciales e institucionales es proporcionar una estación de combustible solar para uso de sus empleados o del público.
Los paneles solares están montados sobre un área de estacionamiento, y suministran energía de carga a vehículos eléctricos, una excelente combinación del recurso disponible a la necesidad (carga de vehículos eléctricos). La Figura 4 muestra una estación de combustible solar.
Muchas comunidades y entidades gubernamentales están proporcionando estas estaciones en estacionamientos públicos para fomentar el uso de vehículos eléctricos y reducir las emisiones.
Figura 4 Estación de Servicio Solar. Los módulos solares de esta estación de servicio se utilizan para cargar vehículos eléctricos.
Sistemas fotovoltaicos conectados a la red de servicios públicos
En algunas áreas, los servicios públicos han construido grandes conjuntos fotovoltaicos diseñados para alimentar la red. Las empresas de servicios públicos tienen muchas consideraciones diferentes para implementar sistemas fotovoltaicos solares porque están suministrando energía en lugar de consumirla.
Cuando una empresa de servicios públicos está considerando agregar energía solar, el sistema se analiza y modela primero para determinar los efectos, el equilibrio de carga, la carga del equipo y los problemas de calidad de la energía.
Se evalúan el costo total, como los nuevos sistemas de transmisión y distribución necesarios, y el impacto en las instalaciones existentes, como la reducción de los costos de combustible.
En algunos casos, puede ser más económico desarrollar sistemas distribuidos utilizando paneles solares más pequeños desplegados en alimentadores específicos para manejar cargas adicionales y reducir los costos de capital.
Los sistemas distribuidos también pueden reducir los costos relacionados con la línea debido a la potencia disipada en las líneas de transmisión.
Preguntas de revisión
- ¿Cuál es el requisito para los inversores fotovoltaicos conectados a la red?
- ¿Cuáles son dos razones para tener un sistema fotovoltaico conectado a la red que no está respaldado?
- ¿En qué se diferencia el tamaño de un conjunto de baterías en un sistema fotovoltaico conectado a la red de un conjunto de baterías en un sistema sin red?
- ¿Por qué es útil el monitoreo constante del sistema para un sistema fotovoltaico conectado a la red?
- ¿Qué factores de costo deben tener en cuenta los servicios públicos para agregar recursos fotovoltaicos solares que un propietario de vivienda no necesita considerar?
Respuestas:
- Los inversores fotovoltaicos conectados a la red necesitan sincronizar su salida con la red eléctrica y poder desconectar el sistema solar si la red se cae.
- (1) Un sistema diseñado para complementar la energía de la red y no reemplazarla en ningún momento no necesita respaldo, por lo que la instalación se simplifica. (2) El respaldo de batería es costoso, ocupa espacio y requiere mantenimiento regular.
- En un sistema fotovoltaico conectado a la red, la batería debe reemplazar la red solo durante las interrupciones, por lo que la probabilidad y la duración de las interrupciones es el factor clave para determinar el tamaño de la batería. En un sistema independiente, el factor clave para determinar el tamaño de la batería es el clima en la ubicación y las perspectivas de largos períodos de nubes o lluvia que impedirían que el sistema funcionara en su mejor momento.
- El monitoreo del sistema puede proporcionar datos básicos de rendimiento para el sistema y ayudar a identificar problemas con el sistema.
- Algunos factores que las empresas de servicios públicos deben tener en cuenta son el equilibrio de carga, la carga de equipos, los problemas de calidad de la energía, el costo general, incluidos los nuevos sistemas de transmisión y distribución, así como muchos otros factores.
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