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Cuaderno de aplicaciones técnicas n.° 10

Plantas fotovoltaicas

Cuadernos de aplicaciones técnicas

CC

2 Plantas fotovoltaicas | ABB Cuaderno técnico

Índice

Plantas.fotovoltaicas

5 Puesta a tierra y protección

frente a contactos

indirectos......................................................... 43

5 .1.Puesta.a.tierra............................................................. 43

5 .2.Plantas.con.transformador..................................... 43

5 .2.1. Masas.aguas.arriba.del.transformador................... 43

5 .2.1.1. Planta.con.sistema.IT................................. 43

5 .2.1.2. Planta.con.sistema.TN............................... 43

5 .2.2. Masas.aguas.abajo.del.transformador.................... 44

5 .3.Plantas.sin.transformador....................................... 45

6 Protección contra sobrecargas

y sobretensiones.................................... 46

6 .1.Protección.contra.sobrecargas.en.el.lado.CC.... 46

6 .1.1. Protección.de.los.cables......................................... 46

6 .1.2. Protección.de.la.cadena.contra.corrientes.inversas... 47

6 .1.3. Comportamiento.del.inversor.................................. 47

6 .1.4. Elección.de.los.dispositivos.de.protección............. 47

6 .2.Protección.contra.sobrecargas.en.el.lado.CA.... 48

6 .3.Elección.de.los.dispositivos.de.

maniobra.y.desconexión................................................. 49

6 .4.Protección.contra.sobretensiones....................... 49

6 .4.1. Descarga.directa.de.rayo........................................ 49

6 .4.1.1. Edificio.sin.SPR.......................................... 49

6 .4.1.2. Edificio.con.SPR......................................... 49

6 .4.1.3. Planta.FV.sobre.el.suelo............................. 50

6 .4.2. Descarga.indirecta.de.rayo...................................... 50

6 .4.2.1. Protección.en.el.lado.CC............................ 51

6 .4.2.2. Protección.en.el.lado.CA............................ 51

7 Análisis económico

de la inversión......................................... 53

7 .1.Apuntes.teóricos........................................................ 53

7 .1.1. Valor.actual.neto.(VAN)............................................ 53

7 .1.2. Indicadores.económicos......................................... 53

7 .1.2.1. Tasa.interna.de.rentabilidad.(TIR)............... 53

7 .1.2.2. Recuperación.descontada......................... 53

7 .1.2.3. Recuperación.simple.................................. 53

7 .2.Consideraciones.económicas.acerca.

de.las.instalaciones.FV................................................. 54

7 .3.Ejemplos.de.análisis.de.la.inversión................... 54

7 .3.1. Planta.fotovoltaica.3 kWp.autofinanciada............... 54

7 .3.2. Planta.fotovoltaica.3 kWp.financiada...................... 56

7 .3.3. Planta.fotovoltaica.60 kWp.autofinanciada............. 57

7 .3.4. Planta.fotovoltaica.60 kWp.financiada.................... 58

PARTE III

8 Soluciones ABB para

aplicaciones fotovoltaicas..... 59

8 .1.Interruptores.automáticos.en.caja.moldeada.

y.de.bastidor.abierto................................................... 59

8 .1.1. Interruptores.automáticos.en.caja.moldeada.Tmax.T.

.. para.aplicaciones.en.corriente.alterna.................... 59

8 .1.2. Nueva.gama.de.interruptores.automáticos.en.caja

.. moldeada.Tmax.XT................................................. 60

8 .1.3. Interruptores.automáticos.en.caja.moldeada.para.

.. aplicaciones.hasta 1150 .V.CA.................................. 61

8 .1.4. Interruptores.seccionadores.en.caja.moldeada

.. Tipo.Tmax.T.y.Tmax.XT......................................... 64

8 .1.5. Interruptores.automáticos.de.bastidor.abierto.

.. para.aplicaciones.en.corriente.alterna................... 65

8 .1.6. Interruptores.automáticos.de.bastidor.abierto

.. para.aplicaciones.hasta. 1150 .V.CA......................... 66

8 .1.7. Interruptores.seccionadores.de.bastidor.abierto..... 67

8 .1.8. Interruptores.seccionadores.de.bastidor.abierto

.. para.aplicaciones.hasta. 1150 .V.CA........................ 68

8 .1.9. Interruptores.automáticos.en.caja.moldeada.Tmax

.. para.aplicaciones.en.corriente.continua................ 69

8 .1.10.Interruptores.automáticos.en.caja.moldeada

.. Tmax.XT.para.aplicaciones.en.corriente.continua.... 70

8 .1.11.Interruptores.automáticos.en.caja.moldeada.para.

.. aplicaciones.hasta. 1000 .V.CC............................... 70

8 .1.12.Interruptores.seccionadores.en.caja.moldeada.para.

.. aplicaciones.de.corriente.continua.Tmax.PV......... 71

ABB Cuaderno técnico

8 .1.13.Interruptores.automáticos.de.bastidor.abierto Anexo.C.–.Ejemplos.de.dimensionamiento..

 - Plantas fotovoltaicas | 

• continua................................................................. Emax.DC.para.aplicaciones.de.corriente.
  • Emax.DC.para.aplicaciones.hasta. 1000 .V.CC....... 8 .1.14.Interruptores.seccionadores.de.bastidor.abierto
• 8 .2. Relés.con.protección.diferencial.tipo.B........... - 8 .2.1.Relés.con.protección.diferencial.RC223.y.RC.tipo.B.... - 8 .2.2.Dispositivos.con.protección.diferencial.para.CA......
• 8 .3. Contactores................................................................ - en.carga....................................................................... 8 .4. Interruptores.seccionadores.de.corte. - magnetotérmicos.modulares............................... 8 .5. Interruptores.automáticos.
• 8 .6. Protectores.contra.sobretensiones...................
• 8 .7. Bases.portafusibles.................................................
• 8 .8. Fusibles.cilíndricos..................................................
• 8 .9. Monitores.de.aislamiento......................................
• 8 .10.Contadores.para.CA...............................................
• 8 .11.Cuadros.de.distribución........................................
• 8 .12.Cajas.aislantes.para.montaje.en.pared...........
• 8 .13.Cajas.de.concentración........................................
• 8 .14.Inversores...................................................................
• 8 .15.Bloques.de.terminales........................................... - 8 .16.Motores........................................................................ - 8 .17.Convertidores.de.frecuencia................................ - 8 .18.Plataformas.PLC...................................................... - 8 .19.Cuadros.de.distribución.secundarios.............. - A.1. Tecnologías.emergentes............................................ Anexo.A.–.Nuevas.tecnologías.de.los.paneles - A.2. Tecnología.fotovoltaica.de.concentración............ - A.3. Tecnología.fotovoltaica.con.paneles.cilíndricos...... - B.1. Introducción................................................................. Anexo.B.–.Otras.fuentes.de.energía.renovables - B.2. Energía.eólica.............................................................. - B.3. Biomasa........................................................................ - B.4. Energía.geotérmica.................................................... - B.5. Energía.mareomotriz.y.undimotriz......................... - B.6. Energía.minihidroeléctrica........................................ - B.7. Energía.termosolar..................................................... - B.8. Energía.solar.termoeléctrica................................. - B.9. Sistemas.híbridos.................................................... - C.1. Introducción................................................................ de.plantas.fotovoltaicas - C.2. Planta.FV.de.3 kWp.................................................. - C.3. Planta.FV.de.60 kWp...............................................

Consideraciones

generales

ABB Cuaderno técnico | Plantas fotovoltaicas 5

1 Consideraciones generales

PARTE I

1 .1. Principio.de.funcionamiento

Una. planta. fotovoltaica. (FV). transforma. directa. e..

instantáneamente. la. energía. solar. en. energía. eléctrica.

sin.utilizar.combustibles..De.hecho,.la.tecnología.foto-

voltaica. (FV). se. aprovecha. del. efecto. fotoeléctrico,. a.

través. del. cual. algunos. semiconductores. "dopados".

generan. electricidad. al. ser. expuestos. a. la. radiación.

solar.

Las.principales.ventajas.de.las.plantas.fotovoltaicas.(FV).

son,.en.resumen:.

-. generación.distribuida.donde.sea.necesario; -. no.se.emiten.materiales.contaminantes; -. ahorro.de.combustibles.fósiles; -. fiabilidad. de. las. plantas,. ya. que. carecen. de. partes.

móviles.(la.vida.útil.suele.superar.los. 20 .años);

-. costes.de.mantenimiento.y.funcionamiento.reducidos;. -. modularidad.del.sistema.(para.aumentar.la.potencia.

de.la.planta.basta.con.aumentar.el.número.de.paneles).

conforme.a.la.demanda.real.de.los.usuarios.

Sin.embargo,.el.coste.inicial.de.desarrollo.de.una.planta.FV.

es.bastante.elevado,.debido.a.un.mercado.que.todavía.no.

ha.alcanzado.su.madurez.plena.desde.un.punto.de.vista.

técnico.y.económico..Además.la.generación.de.energía.es.

errática.a.causa.de.la.variabilidad.de.la.fuente.de.energía.

solar..

La.electricidad.anual.generada.por.una.planta.FV.depen-

de.de.distintos.factores..Entre.ellos:

-. radiación.solar.incidente.en.el.lugar.de.instalación; -. inclinación.y.orientación.de.los.paneles; -. presencia.o.no.de.sombras; -. rendimientos.técnicos.de.los.componentes.de.la.plan-

ta.(principalmente.módulos.e.inversores).

Las.aplicaciones.principales.de.las.plantas.FV.son:

. 1..instalaciones. (con. sistemas. de. almacenamiento).

para.usuarios.aislados.de.la.red;

. 2..instalaciones.para.usuarios.conectados.a.la.red.de.BT; . 3..plantas.de.energía.solar.fotovoltaica,.normalmente.

conectadas.a.la.red.de.MT.

Una. planta. FV. está. compuesta. esencialmente. por. un.

generador. (paneles. FV),. un. bastidor. de. soporte. para.

montar.los.paneles.sobre.el.terreno,.un.edificio.o.la.es-

tructura. de. un. edificio;. por. un. sistema. de. control. y.

acondicionamiento.energético,.por.un.posible.sistema.

de.almacenamiento.de.la.energía,.por.cuadros.y.apara-

menta.eléctricos.que.alojan.los.equipos.de.protección.y.

maniobra,.así.como.por.los.cables.de.conexión.

1 .2.Energía.solar

En.el.núcleo.del.Sol.se.producen.constantemente.reac-

ciones.de.fusión.a.temperaturas.de.millones.de.grados.

que.liberan.enormes.cantidades.de.energía.en.forma.de.

radiación.electromagnética..Parte.de.esta.energía.llega.a.

la.capa.exterior.de.la.atmósfera.terrestre.con.una.irradian-

cia.promedio.(constante.solar).alrededor.de. 1367 .W/m

2 .±.

3%,.un.valor.que.varía.en.función.de.la.distancia.entre.la.

Tierra.y.el.Sol.(figura.1.1)

1 .y.de.la.actividad.solar.(manchas.

solares)..

Figura 1.2 - Flujo energético entre el Sol, la atmósfera y el suelo

Figura 1.1 - Radiación extraatmosférica

1 Debido a su órbita elíptica, la Tierra se encuentra a su distancia mínima respecto al Sol

(perihelio) en diciembre y enero, y a su máxima distancia (afelio) en junio y julio.

La. irradiancia solar. es. la. intensidad. de. la. radiación.

electromagnética.solar.incidente.en.una.superficie.de. 1.

metro.cuadrado.[kW/m

2 ]..Esta.intensidad.es.igual.a.la.

integral.de.la.potencia.asociada.a.cada.valor.de.la.fre-

cuencia.del.espectro.de.radiación.solar..

Al.atravesar.la.atmósfera,.la.intensidad.de.la.radiación.

solar.decae.porque.es.parcialmente.reflejada.y.absorbi-

da.(sobre.todo.por.el.vapor.de.agua.y.el.resto.de.gases.

atmosféricos).. La. radiación. que. logra. atravesarla. queda.

parcialmente.difusa.por.el.aire.y.las.partículas.sólidas.en.él.

suspendidas.(figura.1.2).

25% reflejado

por la atmósfera

5% reflejado

por el suelo

27% absorbido

por la superficie

18% difuminado

por la atmósfera

5% absorbido

por la atmósfera

W/m 2

E F M A

Mes

M J J A S O N D

1400

1380

1360

1340

1320

1300

Cuadernos de aplicaciones técnicas

CC

Consideraciones

generales

6 Plantas fotovoltaicas | ABB Cuaderno técnico

Irradiación solar.es.la.integral.de.la.irradiancia.solar.a.lo.

largo.de.un.periodo.de.tiempo.determinado.[kWh/m

2

]..Por.

tanto,.la.radiación.que.incide.sobre.una.superficie.hori-

zontal.está.compuesta.por.radiación.directa,.relacionada.

con.la.irradiancia.sobre.la.superficie,.por.radiación.difusa,.

que.llega.a.la.superficie.procedente.de.todo.el.firmamen-

to.y.no.de.una.parte.específica.del.mismo,.y.por.radiación.

reflejada.en.determinadas.superficies.del.suelo.y.el.entor-

no.próximo.(figura.1.3)..En.invierno.el.cielo.está.cubierto.

y.la.componente.difusa.es.mayor.que.la.directa.

Figura 1.3 - Componentes de la radiación solar

Figura 1.4 - Radiación reflejada

Figura 1.5 - Atlas solar

La. figura. 1.5. muestra. el. atlas. mundial. de. irradiancia.

solar. promedio. en. un. plano. inclinado. 30°. hacia. el. sur.

[kWh/m

2 /día]

La.radiación.reflejada.depende.de.la.capacidad.de.una.

superficie.para.reflejar.la.radiación.solar.y.se.mide.con.

el. coeficiente. de. albedo. calculado. para. cada. material.

(figura.1.4).

Tipo de superficie albedo

Caminos.de.tierra

Superficies.acuosas.

Bosque.de.coníferas.en.invierno

Asfalto.desgastado

Tejados.y.terrazas.alquitranados

Tierra.(arcilla,.caliza)

Hierba.seca

Escombros

Hormigón.desgastado

Bosque.en.otoño./.campos

Hierba.verde

Superficies.oscuras.de.edificios

Hojas.secas

Superficies.claras.de.edificios

Nieve

1 kWh/m

2 2 kWh/m

2 3 kWh/m

2 4 kWh/m

2 5 kWh/m

2 6 kWh/m

2 7 kWh/m

2

constante solar

Reducción de la

radiación solar

Directa

Reflejada

Difusa

Cuadernos de aplicaciones técnicas

CC

Consideraciones

generales

8 Plantas fotovoltaicas | ABB Cuaderno técnico

1 .3.Componentes. principales. de. una. planta.

fotovoltaica

1 .3.1. Generador.fotovoltaico

El.componente.elemental.de.un.generador.FV.es.la.cé-

lula.fotovoltaica,.donde.se.lleva.a.cabo.la.conversión.de.

la. radiación. solar. a. corriente. eléctrica.. La. célula. esta.

compuesta.por.una.delgada.capa.de.material.semicon-

ductor,. normalmente. silicio. tratado,. con. un. grosor. de.

alrededor.de.0,3 mm.y.una.superficie.de. 100 .a.225 cm

2 ..

El.silicio,.con.cuatro.electrones.de.valencia.(tetravalente),.

se."dopa".con.átomos.trivalentes.(p. ej..boro.–.dopaje.

Positivo).en.una.capa.y.cierto.número.de.átomos.pen-

tavalentes.(p. ej..fósforo.–.dopaje.Negativo).en.la.otra..

La.región.tipo.P.tiene.exceso.de.huecos,.mientras.que.

la.de.tipo.N.tiene.exceso.de.electrones.(figura.1.7).

Figura 1.7 – La célula fotovoltaica

Figura 1.8 – Funcionamiento de una célula fotovoltaica

En.el.área.de.contacto.entre.las.dos.capas.con.diferen-

te.dopaje.(unión.P-N),.los.electrones.tienden.a.despla-

zarse.desde.la.mitad.con.exceso.de.electrones.(N).hacia.

la.mitad.con.déficit.de.electrones.(P),.generando.así.una.

acumulación.de.carga.negativa.en.la.región.P..Para.los.

huecos.de.electrones.ocurre.un.fenómeno.equivalente,.

con.acumulación.de.carga.positiva.en.la.región.N..De.

esta.forma.se.crea.un.campo.eléctrico.en.la.unión.que.

se.opone.a.la.difusión.de.cargas.eléctricas..Al.aplicar.

una.tensión.desde.el.exterior,.la.unión.permite.el.flujo.de.

corriente.únicamente.en.una.dirección.(funcionamiento.

como.un.diodo)..

Cuando.se.expone.la.célula.a.la.luz,.a.causa.del.efecto.

fotovoltaico

2

. se. crean. algunos. pares. electrón-hueco.

tanto.en.la.región.N.como.en.la.P..El.campo.eléctrico.

interno.hace.que.el.exceso.de.electrones.(resultado.de.

la.absorción.de.fotones.por.parte.del.material).se.sepa-

re.de.los.huecos.y.los.impulsa.en.direcciones.opuestas..

Como. consecuencia,. una. vez. que. los. electrones. han.

superado.la.región.de.agotamiento.no.pueden.regresar.

ya.que.el.campo.evita.el.flujo.en.la.dirección.inversa..Al.

conectar.la.unión.a.un.conductor.externo.se.obtiene.un.

circuito.cerrado,.en.el.que.la.corriente.fluye.de.la.capa.

P,.con.un.potencial.mayor,.a.la.capa.N,.con.un.potencial.

menor,.siempre.que.la.célula.esté.iluminada.(figura.1.8).

2 El efecto fotovoltaico tiene lugar cuando un electrón de la banda de valencia de un

material (normalmente un semiconductor) es liberado a la banda de conducción al absor-

ber un fotón con la suficiente energía (cuanto de radiación electromagnética) que incide

en el material. De hecho, tanto en los materiales semiconductores como en los aislantes

los electrones no pueden moverse libremente. Sin embargo, al comparar los materiales

semiconductores con los aislantes la banda prohibida de energía entre la banda de va-

lencia y la de conducción (característica de los materiales conductores) es pequeña, de

manera que los electrones pueden alcanzar la banda de conducción fácilmente cuando

captan energía del exterior. Esta energía puede ser suministrada por la radiación lumino-

sa, de ahí el efecto fotovoltaico.

Silicio dopado

Hueco

Si Si Si

B Si P

Si Si Si

+5 +5 +5 +3 +3 +

+5 +5 +5 +3 +3 +

+5 +5 +5 +3 +3 +

+5 +5 +5 +3 +3 +

+5 +5 +5 +3 +3 +

+5 +5 +5 +3 +3 +

Región de agotamiento

Unión

Átomo de

FÓSFORO

Electrón

libre

Átomo de

BORO

Radiación

lumínica

Silicio tipo P

Silicio tipo N

Unión P-N

Flujo de

huecos

Flujo de

electrones

Fotones

Corriente eléctrica

Carga

Consideraciones

generales

ABB Cuaderno técnico | Plantas fotovoltaicas 9

Célula Módulo

Panel

varios módulos conectados

en la misma estructura

Cadena

conjunto de paneles

conectados en serie

Generador fotovoltaico

conjunto de cadenas conectadas en paralelo

para obtener la potencia necesaria

Figura 1.9 – Efecto fotovoltaico

Figura 1.

Figura 1.

Figura 1.

La.región.del.silicio.que.interviene.en.el.suministro.de..

corriente.es.la.que.rodea.la.unión.P-N;.las.cargas.eléc-

tricas.también.se.forman.en.las.regiones.lejanas,.pero.

no. está. presente. el. campo. eléctrico. que. provoca. su.

movimiento.y.por.tanto.se.recombinan..Por.ello.es.im-

portante.que.la.célula.FV.posea.una.gran.superficie:.a.

mayor.superficie,.mayor.es.la.intensidad.generada..

La.figura.1.9.representa.el.efecto.fotovoltaico.y.el.balan-

ce. energético. que. muestra. el. porcentaje. considerable.

de.energía.solar.incidente.no.convertida.a.energía.eléc-

trica.

100% de la energía solar incidente

• ..3%.pérdidas.por.reflexión.y.sombreado.sobre.los.con-

tactos.frontales

• ..23%.fotones.con.longitudes.de.onda.larga,.con.una.

energía. insuficiente. para. liberar. electrones;. se..

genera.calor

• ..32%.fotones.con.longitud.de.onda.corta,.con.exceso.

de.energía.(transmisión)..

• ..8,5%.recombinación.de.portadores.de.carga.libres
• ..20%.gradiente.eléctrico.en.la.célula,.sobre.todo.en.las.

regiones.de.transición

• ..0,5%.resistencia.en.serie.que.representa.las.pérdidas.

por.conducción

=.13%.energía.eléctrica.utilizable

En.las.condiciones.de.funcionamiento.estándar.(irradian-

cia.de.1W/m

2

.a.una.temperatura.de.25 °C).una.célula.FV.

genera.una.intensidad.de.3 A.con.una.tensión.de.0,5 V.

y.una.potencia.pico.de.1,5.a.1,7 Wp.

Varios.paneles.conectados.eléctricamente.en.serie.com-

ponen. una. cadena,. y. varias. cadenas. conectadas. en.

paralelo.para.generar.la.potencia.necesaria.constituyen.

el.generador.o.huerto.fotovoltaico.(figuras.1.11.y.1.12).

En. el. mercado. se. comercializan. módulos. fotovoltaicos.

compuestos.por.un.conjunto.de.células..Los.más.habi-

tuales.contienen. 36 .células.en. 4 .hileras.paralelas.conec-

tadas.en.serie,.con.un.área.comprendida.entre.0,5.y. 1 .m

2

..

Varios. módulos. conectados. mecánica. y. eléctricamente.

componen.un.panel,.entendido.como.una.estructura.común.

que.puede.fijarse.al.suelo.o.a.un.edificio.(figura.1.10).

Contacto

positivo Capa P

Región P-N

Capa N

Electrodo

negativo

1

1

1

2

3

4

1 Separación de la carga

2 Recombinación

3 Transmisión

4 Reflexión y sombreado sobre los contactos frontales

Consideraciones

generales

ABB Cuaderno técnico | Plantas fotovoltaicas 11

Figura 1.14 – Esquema del principio de funcionamiento de un

inversor monofásico

1 .3.2. Inversor

El.sistema.de.acondicionamiento.y.control.energético.está.

formado.por.un.inversor.que.transforma.la.corriente.con-

tinua.en.alterna.y.controla.la.calidad.de.la.energía.desti-

nada.a.la.red.mediante.un.filtro.L-C.montado.en.el.interior.

del.propio.inversor..La.figura.1.14.muestra.el.esquema.de.

conexión.de.un.inversor..Los.transistores,.utilizados.como.

conmutadores.estáticos,.se.controlan.mediante.una.señal.

de.apertura-cierre.que.en.su.forma.más.simple.propor-

cionaría.una.onda.de.salida.cuadrada.

Para.que.la.onda.sea.lo.más.sinusoidal.posible.se.utiliza.

una.técnica.más.sofisticada:.modulación.del.ancho.del.

pulso. (PWM,. pulse. Width. Modulation).. Esta. técnica.

permite.regular.la.frecuencia.y.el.valor.rms.de.la.forma.

de.onda.de.salida.(figura.1.15).

Figura 1.15 – Principio de funcionamiento de la tecnología PWM

La.potencia.suministrada.por.un.generador.FV.depende.

del.punto.de.la.instalación.en.el.que.está.operando..Para.

optimizar.el.suministro.de.energía.de.la.planta,.el.gene-

rador.debe.adaptarse.a.la.carga,.de.modo.que.el.punto.

de. funcionamiento. corresponda. siempre. al. punto. de.

potencia.máxima..

Con.este.objetivo,.dentro.del.inversor.se.utiliza.un.cho-

pper.controlado.llamado.seguidor.del.punto.de.potencia.

máxima. (MPPT,. Maximum. Power. Point. Tracking).. El.

MPPT.calcula.el.valor.instantáneo.de.la.curva.I-V.("ten-

sión-intensidad"). del. generador. al. cual. se. produce. la.

máxima.potencia.disponible..Tomando.la.curva.I-V.del.

generador.FV:

El.punto.máximo.de.la.transferencia.de.potencia.corres-

ponde.al.punto.tangente.entre.la.curva.I-V.para.un.valor.

dado.de.la.radiación.solar.y.la.hipérbola.descrita.por.la.

ecuación.V.

.I.=.const..

El.sistema.MPPT.de.uso.comercial.identifica.el.punto.de.

potencia.máxima.de.la.curva.característica.del.generador.

induciendo,.a.intervalos.regulares,.pequeñas.variaciones.

de.la.carga.que.determinan.las.desviaciones.de.los.valo-

res.tensión-intensidad.y.evaluando.si.el.producto.resul-

tante.I-V.es.mayor.o.menor.que.el.anterior..En.caso.de.

aumento.de.carga,.se.mantiene.la.variación.de.las.condi-

ciones.de.carga.en.la.dirección.elegida..De.lo.contrario,.

se.modifican.las.condiciones.en.el.sentido.opuesto.

Debido.a.las.características.de.los.rendimientos.nece-

sarios,.los.inversores.para.plantas.aisladas.y.para.plan-

tas.conectadas.a.la.red.tienen.necesidades.distintas:

-. en.las.plantas.aisladas,.los.inversores.deben.ser.ca-

paces.de.proporcionar.una.tensión.en.el.lado.CA.lo.

más.constante.posible.dentro.de.la.variabilidad.de.la.

producción.del.generador.y.de.la.demanda.de.carga;

-. en.las.plantas.conectadas.a.la.red,.los.inversores.de-

ben.reproducir,.lo.más.fielmente.posible,.la.tensión.de.

red. y. al. mismo. tiempo. deben. intentar. optimizar. y.

maximizar.la.energía.de.salida.de.los.paneles.FV.

L N 8 6 4 2 0

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,

V tr

V sin

Volt (V)

Tiempo (s)

V

tr

V

sin

m = / <

P unto de P otencia M áxima

I

0 V

V. I = const.

Punto de potencia máxima (MPP) de un generador fotovoltaico

Cuadernos de aplicaciones técnicas

CC

Consideraciones

generales

12 Plantas fotovoltaicas | ABB Cuaderno técnico

1 .4. Tipologías.de.paneles.fotovoltaicos

1 .4.1. Paneles.de.silicio.cristalino

Actualmente.los.paneles.de.silicio.cristalino.son.los.más.

utilizados.y.se.dividen.en.dos.categorías:

-. .silicio monocristalino.(figura.1.16),.los.paneles.mono-

cristalinos. homogéneos. están. hechos. de. cristal. de.

silicio. cristalino. de. alta. pureza.. El. lingote. de. silicio.

monocristalino.es.cilíndrico,.con.un.diámetro.de. 13 .a.

20 .cm.y.una.longitud.de. 200 .cm..Se.obtiene.a.partir.

del.crecimiento.de.un.cristal.filiforme.en.rotación.lenta..

Posteriormente,. este. cilindro. se. corta. en. obleas. de.

200-250 μm. de. grosor. cuya. superficie. se. trata. para.

obtener. "microsurcos". destinados. a. minimizar. las.

pérdidas.por.reflexión..

. La.principal.ventaja.de.estas.células.es.la.eficiencia.

(14.a.17%),.junto.con.la.larga.duración.y.el.manteni-

miento.de.las.propiedades.a.lo.largo.del.tiempo

3 ..

. El.coste.de.estos.módulos.es.de.alrededor.de.3,2.a. . 3,5.€/W.y.los.paneles.realizados.a.partir.de.esta.tec-

nología.normalmente.se.caracterizan.por.un.color.azul.

oscuro.homogéneo.

4 .

3 Algunos fabricantes de paneles ofrecen 20 años de garantía con una pérdida de eficien-

cia máxima del 10% respecto al valor nominal.

4 El color azul oscuro se debe al recubrimiento antirreflectante de óxido de titanio, que

tiene como función mejorar la captación de radiación solar.

-. paneles de silicio policristalino.(figura.1.17),.en.los.que.

los. cristales. que. componen. las. células. se. agregan.

adoptando.formas.y.direcciones.diferentes..De.hecho,.

las.iridiscencias.características.de.las.células.de.silicio.

policristalino.están.causadas.por.las.diferentes.direc-

ciones. de. los. cristales,. comportándose. de. forma.

distinta.frente.a.la.luz..El.lingote.de.silicio.policristalino.

se.obtiene.a.partir.de.la.fusión.y.el.colado.del.silicio.

en.un.molde.con.forma.de.paralelepípedo..Las.obleas.

así.obtenidas.son.cuadradas.y.presentan.una.estrías.

típicas.de.1800-300 μm.de.grosor..

. Su.eficiencia.es.menor.que.la.del.silicio.monocristalino.

(12.a.14%),.pero.su.coste.también.lo.es:.de.2,8.a.

. 3,3.€/W..Aun.así,.su.duración.es.larga.(respecto.a.la.

del.silicio.monocristalino).y.buena.parte.del.rendimien-

to.se.mantiene.a.lo.largo.del.tiempo.(85%.de.la.eficien-

cia.inicial.tras. 20 .años)..

. Las.células.fabricadas.mediante.esta.tecnología.pue-

den.reconocerse.por.su.superficie,.donde.son.clara-

mente.visibles.los.granos.cristalinos.

Figura 1.16 – Panel de silicio monocristalino Figura 1.17 – Panel de silicio policristalino

Cuadernos de aplicaciones técnicas

CC

Consideraciones

generales

14 Plantas fotovoltaicas | ABB Cuaderno técnico

Actualmente,.la.tecnología GaAS.es.la.más.interesante.

en.términos.de.eficiencia.obtenida,.por.encima.del.25%.

y.hasta.un.30%,.pero.la.producción.de.estas.células.se.

ve. limitada. por. sus. altos. costes. y. por. la. escasez. del.

material,.que.se.utiliza.fundamentalmente.en.los.semi-

conductores.de.alta.velocidad.y.en.la.industria.optoelec-

trónica..De.hecho,.la.tecnología.GaAs.se.utiliza.princi-

palmente.para.aplicaciones.espaciales.donde.el.peso.y.

las.dimensiones.reducidas.tienen.un.papel.determinan-

te.

Los. módulos. CIS/CIGS/CIGSS. forman. parte. de. una.

tecnología.aún.en.desarrollo..El.silicio.se.sustituye.por.

aleaciones.especiales.como:

-. cobre,.indio.y.selenio.(CIS); -. cobre,.indio,.galio.y.selenio.(CIGS); -. cobre,.indio,.galio,.selenio.y.azufre.(CIGSS).

La.eficiencia.actual.es.del. 10 .al.11%.con.rendimientos.

constantes.en.el.tiempo..En.el.silicio.tanto.mono.como.

policristalino. se. prevé. una. reducción. en. los. costes. de.

producción,.de.momento.alrededor.de.2,2-2,5.€/W.

La.cuota.de.mercado.de.las.tecnologías.de.capa.fina.es.

todavía. muy. limitada. (≈7%),. pero. las. soluciones. con.

mayores.capacidades.a.medio.y.largo.plazo.se.toman.

en. consideración. para. una. reducción. sustancial. del.

precio.. Al. depositar. la. capa. fina. directamente. a. gran.

escala.—más.de. 5 .m

2

—,.los.desechos.resultantes.del.

corte.de.obleas.de.silicio.cristalino.pueden.evitarse..Las.

técnicas. de. depósito. son. procesos. de. bajo. consumo.

energético.y.por.lo.tanto.el.tiempo.de.amortización.es.

corto,.entendido.como.el.tiempo.que.debe.estar.funcio-

nando.una.planta.FV.antes.de.que.la.energía.consumida.

5 Según algunos estudios en este campo, en 2020 la cuota de mercado de capa fina

puede alcanzar entre un 30 y un 40%.

Silicio

monocristalino

Silicio

policristalino

Capa fina (silicio

amorfo)

η célula

14%.-.17% 12%.-.14% monocristal.4-6%

tándem.7-10%

Ventajas

η.elevada menor.coste menor.coste

η.constante producción.más.

simple

influencia.de.la.

temperatura.

reducida

tecnología.

fiable

dimensionamiento.

óptimo

mayor.salida.

energética.con.

radiación.difusa

Desventajas

mayor.energía sensibilidad.a.

impurezas.del.

proceso.de.

fabricación

mayores.

dimensiones

cantidad.necesaria.

para.producción

coste.de.estructura.

y.tiempo.de.

montaje

GaAs (arseniuro de

galio)

CdTe (telururo

de cadmio)

CIS (aleación de

seleniuro de

indio-cobre)

η célula 32,5% 11% 12%.

Ventajas

gran.resistencia.a.

altas.temperaturas.

(adecuado.para.

concentradores)

bajo.coste muy.constante

Desventajas

toxicidad

disponibilidad.de.

materiales

toxicidad

disponibilidad.

de.materiales

toxicidad

Tabla 1.

Tabla 1.

en.su.construcción.se.haya.generado.(alrededor.de.un.

año.en.el.caso.de.capas.finas.de.silicio.amorfo.frente.a.

los.dos.años.para.el.silicio.cristalino)..Comparados.con.

los.módulos.de.silicio.cristalino,.los.de.capa.fina.presen-

tan.una.menor.dependencia.de.la.eficiencia.respecto.a.

la.temperatura.de.funcionamiento.y.una.buena.respues-

ta.también.ante.casos.en.los.que.la.componente.difusa.

de.la.luz.es.más.marcada.y.los.niveles.de.radiación.son.

bajos,.sobre.todo.en.días.nublados.

Consideraciones

generales

ABB Cuaderno técnico | Plantas fotovoltaicas 15

1 .5.Tipologías.de.plantas.fotovoltaicas

1 .5.1.Plantas.aisladas

Las.plantas.aisladas.son.aquellas.que.no.están.conec-

tadas.a.la.red.y.consisten.en.paneles.FV.y.un.sistema.

de.almacenamiento.que.garantiza.el.suministro.energé-

tico.también.en.condiciones.de.luminosidad.deficiente.

u.oscuridad..La.corriente.suministrada.por.el.generador.

FV.es.continua,.por.lo.que.si.el.usuario.de.la.planta.ne-

cesita.corriente.alterna.se.requiere.un.inversor..

Estas. plantas. son. ventajosas. desde. el. punto. de. vista.

tanto.técnico.como.económico.cuando.no.hay.red.eléc-

trica.disponible.o.ésta.resulta.de.difícil.acceso,.ya.que.

pueden.utilizarse.en.lugar.de.grupos.electrógenos..Ade-

más,. en. una. configuración. aislada,. el. campo. FV. está.

sobredimensionado.de.forma.que.durante.las.horas.de.

insolación,.tanto.el.suministro.de.carga.como.la.recarga.

de.las.baterías.de.almacenamiento.se.puedan.garantizar.

con.un.cierto.margen.de.seguridad.que.tiene.en.cuenta.

los.días.con.poca.insolación.

Entre.las.aplicaciones.actuales.más.frecuentes.se.en-

cuentra.el.suministro.a.(figura.1.20):

-. equipos.de.bombeo.de.agua; -. radiorrepetidores,.estaciones.de.observación.climato-

lógica.o.sísmica.y.de.transmisión.de.datos;

-. sistemas.de.iluminación; -. sistemas.de.señalización.vial,.portuaria.y.aeroportuaria; -. campings.y.zonas.de.servicio.para.autocaravanas; -. instalaciones.publicitarias; -. refugios.a.gran.altitud.

Figura 1.20 – Cubiertas fotovoltaicas y farolas alimentadas con energía

fotovoltaica

La.figura.1.21.muestra.el.diagrama.del.principio.de.

funcionamiento.de.una.planta.FV.aislada.

Figura 1.

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5 Generador FV

Cuadros de distribución en el lado CC

Regulador de carga

Sistema de almacenamiento (batería)

Posibles cargas de CC

Convertidor estático CC/CA (inversor)

Carga CA

6

7

Conexiones CC

Conexiones CA

Consideraciones

generales

ABB Cuaderno técnico | Plantas fotovoltaicas 17

1 .6.Intermitencia.en.la.generación.

y.almacenamiento.de.la.energía..

producida

La.utilización.de.energía.fotovoltaica.a.gran.escala.está.

técnicamente.limitada.por.la.incertidumbre.en.la.inter-

mitencia.de.la.producción..De.hecho,.la.red.de.distribu-

ción.eléctrica.nacional.puede.aceptar.una.cantidad.limi-

tada.de.potencia.entrante.intermitente,.superada.la.cual.

pueden.producirse.problemas.graves.en.la.estabilidad.

de.la.red..El.límite.de.aceptación.depende.de.la.confi-

guración.de.la.red.y.del.grado.de.interconexión.con.las.

redes.próximas..

En. Italia,. por. ejemplo,. se. considera. peligroso. que. la.

energía.intermitente.total.inyectada.a.la.red.supere.un.

valor.entre.el. 10 .y.el.20%.de.la.energía.total.generada.

por.las.centrales.eléctricas.tradicionales.

En. consecuencia,. las. restricciones. que. surgen. por. la.

intermitencia. en. la. generación. fotovoltaica. limitan. la.

posibilidad. real. de. contribuir. de. forma. significativa. al.

balance.energético.nacional,.una.afirmación.extensible.

a.todas.las.fuentes.renovables.intermitentes..

Para.sortear.este.aspecto.negativo.sería.necesario.alma-

cenar.durante.tiempos.lo.suficientemente.prolongados.

la.energía.eléctrica.intermitente.producida.para.suminis-

trarla. a. la. red. de. manera. más. continua. y. estable.. La.

electricidad. puede. almacenarse. en. bobinas. supercon-

ductoras. o. puede. convertirse. en. otro. tipo. de. energía:.

energía.cinética.almacenada.en.volantes.de.inercia.o.en.

gases. comprimidos,. energía. gravitatoria. en. embalses,.

energía. química. en. combustibles. de. síntesis. y. energía.

electroquímica.en.acumuladores.eléctricos.(baterías)..Tras.

una.selección.de.estas.opciones.conforme.al.requisito.

de.mantener.la.energía.de.forma.eficiente.durante.días.

y/o.meses,.son.dos.los.sistemas.de.almacenamiento.que.

despuntan:.los.que.emplean.baterías.y.el.del.hidrógeno..

En.el.estado.de.desarrollo.de.estas.dos.tecnologías,.el.

almacenamiento. electroquímico. parece. viable. a. corto-

medio.plazo.para.almacenar.energía.de.unas.pocas.horas.

a.varios.días..Por.lo.tanto,.en.lo.que.respecta.a.la.energía.

fotovoltaica.aplicada.a.plantas.conectadas.a.la.red.pe-

queñas,.la.instalación.de.un.subsistema.de.almacena-

miento.compuesto.por.baterías.de.dimensiones.reducidas.

puede.contrarrestar.los.inconvenientes.de.la.intermiten-

cia,.permitiendo.una.mejora.parcial.del.límite.de.acepta-

ción.de.la.red..En.lo.referente.al.almacenamiento.esta-

cional.de.la.gran.cantidad.de.energía.eléctrica.necesaria.

para.sustituir.el.petróleo.en.todos.los.sectores.de.con-

sumo,.el.hidrógeno.parece.ser.la.tecnología.más.adecua-

da.a.largo.plazo,.ya.que.aprovecha.el.hecho.de.que.la.

productividad.eléctrica.solar.en.verano.es.del.orden.de.

tres.veces.superior.a.la.del.invierno..La.energía.sobrante.

almacenada.en.verano.podría.utilizarse.para.optimizar.el.

factor.de.capacidad.anual.de.las.centrales.de.fuentes.de.

energías.renovables,.aumentándolo.desde.el.valor.actual.

de.1500-1600.horas.sin.almacenamiento.hasta.un.valor.

más. cercano. al. promedio. de. las. centrales. eléctricas.

convencionales.(alrededor.de. 6000 .horas)..En.ese.caso.

la.energía.procedente.de.fuentes.renovables.podría.des-

empeñar.el.papel.que.ahora.tiene.la.termoeléctrica,.ya.

que.se.eliminaría.el.límite.de.aceptación.de.la.red.

Cuadernos de aplicaciones técnicas

CC

Producción

energética

18 Plantas fotovoltaicas | ABB Cuaderno técnico

2 Producción energética

2 .1. Circuito.equivalente.de.la.célula.FV

Una. célula. fotovoltaica. puede. considerarse. como. un.

generador.de.intensidad.y.puede.representarse.con.el.

circuito.equivalente.de.la.figura.2.1..

La.intensidad.I.en.los.terminales.de.salida.es.igual.a.la.

intensidad.generada.mediante.el.efecto.fotovoltaico.I

g

con.el.generador.de.intensidad.ideal,.menos.la.intensidad.

del.diodo.I

d

.y.la.intensidad.de.fuga.I

l

La.resistencia.serie.R

s

.representa.la.resistencia.interna.

al.flujo.de.la.intensidad.generada.y.depende.del.grosor.

de. la. unión. P-N,. de. las. impurezas. presentes. y. de. las.

resistencias.de.contacto..

La.conductancia.de.fuga.G

l

.tiene.en.cuenta.la.corriente.

a.tierra.en.condiciones.de.servicio.normales..

En.una.célula.ideal.encontraríamos.R

s

.=. 0 .y.G

l

.=.0..Sin.

embargo,. en. una. célula. de. silicio. de. alta. calidad. R

s

0,05÷0,10 Ω.y.G

l

.=.3÷5 mS..La.eficiencia.de.conversión.

de. la. célula. FV. se. ve. muy. afectada. por. una. pequeña.

variación.de.R

s

,.mientras.que.es.mucho.menos.sensible.

a.una.variación.de.G

l

Figura 2.

Figura 2.

La.tensión.sin.carga.V oc

.se.da.cuando.la.carga.no.absor-

be.intensidad.(I.=.0).y.viene.dada.por.la.fórmula:

V

oc

I

I

G

I

[2.1]

[2.2]

[2.3]

La.intensidad.del.diodo.se.obtiene.de.la.fórmula.clásica.

de.corriente.continua:

donde:

•. I

D

.es.la.intensidad.de.saturación.del.diodo;

-. Q.es.la.carga.del.electrón.(1.6.

• .C) -. A.es.el.factor.identidad.del.diodo.y.depende.de.los.

factores. de. recombinación. dentro. del. propio. diodo.

(para.el.silicio.cristalino,.alrededor.de.2).

-. k.es.la.constante.de.Boltzmann.(1,38.

-23.

J

K

-. T.es.la.temperatura.absoluta.en.grados.K.

Por.tanto,.la.intensidad.suministrada.a.la.carga.respon-

de.a:

En.las.células.normales,.el.último.término.(es.decir,.la.

intensidad.de.fuga.a.tierra.I

l

).es.despreciable.respecto.a.

las.otras.dos.intensidades..En.consecuencia,.la.intensi-

dad.de.saturación.del.diodo.se.puede.determinar.expe-

rimentalmente. aplicando. la. tensión. en. ausencia. de.

carga.V

oc

.a.una.célula.no.iluminada.y.midiendo.la.inten-

sidad.que.fluye.en.el.interior.de.la.célula.

2 .2. Curva.tensión-intensidad.del.módulo

En.la.figura.2.2.se.muestra.la.curva.característica.tensión-

intensidad.de.un.módulo.FV..En.condiciones.de.cortocir-

cuito.la.intensidad.generada.es.la.máxima.(I sc

),.mientras.

que. con. el. circuito. abierto. la. tensión. es. la. máxima..

(V

oc

.=.tensión.de.circuito.abierto)..En.estas.dos.situaciones.

la.energía.eléctrica.producida.en.el.módulo.es.cero,.mien-

tras.que.en.cualquier.otra.situación,.al.aumentar.la.tensión.

la.energía.producida.también.aumenta:.al.principio.alcan-

za.el.punto.de.potencia.máxima.(P m

).para.caer.después.

a.un.valor.próximo.al.valor.de.tensión.sin.carga.

Así.pues,.los.datos.característicos.de.un.módulo.solar.

se.pueden.resumir.a:

• .I

sc

.. intensidad.de.cortocircuito;

• .V

oc

. tensión.sin.carga;

• .P

m

..potencia.producida.máxima.en.condiciones.están-

dar.(STC);

• .I

m

. intensidad. producida. en. el. punto. de. potencia.

máxima;

• .V

m

. tensión.en.el.punto.de.potencia.máxima;

• .FF. factor.de.llenado:.parámetro.que.determina.la.for-

ma.de.la.curva.característica.V-I.e.indica.la.relación.

entre.la.potencia.máxima.y.el.producto.

.. (V

oc

I

sc

.).de.la.tensión.sin.carga.multiplicada.por.la.

intensidad.de.cortocircuito.

R s I g

I d II

G I

Voc

I

Intensidad [A]

Tensión [V]

Temp. Cél. = 25 °C

Irrad. incid. = 1000 W/m

2

59.9 W

I m

V m

P m

= I m

*** V m**

P = I * V

0 5 10 15 20 25

I SC

V OC

Q V oc

A

. k

. T e I = I g

- I

d

- I

l

= I

g

- I

D

- G

l

V

oc

I

d

= I

D

Q V oc

A

. k

. T e