2º Instalaciones eléctricas y automáticas

Hoy día existen miles de aparatos que utilizan la electricidad como fuente de energía, y su uso ha provocado un gran aumento de la demanda de consumo eléctrico.

Este hecho ha propiciado la búsqueda de nuevas

fuentes de energía y nuevos sistemas de producción eléctrica, basados, fundamentalmente en el uso de energías renovables.

• Analizar los parámetros de los elementos que intervienen en una instalación

• Calcular y colocar los paneles solares

• Calcular el número de acumuladores necesarios en una instalación

• Calcular las pérdidas eléctricas

• Interpretar la simbología utilizada en los esquemas de instalaciones solares fotovoltaicas

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1.Radiación solar

2.Radiación recibida en un panel solar

3.Orientación de los paneles solares

4.Cálculos principales

5.Pérdidas eléctricas en la instalación. Caídas de tensión

6.Simbología utilizada en los esquemas de las instalaciones solares

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El recurso energético en las ISF es la radiación solar incidente. La radiación del sol como recurso energético presenta una serie de ventajas e inconvenientes:

Inconvenientes

• Gran variabilidad (noche/día, invierno/verano, climatología…)

• Elevada dispersión (llegan pocos W/m2)

• Trabajo en estimaciones de energía captada

Ventajas

• Fuente de Energía renovable

• Disponible en cualquier ubicación geográfica

• Fuente de energía de libre uso

Al calcular la radiación solar en un lugar hay que considerar que “el Sol describe una trayectoria anual y otra diaria” (desde el punto de vista de la instalación).

El máximo de energía incidente se da en las

horas centrales del día.

Ángulo menor en

invierno que en

verano

Diferente inclinación

de los rayos según la

estación

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Al orientar los paneles solares debemos tener en cuenta que la posición de la Tierra con respecto al Sol presenta un ángulo de inclinación que, además no es constante y varía diariamente. En la práctica se utiliza una estimación del ángulo de declinación

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El signo del ángulo de declinación depende de la posición de la Tierra

en la órbita.

Antes de llegar a la superficie, la radiación solar está sometida a diferentes factores que afectarán a su energía

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Para medir la radiación solar se utilizan dos valores:

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ez La irradancia es la potencia recibida por unidad de superficie. Se mide en

Watios por metro cuadrado (W/m2).

La irradiación es la energía recibida por unidad de superficie. Se mide en Watios hora por metro cuadrado (W·h/m2).

1. Busca la cantidad de energía solar que se pierde debido a los fenómenos de: • Reflexión

• Difracción

• Dispersión

• Absorción

¿Cuál es el fenómeno de mayor influencia sobre la radiación solar?

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Podemos considerar el siguiente esquema de la energía solar que se recibe en un panel solar, independientemente del lugar donde se encuentre ubicado

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ez Extraatmosférica

Diversas pérdidas

de radiación

Radiación del albedo

o reflejada (R)

Directa (B)

Difusa (D)

La inclinación de los paneles busca el mayor aprovechamiento de la radiación solar y consigue generalmente aumentar irradancia. Es importante determinar cuál debe ser el ángulo de inclinación del panel, que dependerá de la ubicación geográfica de la instalación.

Una vez que sabemos qué tipo de radiación va a recibir el panel solar, debemos realizar el cálculo de la irradancia que vamos a tener.

Como la radiación solar es un recurso muy difícil de determinar por su carácter aleatorio, se utilizan bases de datos de radiación incidente:

• Media anual de radiación diaria incidente (kW·h/m2·día)

• Media mensual de radiación diaria incidente (kW·h/m2·día)

• Media diaria de radiación incidente (kW·h/m2·día)

• Media horaria de radiación incidente (kW·h/m2)

• Horas de sol diarias (media anual, mensual o diaria)

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Los valores dados para superficie horizontal deberán ser transformados a valores sobre superficie inclinada, en función del ángulo adecuado para el panel solar.

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ez Para el diseño de ISF autónomas se trabaja con bases de datos de

radiación media mensual. Existen diferentes bases de datos por localidades donde podemos consultar estos valores. Algunos ejemplos son:

• PVGIS

• Censolar H-World

• NASA

• RETScreen International

Para saber el nivel de radiación que recibe Almería, debemos consultar alguna base de datos. Utilicemos la de la nasa:

http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/

1. Hacemos clic en Data retrieval/Data tables or a particular location

2. Introducimos las coordenadas de la Almería (36,5N y 2,27W)

3. Seleccionamos en los siguientes apartados las opciones indicadas: 1. Geometry: Latitude and longitude

2. Parameters for solar cooking: Average insolation

3. Parameters for sizing and pointing of solar panels: Insolation on horizontal surface

4. Solar geometry: solar noon

4. En la tabla que aparece podemos ver los valores para los diferentes meses. Para Almería en febrero: Gdm(0) = 3,47 kW·h/m2·day

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A la hora de colocar los paneles solares tenemos dos posibilidades:

• Montaje con seguidor solar: los paneles siguen la trayectoria del Sol a lo largo del día, intentando obtener siempre la mejor inclinación para la recepción de los rayos solares.

• Montaje fijo: es muy habitual en instalaciones autónomas. Para ello se realizan dos ajustes:

• Orientación del panel solar hacia el sur (en España), mediante una brújula (colocación en acimut).

• Colocación del ángulo óptimo de elevación del panel solar, mediante un inclinómetro.

El ángulo de elevación (β) es el que forma el panel solar con el suelo. Se

determina a partir de la latitud de la ubicación geográfica de la instalación y de la declinación solar.

Β= ϕ + δ ϕ = latitud

δ = declinación solar

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Como la declinación solar varía diariamente, lo que se hace en la práctica es utilizar los datos del mes que menor radiación recibe. En esta época del año es cuando se produce mayor cantidad de radiación difusa y, al realizar el diseño de la instalación, el ángulo que se utiliza es:

• Al sumar 10º a la latitud, optimizamos la instalación para los meses de invierno.

• Si la utilización de la instalación es mayoritariamente en verano, se aplica la resta de los 10º a la latitud. En los sistemas conectados a red interesa más el promedio anual de energía producida y por eso se usa la resta de 10º a la latitud.

Β= ϕ + 10º ϕ = latitud

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La inclinación del panel solar hace que se obtenga una mayor cantidad de irradiación sobre la superficie. Por tanto, y para poder seguir realizando cálculos, debemos determinar este valor partiendo de la radiación recibida sobre una superficie horizontal.

Existen varias formas de hacerlo, pero la más sencilla es la utilización de un software específico. Existen programas de distribución gratuita e incluso aplicaciones on line para realizarlo.

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El ángulo de inclinación (β) con el plano horizontal es 0º para módulos horizontales y 90º si son verticales.

Para determinar el valor de la inclinación de los paneles solares con respecto a la horizontal tendremos en cuenta los siguientes casos:

• Para todo el año: β coincide aproximadamente con la latitud del lugar donde se instale.

• Para invierno: la inclinación sería la obtenida de sumarle a la latitud 10º.

• Para verano: la inclinación sería el resultado de restarle a la latitud 20º.

Para que una instalación proporcione energía suficiente en los meses de menor radiación en Arahal (Sevilla), la inclinación final podrá situarse entre la latitud del lugar (37º) y la latitud más 10º (47º). Finalmente, y por facilidad constructiva de la estructura que portará los módulos, se elegirá una inclinación de 45º.

Determina la orientación de los paneles solares en Almería, Roquetas de Mar, Aguadulce, Vícar, Ibiza y Londres

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Al instalar paneles, debemos considerar posibles sombras que puedan disminuir la intensidad que pueden proporcionar, e incluso en algunas ocasiones anular su funcionamiento.

Existen tablas y mapas de sombreado para estimar el factor de sombra que se puede dar en una instalación (por ejemplo, en el Código Técnico de la Edificación, CTE).

Normalmente no se consideran estrictamente estos valores al diseñar la instalación, y se trabaja con coeficientes de seguridad que tienen presentes estas y otras posibles pérdidas, realizando un sobredimensionamiento para que la instalación funcione sin problemas aún en el peor caso.

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Podemos decir que si la mitad de una célula está en sombra, sólo producirá la mitad de la intensidad que puede proporcionar. Hay que recordar que la corriente de células solares conectadas en serie viene determinada por la que proporciona menor valor de intensidad.

Por tanto, si una célula tiene una determinada sombra, la intensidad que proporciona es menor y hará que el conjunto de la asociación de células conectadas con ella disminuya su intensidad.

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Con conexión en serie,

la intensidad sería 0 Aquí la intensidad se

reduce a la mitad

Aquí la intensidad de la

rama se reduce a la mitad

Tras determinar la radiación solar, buscaremos las características que debe tener el generador fotovoltaico en función de las necesidades de la instalación. Para ello seguiremos los siguientes pasos:

• Determinar la radiación sobre los paneles inclinados.

• Determinar el consumo eléctrico de los aparatos a los que nuestra instalación solar va a proporcionar energía.

• Calcular, a partir del panel elegido, el número de paneles necesarios y el tipo de asociación que queremos realizar.

El parámetro fundamental para poder realizar el dimensionado del generador fotovoltaico es la potencia, puesto que nos va a determinar el número de paneles necesarios en la instalación.

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Se necesita montar un puesto de vigilancia contra incendios en Almiruete (Guadalajara). Los elementos a considerar en la instalación son:

• Repetidor de cobertura para radiocomunicaciones

• Estación base de comunicaciones

• Dos luminarias de bajo consumo

• Un ordenador personal

El repetidor y la estación base van conectadas directamente con alimentación continua de 12 V. Las luminarias y el ordenador van a 220V / 50Hz de AC.

Calcular el consumo estimado de los aparatos de la instalación.

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Primero debemos elegir los modelos comerciales de los aparatos que tenemos que colocar, en función de las necesidades previstas. Por ejemplo:

• Repetidor de radiocomunicaciones Teltronic TR100

• Estación base de comunicaciones Teltronic MDT-400

• PC Hacer Aspire

• Dos luminarias de bajo consumo Philips

De las hojas de características obtenemos el consumo en watios para cada aparato.

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Elemento Características Consumo Reposo Consumo uso Total

Repetidor 0,5 A -> 12A 18hx12Vx0,5A=108 6hx12Vx12A=864 972 W·h

Emisora 0,5A -> 5A 18hx12Vx0,5A=108 6hx12Vx5A=360 468 W·h

Total 1440 W·h

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Elemento Consumo Reposo Consumo uso Total

PC 80 W 80 x 4 320 W·h

Luminaria 15 W cada una 30 x 8 240 W·h

Total 560 W·h

Total considerando el rendimiento del inversor (90%): 623 W·h

Total previsto (potencia en continua + potencia en alterna) 1440 + 623 = 2063 W·h

Para conocer el rendimiento del inversor a colocar para obtener la

corriente alterna dividimos la potencia alterna necesaria y la dividimos entre el coeficiente de rendimiento del inversor:

Pnecesaria=Pinversor·Rendimiento Pinversor = Pnecesaria/Rendimiento

A partir del consumo estimado, tenemos que hacer el cálculo de la potencia de pico que debe entregar el generador fotovoltaico, que es la máxima potencia que tiene que entregar el módulo fotovoltaico.

Para realizar el cálculo de la potencia del generador, se define para paneles y baterías el factor de seguridad de la instalación, que suele oscilar entre 1,1 y 1,4.

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El factor de seguridad del generador fotovoltaico es el cociente entre la energía producida y la energía demandada:

FSG = Eproducida / Edemandada = Pnominal G (Gdm(β) / ISTC)/Ldm

Pnominal G = Potencia generador fotovoltaico Gdm(β) = Radiación mes sobre el que se hace el diseño ISTC = Irradancia en condiciones estándar de medida (1000 W/m2) Ldm = Consumo medio estimado de energía

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Para calcular la potencia de pico para el generador del ejemplo anterior obtenemos primero los valores que necesitamos para aplicar la fórmula:

• Irradiación sobre superficie inclinada para el peor mes: 1431 W·h/m2

• Ángulo adecuado de los paneles solares: 51,05º

• Factor de seguridad: 1,3

• Consumo previsto: 2063 W·h

Por tanto, si despejamos la Potencia del generador de la fórmula anterior:

Pnominal G = FSG· Ldm / (Gdm(β) / ISTC) = 1,3 · 2063 / (1431/1000) = 1874,15 Wp

Este es el valor máximo que podemos obtener en la instalación. Se da en el caso en que estén funcionando todo los elementos a la vez en el peor mes de radiación solar.

El acumulador es de los elementos más importantes. Sus funciones son:

• Fija la tensión nominal de trabajo de la instalación (12V, 24V, 48V…)

• Será el encargado de proporcionar la energía a la instalación cuando no haya radiación solar.

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El factor de seguridad del acumulador es el cociente entre la energía almacenada y la energía demandada:

FSB = EAlmacenada / Edemandada = Cb, útil/Ldm Suele valer entre 3 y 8

Pnominal G = Potencia generador fotovoltaico Gdm(β) = Radiación mes sobre el que se hace el diseño ISTC = Irradancia en condiciones estándar de medida (1000 W/m2) Ldm = Consumo medio estimado de energía

Los días de autonomía es el número de días que la instalación puede seguir funcionando en caso de ausencia de radiación solar (lo fija el proyectista de la instalación).

Este factor de seguridad es fijado por el proyectista de la instalación, teniendo en cuenta:

• Factores geográficos: según el lugar donde se va a realizar la instalación, habrá que tener una previsión de la posibilidad de que existan varios días seguidos con poca cantidad de radiación solar, en cuyo caso elegirá un valor alto de FSB

• Utilización de la instalación: determina la importancia de que pueda dejar de funcionar o no en caso de condiciones adversas.

El valor de la capacidad nominal de la batería lo obtendremos a partir de los datos de la ecuación anterior y la profundidad de descarga máxima.

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CB, nominal = Cb, útil / PDmax = Ldm ·FSB / PDmax

FSB = días de autonomía PDmax = profundidad máxima de descarga Ldm = Consumo medio estimado de energía

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Siguiendo con el ejemplo anterior, calcularemos la capacidad nominal del acumulador para la instalación que se va a realizar en Almiruete.

Para ello tenemos en cuenta:

• Consumo en la instalación 2063 W·h

• Se desea una autonomía de 5 días

• Como profundidad de descarga máxima fijamos un valor del 80%

• Sistema a 12 voltios

CB, nominal = Cb, útil / PDmax = Ldm ·FSB / Pdmax = 2063 · 5 / 0,8 = 12 893,75 A·h

A partir de este valor, y sabiendo que la instalación trabaja a 12V, debemos hacer la elección de baterías comerciales hasta asegurar el valor del sistema de acumulación, tanto en tensión como en intensidad.

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La capacidad útil del acumulador es un valor que sólo depende del consumo que va a haber en la instalación y del número de días que queremos de autonomía (factor de seguridad del acumulador)

Como no conviene trabajar a profundidades de descarga límite, el proyectista fija el valor PD máximo al que quiere que trabaje el sistema. Este es el motivo de que el valor nominal de la capacidad del acumulador sea mayor que si trabajamos con las baterías hasta la descarga total de las mismas.

La configuración del acumulador se realizará a través de conexiones en serie y paralelo, una vez elegidas las baterías a utilizar en el montaje. El valor obtenido en la fórmula es un valor teórico. Cuando configuremos el conjunto de baterías deberá ser el más próximo por encima que nos salga a la hora de realizar el conexionado del conjunto.

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3. Realiza el cálculo del generador fotovoltaico a utilizar en una instalación que se va a ubicar en Badajoz, suponiendo los siguientes datos:

• Consumo medio estimado 450 W·h

• Factor de seguridad 1,2

Para ello debes calcular primero:

• Ángulo óptimo de inclinación de los paneles solares

• Irradiancia en el mes peor, a partir de una base de datos.

El resultado de los cálculos deberá ser la potencia de pico del generador fotovoltaico.

4. Calcula la capacidad del acumulador necesario para una instalación fotovoltaica, que trabaja a 24V, en la cual se prevé un consumo máximo de 400W·h, si se desea una autonomía para la misma de 7 días. No se desea una profundidad de descarga `para las baterías mayor del 65%

Uno de los puntos más importantes a considerar en el diseño de la instalación es el dimensionado de los conductores. Para ello tendremos en cuenta:

• La longitud máxima de los cables deberá ser la menor posible, para que su sección se también la mínima posible

• Hay que tener mucho cuidado con los cálculos de los conductores de corriente continua, ya que deberán ser más gruesos que los de alterna.

Un dimensionado incorrecto de los conductores provocará caídas de tensión en la instalación, e incluso que deje de funcionar.

La longitud de los cables es un parámetro que conocemos cuando colocamos los componentes de la instalación en su ubicación. A partir de aquí debemos realizar el cálculo de la sección de dichos conductores, aplicando la ley de Ohm.

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R = ρ · L / S (Ω)

Es imprescindible conocer la intensidad de corriente máxima que circulará por cada tramo que queremos dimensionar. Así:

• En el caso del tramo paneles-acumulador, es la intensidad máxima que en el diseño se calcula para el mes peor, en función de los requisitos de la instalación. Debemos asegurarnos de que este es el mayor valor de corriente que puede circular por el cable, porque si no, podríamos realizar mal el cálculo de la sección del mismo.

• En los demás tramos, el valor de la intensidad depende de las cargas conectadas al tramo.

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Es importante tener en cuenta la normativa existente con respecto a las caídas de tensión que puede haber en la instalación, a la hora de hacer el cálculo de los cables.

Según el pliego de condiciones IDEA, para instalaciones fotovoltaicas autónomas se deben cumplir los siguientes requisitos:

• Todo el cableado con lo establecido en la legislación vigente.

• Los conductores necesarios tendrán la sección adecuada para reducir las caídas de tensión y los calentamientos. Los conductores para la parte CC deberán tener la sección suficiente para que la caída de tensión sea inferior, incluyendo cualquier terminal intermedio, a los valores especificados a continuación:

• Caídas de tensión máximas entre generador y regulador/inversor: 3%

• Caídas de tensión máxima entre regulador y batería: 1%

• Caídas de tensión máximas entre inversor y batería: 1%

• Caídas de tensión máxima entre regulador e inversor: 1%

• Caídas de tensión máxima entre inversor/regulador y cargas: 3%

• Se incluirá toda la longitud de cables necesarios (parte CC y CA) para cada aplicación concreta, para evitar esfuerzos sobre los elementos de la instalación y sobre los propios cables.

• Los polos +/- de la parte CC se conducirán separados, protegidos y señalizados según la normativa vigente.

• Los cables de exterior estarán protegidos contra la intemperie

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10m

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En una instalación solar autónoma que trabaja a 12V D, se ha diseñado un generador fotovoltaico capaz de entregar una potencia de 100 Wp. El generador está a 10 m del regulador. Se desea elegir correctamente la sección del cable de conexión entre ambos elementos, teniendo sólo en cuenta las restricciones de caída de tensión fijadas por el PTC del IDAE.

Primera consideración: Como la distancia entre ambos elementos es de 10m, la longitud del cable será el doble, ya que se necesitan dos conductores en la conexión (+ y -).

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Lo primero a calcular es la máxima intensidad que va a circular por el cable. Para ello, a partir de la fórmula de la potencia, calculamos el valor:

P = V· I ; I = P/V = 100 W / 12 V = 8,4 A

La caída de tensión entre ambos elementos no puede ser mayor al 3%. Si el sistema trabaja a 12 V, el 3% máximo corresponde a una tensión de 0,36 V. Esta es la tensión que como máximo se puede perder en el cable. Si aplicamos la ley de Ohm, podemos calcular la resistencia que tiene este cable para los valores considerados:

V = I·R ; R = V/I = 0,6 V/ 8,4 A = 0,04 Ω

Si vamos a utilizar un cable de cobre (ρ=0,017 Ω·mm2/m), la sección para ese valor será:

R = ρ · L / S; S = ρ · L/R = 0,17 Ω·mm2/m ·20m /0,04 Ω = 8,5 mm2

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Calcular la sección para el cable que se necesita para alimentar un ordenador que está a una distancia de 15m desde el inversor. La potencia que consume el aparato es de 350W.

Siempre debemos considerar que la longitud del cable es el doble de la distancia a la que está el aparato (30 m).

La intensidad que circulará por el cable la calculamos a partir de la potencia que consume la carga.

P = V· I ; I = P/V = 350 W / 230 V = 1,53 A

Aplicando la Ley de Ohm, obtenemos la resistencia máxima del cable:

V = I·R ; R = V/I = 6,39 V/ 1,53 A = 4,18 Ω

Suponiendo que el cable es de cobre, la sección será:

R = ρ · L / S; S = ρ · L/R = 0,17 Ω·mm2/m ·30m /4,18 Ω = 0,13 mm2

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Determinación de los valores de longitud y latitud del lugar donde se va a realizar la instalación

Cálculo del ángulo óptimo para los paneles

Cálculo de la radiación recibida en el lugar con el ángulo óptimo

Determinación del consumo de la instalación.

Cálculo del generador fotovoltaico.

Cálculo del acumulador

Cálculo de la sección de los conductores

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1. Todas las instalaciones con tensiones nominales superiores a 48V contarán con una toma de tierra a la que estará conectada, como mínimo, la estructura del soporte del generador y los marcos metálicos de los módulos. Además, el sistema de protecciones asegurará la protección de las personas frente a contactos directos e indirectos.

2. En caso de existir una instalación previa, no se alterarán las condiciones de seguridad de la misma.

3. La instalación estará protegida frente a cortocircuitos, sobre cargas y sobretensiones. Se prestará especial atención a la protección de la batería frente a cortocircuitos mediante un fusible, disyuntor magnetotérmico y otro elemento que cumpla con esta función

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Al realizar la documentación técnica del proyecto de la ISF es necesario incluir un esquema eléctrico de acuerdo con la legislación vigente. Podemos encontrar dos tipos de esquemas eléctricos:

• Unifilar: simplifica los hilos de conexión agrupándolos por fases. Se utiliza en la representación de circuitos de distribución o con muy poca automatización, en documentos en los que no se necesite expresar el detalle de las conexiones. No permite la ejecución del cableado.

• Desarrollado: es explicativo y permite comprender el funcionamiento detallado del equipo o instalación, ejecutar el cableado y facilitar su reparación.

Recursos: • http://vignette4.wikia.nocookie.net/ (portada)

• http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn192.html#seccion3

• Instalaciones solares fotovoltaicas Ed. McGraw-Hill

• Tecnologia2punto0.blogspot.com

• www.iesjaroso.es

• www.iesturaniana.org