En los últimos años se ha escuchado mucho hablar de la descarbonización y de la transición energética y, en este proceso, la fotovoltaica toma cada vez mayor protagonismo. La tecnología fotovoltaica se basa en la conversión de la energía que proviene del sol en forma de radiación a energía eléctrica a través del efecto fotovoltaico. Esto nos permite aprovechar una fuente infinita y renovable de energía como el sol para producir y consumir energía eléctrica de una manera limpia. En sus inicios, los costes de los paneles solares eran tan elevados que hacían prácticamente inviable su instalación, pero, con los años, la reducción de los costes de fabricación unido a la mejora de la eficiencia de las células fotovoltaicas ha convertido a la energía solar en una de las opciones más recomendables para reducir la dependencia de otras fuentes no renovables.

Además de coste y eficiencia, los paneles solares han tenido una evolución en cuanto a tamaño, potencia y materiales que utilizan. Actualmente, los paneles más comunes en el mercado suelen tener potencias por encima de los 400W y llegan hasta los 700W, con dimensiones que suelen estar por encima de los dos metros de largo y el metro de ancho. Atendiendo al tipo de célula que ha predominado hablaríamos de la de cilicio monocristalino.

En una instalación fotovoltaica, la energía eléctrica generada en los paneles solares es de tipo corriente continua (C.C.) por lo que, generalmente, se tiene que transformar en corriente alterna (C.A.) para ser consumida en el entorno residencial o, en el caso de los parques solares, también se produce C.A. Para ello, se utilizan los inversores solares, cuya función es transformar la C.C. en C.A. Al igual que los paneles, los inversores solares varían en cuanto a potencia y otros parámetros, y existen distintos tipos dependiendo de su aplicación. Los inversores más utilizados son los de conexión a red y los híbridos.

Los inversores de conexión a red son utilizados en aplicaciones residenciales, industriales y parques solares, cubriendo todo tipo de instalaciones fotovoltaicas. Por el contrario, los inversores híbridos son fundamentalmente utilizados en aplicaciones residenciales, ya que permiten la conexión directa de baterías. Estos últimos nos ofrecen la ventaja de almacenamiento de energía para utilizarla en las horas en las que no hay producción solar.

En este punto, cabría preguntarnos: ¿cuántos paneles y qué tipo de inversor debería poner en mi instalación?

Si hablamos de autoconsumo, la respuesta es muy variable, ya que cada instalación tiene sus particularidades y cada consumidor de energía tiene una demanda diferente. Por esta razón, se realiza un estudio fotovoltaico que determina la instalación más apropiada para cada consumidor.

En Chint llevamos alrededor de dos años haciendo este tipo de estudios y dimensionando sistemas ajustados a las necesidades de cada cliente. Para entrar más en detalles, veamos cómo hacemos los estudios fotovoltaicos.

ANÁLISIS DEL CONSUMO

En instalaciones de autoconsumo, el consumo es la base para el dimensionado de la instalación. En España existen diferentes tarifas eléctricas que clasifican el consumo en tres tramos horarios, llano, valle y punta, siendo este último el que coincide con las horas de mayor demanda y en el que la energía tiene un mayor coste.

El primer paso en el análisis es determinar cuánta energía se necesita durante las horas diurnas, ya que este consumo es el que podrá ser sustituido por la energía solar de manera directa. Las horas de consumo diurno coinciden, en parte, con las tarifas pico y valle.

Otro aspecto importante para el diseño de la instalación está relacionado con la modalidad de autoconsumo que puede ser: sin excedentes, con excedentes sin compensación y con excedentes con compensación.

Una vez determinado el consumo diurno, se dimensiona la instalación, tratando siempre de satisfacer el gasto diurno al 100% y tratando de minimizar los excedentes dependiendo de la modalidad que tendrá la instalación. Lo recomendable es acogerse a la compensación con excedentes, ya que los excedentes vertidos a la red podrán compensar el consumo nocturno, cuando no hay producción solar.

Por otro lado, el consumo suele ser regular o variable durante todo el año, mayor en invierno o mayor en verano, aspecto que interferirá en la inclinación óptima de los paneles.

DIMENSIONADO DE LA INSTALACIÓN

Una vez caracterizado el consumo, nos centraremos en el dimensionado de la instalación. Es decir, determinaremos el número de paneles solares que se deben instalar y la potencia del inversor. Muchas veces el número de paneles a instalar estará condicionado por el espacio disponible. El conjunto de paneles e inversor marcarán la cantidad de energía que podrá producir la instalación, aunque hay otros factores secundarios que pueden limitar la producción de energía.

1.-Inclinación

La inclinación, en cierta medida, va relacionada con el lugar donde se instalarán los paneles. Cuando se trata de tejados inclinados, su posición estará marcada por la inclinación del tejado ya que, en estos casos, se suelen utilizar estructuras coplanares para la fijación de los paneles, y, por tanto, la inclinación de los paneles será la misma que la del tejado. En el caso de techos planos o terrenos, el tipo de estructura que se utiliza permite variar la inclinación de los paneles, por lo que se puede optimizar el sistema en relación con la inclinación.

Como se mencionó anteriormente, la curva de consumo influirá en la inclinación que se ha de dar a los paneles. Hay que tener en cuenta que la más óptima será aquella en que los rayos del sol caigan perpendicularmente a la superficie del panel. Así, para instalaciones cuyos consumidores demandan más energía en invierno, habrá que dar una inclinación mayor a los paneles, puesto que el sol en invierno está más bajo.

Figura 1. Posición del sol dependiendo de la época del año.

Caso contrario ocurre en verano, cuando el sol está más alto y, por ende, habrá que dar una menor inclinación a los paneles si queremos maximizar su producción.

Para conseguir una producción regular a lo largo del año, habrá que dar una inclinación intermedia a los paneles siempre sin perder de vista que, por naturaleza, la producción será mayor en los meses verano al ser los de mayor cantidad de horas de sol.

2.- Orientación

La orientación óptima será al sur (cuando estamos en el hemisferio norte, como es el caso de España). Esto quiere decir que, siempre que se pueda, debemos orientar los paneles hacia este punto cardinal. Aquí también estaremos condicionados por la orientación de los tejados inclinados, mientras que para techos planos y terrenos tendremos un poco más de margen de maniobra.

3.-Sombras

En relación con las sombras, lo ideal es evitarlas en los paneles ya que esto afecta a la producción de energía. Sin embargo, en ocasiones es muy difícil evitar que los paneles se vean afectados por la penumbra proveniente de chimeneas u otros obstáculos naturales paisajísticos durante algunas horas. En el caso de los paneles montados sobre estructuras con ángulo de inclinación variable, habrá que cuidar que no se produzca sombreado entre filas.

Una de las claves que nos puede ayudar a evadir este punto es la utilización de paneles de célula partida, que minimizan el impacto de las sombras por la forma en la que están conectadas las celdas solares.

CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA

Una vez seleccionados los paneles e inversores que se instalarán en el sistema fotovoltaico, lo que sigue es determinar cuánta energía producirá el sistema y si éste se ajusta a las necesidades de consumo. En nuestros estudios, trazamos una curva denominada cobertura solar, que representa el consumo de energía durante las horas diurnas y la producción que conseguirá la instalación propuesta. Esta gráfica nos dará una visión rápida de la adecuación del proyecto atendiendo al consumo previsto.

Gráfica 1: Cobertura solar de la instalación.

En la Gráfica 1 se muestra un ejemplo de la curva de un sistema que cubre el 100% de la demanda diurna. En este caso se produce un excedente considerable, sobre todo en los meses de verano. Es en este momento en el que hay que revisar la modalidad de autoconsumo, y dependiendo del resultado, se podrá rediseñar o no el sistema.

RETORNO ECONÓMICO

Es uno de los puntos clave de un estudio fotovoltaico, ya que puede marcar la viabilidad o no de la instalación. En las instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo, no hay ingresos económicos propiamente dichos, sino que la aportación económica se produce por el ahorro de energía que el usuario deja de comprar a la red.

Para estimar el aporte económico de una instalación, se hace una proyección a 25 años de la energía que producirá el sistema teniendo en cuenta el aumento de los precios de la energía. En instalaciones en modalidad de excedentes con compensación se nota una mayor aportación económica, ya que los excesos de producción son aprovechados.

El retorno económico está condicionado por diversos factores, entre los cuales destaca el hábito de consumo. Un consumidor de energía cuya demanda se produce mayoritariamente durante las horas diurnas, verá un mayor retorno económico, ya que toda la energía demandada durante el día ahora será suministrada por la instalación fotovoltaica. Esto quiere decir que, aunque siempre habrá un beneficio considerable en términos económicos, un cambio de hábito de consumo que traslade, en la medida de lo posible, el mismo a las horas de mayor producción solar, tendrá un impacto positivo en cuanto a la aportación económica de la instalación.

CARACTERÍSTICAS DE LA INSTALACIÓN

Una vez dimensionada es presentada en una imagen tridimensional que nos dará una idea de cómo quedarán los paneles una vez que sean instalados, así como del impacto de las sombras.

Imagen 1: Instalación fotovoltaica de autoconsumo residencial

CONCEPTOS CLAVE

– String: se refiere a un número determinado de paneles conectados en serie.

– MPPT:  hace referencia al rastreador del punto de máxima potencia (Maximum Power Point Tracker). Cada inversor tiene un número determinado de rastreadores MPPT y estos a su vez tienen una capacidad de strings determinada.

– STC o condiciones estándar de medida (Standard Technical Conditions): se refiere a las condiciones en las que se prueban los paneles solares para medir sus características técnicas, véase tensión (V) e intensidad (I).

Todos estos términos son utilizados para describir la instalación.

Una de las características de la instalación fotovoltaica es cómo estarán configuradas las conexiones entre paneles e inversor. De ahí que escuchemos cuántos string de paneles se conectan a cada MPPT y cuántos paneles en serie tendrá cada string.

Otro aspecto importante en una instalación fotovoltaica son las protecciones eléctricas. En general, se suele poner un cuadro de protecciones para la parte de CC y otro para la parte de CA y estas dependerán de las características técnicas tanto de los paneles como del inversor.

1.- Cuadro CC

El cuadro de CC está situado entre los paneles y el inversor y tiene unas protecciones eléctricas para cada string. Usualmente se utilizan interruptores magnetotérmicos, o seccionadores más fusibles, y descargadores de sobretensiones. Los componentes seleccionados y sus características dependerán de los parámetros técnicos de la instalación.

2.- Cuadro CA

El cuadro de CA está situado entre el inversor y el cuadro general de mando y protección (CGMP) y los componentes seleccionados en su configuración dependerán de los parámetros técnicos del inversor.

Todos los componentes de la instalación, tanto paneles, como cuadros de protecciones y el inversor, son presentados en un esquema eléctrico que sirve como referencia al instalador.

CONCLUSIONES

En este artículo se ofrece una visión general de todos los factores a considerar a la hora de determinar qué instalación fotovoltaica se ajusta más a las necesidades de cada cliente.

Como ha quedado reflejado, existen un sinfín de factores que afectan al diseño de la instalación. Desde el espacio disponible, que va a limitar el número de paneles a instalar, a la forma en la que se colocarán los paneles. Por ello, es aconsejable hacer un estudio fotovoltaico que determine la instalación óptima.

Todos los estudios fotovoltaicos de Chint están enfocados en ofrecer una solución completa.

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