Características técnicas en instalaciones fotovoltaicas aisladas

¿Qué batería necesito? ¿Cuántos paneles solares debo instalar? ¿Necesito inversor fotovoltaico o regulador de carga? ¿Instalación monofásica o trifásica? ¿Este inversor necesita medidor? ¿1 o 2 días de autonomía de batería? ¿Instalación en acoplamiento en alterna, continua o las dos?

• Consumo energético y potencia.
• Tipos de instalaciones aisladas.
• Criterios de selección de equipos para la instalación.

La principal característica de las instalaciones fotovoltaicas aisladas es que se desarrollan principalmente en ambientes sin presencia de la red eléctrica. Esto significa que, al no tener un apoyo de la red, necesitamos dimensionar un campo fotovoltaico, baterías y en algunos casos incluso contar con un grupo electrógeno que nos brinde el apoyo y/o respaldo energético suficiente para cubrir nuestros consumos diarios, ya sean estos de una vivienda, edificio comercial o industrial.

Por lo tanto, es muy importante que conozcamos todos nuestros consumos, tanto en corriente alterna como en corriente continua, sí los hay, y de esta manera podremos determinar el tipo de instalación aislada que mejor se acople a nuestras necesidades.

Planteamiento del sistema

Una vez hayamos estudiado nuestros consumos, definiremos el tipo de instalación aislada que más nos convenga. Destacamos los siguientes tipos:

• Aislada en AC Coupling o con inversor de red acoplado en corriente alterna.
• Aislada en DC Coupling o acoplada en corriente continua.
• Aislada en AC/DC Coupling o acoplada en corriente alterna y continua.

Luego de conocer los tipos de instalaciones aisladas, vamos ahora a repasar las características de cada una, lo cual nos ayudará a crear un criterio de selección.

• AC Coupling: Toda la producción fotovoltaica va a recaer sobre el inversor. La gestión de carga de la batería va a depender de la eficiencia de transformación (AC a DC) del inversor/cargador. El inversor/cargador es el gestor de la instalación y debe cumplirse la relación 1 a 1, esto significa que el inversor de red acoplado en CA no debe ser superior al inversor/cargador. Este último es quien decide la gestión de carga priorizando los consumos de la casa, de manera que la energía sobrante pasará a la batería transformando la corriente alterna en corriente continua. Si la instalación tiene un grupo electrógeno, este también ejecuta la producción de energía que es distribuida, bien hacia el consumo o bien directamente para cargar baterías.

• DC Coupling: Toda la producción fotovoltaica recae sobre el regulador de carga. Este tipo de instalación tiene la ventaja de que siempre envía directamente la producción de los módulos hacia la batería. Sí la vivienda necesita energía, el inversor/cargador tomará la energía directamente de las baterías llevando a cabo una transformación (DC a AC). De esta manera podemos garantizar que las baterías estén cargando constantemente mientras haya luz solar. Otra ventaja de este sistema es que podemos alimentar directamente desde la salida del regulador los consumos que sean en corriente continua, teniendo en cuenta la salida de tensión ya sea 12, 24 o 48V según el dispositivo. En este tipo de instalaciones no tenemos en cuenta la relación 1 a 1 entre inversor/cargador y regulador. El regulador se debe seleccionar según tensión del sistema y capacidad fotovoltaica del equipo. En este punto es muy importante la distribución de series y paralelos entre los módulos, ya que por ejemplo un regulador Smart Solar 250/100 puede abarcar series de módulos que no superen los 250V y un campo fotovoltaico completo de 5800W. (12 módulos de 450W = 5400W, realizamos 3 ramas en paralelo de 4 módulos en serie).

• AC/DC Coupling: Posee las ventajas tanto de uno como del otro modelo, generando un sistema de mayor rendimiento y eficiencia frente a los dos primeros. La desventaja de este sistema es que es levemente más costoso que las otras dos opciones y que quizá se requiera de al menos un par de horas más para su puesta en marcha. Al tener producción fotovoltaica en el inversor que está alimentando directamente los consumos de la casa mientras el regulador está directamente cargando las baterías se eleva claramente el rendimiento. Cabe recordar que hay que cumplir la relación 1 a 1 del AC Coupling y tener en cuentas las condiciones de la distribución de series y paralelos del DC Coupling.

Dimensionado

Para explicar este punto, vamos a basarnos en un ejemplo de los consumos de una vivienda ubicada a las afueras de la ciudad de Valencia y sin presencia de red eléctrica en la zona.

Una vez tenemos la información de cómo podemos plantear la solución y sabiendo los datos de potencia y demanda energética, pasamos a dimensionar el sistema completo.

Para este ejemplo, hemos seleccionado una instalación monofásica AC/DC Coupling con los siguientes equipos:

1. Paneles solares: Para este apartado usaremos la herramienta PVGIS de la comisión europea: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/es/#PVP. Los datos más relevantes que debemos introducir son los siguientes:

1. 1. Dirección o ubicación. Antes que todo debemos ingresar la ubicación de la instalación para que el sistema cargue los datos fotovoltaicos del lugar.
   2. Pérdidas del sistema (%): Este valor indica el porcentaje de pérdidas que podríamos tener en la instalación por todos los factores conocidos como sombras, suciedad, conexionado, inclinación, temperatura, etc. Este valor lo podemos estimar entre un 10-14%.
   3. Inclinación (º): El resultado de rendimiento del sistema variará según si la estructura la colocamos sobre un tejado inclinado o sobre suelo.

Azimut (º): Dependerá de la orientación de los módulos con respecto al hemisferio sur. Sí los paneles solares están perfectamente orientados al sur, entonces el valor del azimut es 0º. El azimut puede ser negativo si los módulos están orientados hacia el este y positivo si están orientados hacia el oeste.

Como se puede observar, el mes de diciembre es el de menor producción fotovoltaica. Según las características iniciales indicadas, con un valor de 101.84kWh (al mes) / 31 días del mes = 3,28 horas de sol u Horas Solares Pico (HSP) al día en promedio. Es necesario recordar que para el dimensionamiento del campo fotovoltaico se tiene siempre en cuenta es el día de menos producción solar.

• Módulo seleccionado: 450W.
• HSP: 3,28 h.
• Consumo diario: 12307Wh.
• Número de módulos: 10.
• Producción diaria en diciembre: 10unid x 450W x 3,28h = 14760Wh.
• Producción FV 14760hW > Consumo diario 12307Wh.

Por tanto, con 10 módulos de 450W podemos garantizar la energía solar suficiente para satisfacer el consumo diario.

2. Inversor/Cargador: Vamos a suponer que la instalación tiene un factor de simultaneidad del 85% (si todos los equipos se encendieran a la vez este factor sería del 100%, pero como no es así, entonces suponemos un valor inferior, como el 85%).

7200W x 0,85 = 6120W (potencia máxima de uso en la instalación). Debemos seleccionar un inversor/cargador superior a este valor. Se pueden considerar simultaneidades inferiores si el cliente nos asegura cumplirlas.

Inversor/cargador seleccionado: Victron Quattro 48/8000

Tiene un factor de potencia de 0,8 por lo que la potencia real sería = 8kVA x 0,8 = 6,4kVA.

Este valor es superior a la potencia necesitada (6,4kVA > 6,12kW) y por tanto sería válido.

3. Inversor (AC coupling): Vamos a seleccionar un Fronius Primo 3.6 Para este inversor vamos a acoplar en continua 8 módulos de 450W para un total de 3600Wp. Esta elección nos permite también estar por debajo de la relación 1:1

Equipo seleccionado: Fronius Primo 3.6

Notas:

Esta instalación también podría haber sido solo AC Coupling, seleccionando un inversor que pudiera gestionar los 10 módulos de 450W como por ejemplo el Fronius Primo de 4kW.

4. Regulador de carga (DC coupling): Los 2 módulos restantes (450W x 2 = 900Wp) los vamos a utilizar para garantizar la carga de la batería. Para este caso vamos a seleccionar un Victron Smart Solar MPPT 100/20 que a 48V nos permite un campo FV de 1160W.

Equipo seleccionado: Smart Solar 100/20

Nota: Esta instalación también pudiera haber sido sólo en DC Coupling, seleccionado un regulador de carga con capacidad para un campo FV de 4,5kWp, como por ejemplo el Regulador Smart Solar 250/85 que soporta un campo FV máximo de 4900Wp.

5. Batería: Para este caso, dado que el consumo es de unos 12kWh, podríamos seleccionar una batería BYD LVS de 12kWh. Aunque en este punto se pueden tomar dos decisiones:

a). Con 12kWh de batería tenemos casi 1 día de autonomía energética, garantizamos la carga completa de esta, pero quizá se quede corta o subdimensionada la capacidad. En este caso, tendríamos la batería cargada antes del mediodía y desaprovecharíamos energía.

b). Con una batería de 24kWh tenemos 2 días de autonomía, pero hay que tener en cuenta si la capacidad FV instalada es equilibrada para garantizar la carga de esta en un tiempo y/o ritmo razonable.

6. Grupo electrógeno: Este equipo es casi obligatorio como equipo auxiliar o de apoyo en nuestra instalación solar fotovoltaica aislada en caso de que haya muchos días consecutivos con baja irradiación. Para el dimensionamiento de este, podemos estimar su potencia con un valor 1,25 veces superior al del equipo inversor/cargador. Ejemplo: Para un Victron Quattro de 8kVA el grupo recomendado es un equipo con una potencia de 10kVA (8 x 1,25). El cálculo de dimensionamiento para este no es vinculante. Podemos usar un equipo de menor potencia y ajustamos en el inversor cargador la demanda máxima que queremos pedirle.

7. Accesorios:

a). Equipos de comunicación: En Victron la comunicación se realiza mediante los equipos GX, que envían toda la información al portal web “VRM Victron”.

b). Cables de comunicación de batería.

c). Cables de comunicación entre equipos. Generalmente se usan cables UTP y cables específicos como VE direct (para reguladores Victron).

d). Protecciones eléctricas en CC de las que puedes encontrar mayor detalle en nuestra anterior entrada de blog “Protecciones eléctricas en instalaciones fotovoltaicas de ámbito residencial e instalaciones aisladas”.

Resumiendo, nuestro sistema debería constar de los siguientes elementos en los cuales no incluimos el material puramente eléctrico.

10 x Módulos 450 Wp

1 x Inversor/cargador Victron Quattro 48/8000

1 x Regulador Smart Solar 100/20

1 x Fronius Primo 3.6

1 x BYD LVS 12 para un día de autonomía o 2 x BYD LVS 12 para dos días de autonomía

1 x Cerbo Gx + Touch Gx

1 x Grupo Electrógeno 8 kVAs

1 x Cable BMS TYPE A para la comunicación de BYD junto a Cerbo Gx

1 x Cable VE Direct

1 x Fuse Holder for Megafuse

1 x Mega Fuse 300 A

Así pues, siguiendo los pasos que hemos comentado, podemos dejar nuestro sistema dimensionado y con los equipos necesarios para ejecutar la instalación fotovoltaica aislada. De este modo, tenemos un kit específico para los consumos, potencia demanda y autonomía deseada por nuestro cliente.