Desde hace ya unos años se vienen introduciendo en el mercado los denominados reguladores de carga MPPT (Maximum Power Point Tracking). En realidad, estos dispositivos son una variante de los sistemas utilizados en la electrónica de potencia de los inversores que se utilizaban y utilizan para las instalaciones denominadas de conexión a red. No vamos a entrar en detalle en el funcionamiento de estos dispositivos, pero si decir que la función de un MPPT es análoga a la transmisión de un coche. Cuando la transmisión está en una marcha incorrecta, las ruedas no reciben la máxima potencia disponible. Esto se produce o bien porque el motor está trabajando más lento o más rápido para la relación de transmisión entre el cigüeñal y el cambio para el que ha sido diseñada. El propósito de la transmisión es transmitir la potencia del motor a las ruedas, de una forma tal, que las revoluciones a las que gira el motor, permitan un máximo aprovechamiento por las ruedas de la potencia generada.
En el caso de un dispositivo regulador del seguimiento del punto de máxima potencia, su cometido es precisamente el de extraer en todo momento la máxima potencia del generador fotovoltaico en función de su configuración serie-paralelo y poner a disposición de la carga la energía generada.
En los sistemas aislados se utiliza algún tipo de sistema de acumulación que permita disponer de energía en el hipotético caso de que no exista generación solar, eólica o ambas. Esta característica conlleva la necesidad de incorporar algún mecanismo que impida la sobrecarga del sistema de acumulación formado por las baterías. La topología habitual en los sistemas aislados de pequeña-mediana potencia, consiste en el esquema de la Figura 1.
Fig.1
En el esquema anterior, el regulador de carga limita la cantidad de paneles a instalar en el generador fotovoltaico y por tanto la máxima potencia disponible. Esta limitación, en el caso de los reguladores de carga que no disponen de regulación MPPT, viene impuesta tanto por la tensión máxima gestionable, normalmente 48V como por la máxima intensidad que es capaz de admitir, generalmente unos 60-80A. Si nos vamos al caso de utilización de reguladores con MPPT, podríamos llegar a tensiones máximas posibles en el generador del orden de los 140-150 Vdc con tensiones de baterías de 24-48Vdc, permitiendo la utilización de paneles de conexión a red. Las intensidades de operación están también en el entorno de 80A.
Incluso con la instalación de estos últimos equipos tenemos limitaciones a la hora de querer diseñar instalaciones aisladas en el entorno de los 30 kWn en adelante. Para este tipo de proyectos y aprovechando la bajada de precios existente en las denominadas placas de conexión a red, se propone la siguiente configuración, utilizando también inversores de conexión a red.
La configuración propuesta está esquematizada en la figura 2., concepto ampliamente desarrollado por la empresa SMA, si bien se pueden utilizar otros equipos.
Fig.2
En el esquema anterior, podemos ver que el concepto consiste en lo siguiente: lo principal es que ha de existir un equipo de control que tenga como característica esencial que sea bidireccional (inversor de banco de baterías y cargador de batería) con la posibilidad de formación de una red de tensión alterna autónoma con un alto grado de calidad de onda, esta red de tensión AC, es la que permitirá la utilización de los denominados inversores de conexión a red.
Como se puede ver, el grado de configuraciones es sumamente amplio y permite satisfacer un extenso rango de posibilidades en cuanto a necesidades de abastecimiento y de generación.
El siguiente equipo básico es el inversor que se utiliza normalmente en las instalaciones de venta de energía fotovoltaica a la red pública de distribución, pero que en el caso que se nos presenta, lo destinaremos como principal característica a gestionar la energía generada en el lado de corriente continua, además de alimentar el inversor de aislada para cargar el banco de baterías. En el caso de que las baterías estén completamente cargadas, la potencia proveniente del inversor de red, en la red aislada, se limita a través de la frecuencia, es decir, se aumenta la frecuencia de la red aislada durante un corto tiempo, de tal forma que los inyectores de CA de los inversores de red se desconectan de la red aislada a causa de esta violación de los límites de la red.
En el caso de que estemos diseñando una mini-red monofásica, - y en este punto enlazamos con el anterior artículo “Mini-redes con generación solar híbrida: Diseño y Optimización -, el modo de proceder para seleccionar el inversor de aislada sería el siguiente:
-Suponemos que debemos de cubrir unas necesidades de carga de consumidores cuya potencia nominal es igual a 5.000 W.
-Seleccionamos por tanto un inversor de aislada que tenga como característica principal que la salida de AC hacia consumidores nos garantice una potencia de 5.000 W, como por ejemplo el de la figura 3.
Fig.3
Como vemos, la potencia que es capaz de suministrar de forma constante a 25ºC es de 5.000W, con la posibilidad de llegar a 6.500W durante 30 min, 8.400W durante un minuto y de 12.000W para picos de arranque de 3s.
El bus AC estará compuesto por la salida AC hacia consumidores proveniente del inversor de aislada, así como las salidas AC de los dos inversores de conexión a red que gestionan tanto el campo del generador fotovoltaico como el del aerogenerador, figura 4.
Fig 4.
En realidad este bus AC es la red aérea de baja tensión monofásica que hemos construido para la alimentación de las viviendas, por lo que debemos de tener presente una centralización de los diferentes dispositivos en la caja de embarrado.
Procedimiento de Configuración del generador fotovoltaico y eólico.
Suponiendo que tuviésemos que dimensionar la misma mini-red que en el primer caso, con esta nueva topología la forma de operar sería diferente.
En primer lugar seleccionaríamos el inversor/cargador en función de su potencia nominal, que deberá de ser igual o superior a la suma de las potencias de las cargas de las viviendas con un factor de simultaneidad de 1. En nuestro caso suponemos que es 5.000 W, por lo que el inversor/cargador de aislada tiene las características de la figura 3.
Según las especificaciones técnicas del inversor, la máxima potencia DC en la entrada AC1, no debe de ser superior al doble de la potencia del dispositivo. En nuestro caso, y como vamos a utilizar dos fuentes de generación renovable (solar y eólica) establecemos como potencia total la suma de los módulos fotovoltaicos más la del aerogenerador (previamente calculada con el software DIMAS); en el que nos indica que la opción óptima según las condiciones del emplazamiento son las siguientes:
· 3,6 kWp de paneles fotovoltaicos,
· 1,5 kW del aerogenerador
Esta potencia híbrida impone las características de los “inversores de red” que debemos de seleccionar para crear el bus AC de alimentación al inversor de aislada. Para el caso que nos ocupa procederíamos de la siguiente forma.
Como la potencia pico del generador fotovoltaico es de 3.600 Wp, elegimos un inversor cuya potencia CC de entrada esté en este entorno. Para el caso, se propone el inversor cuyas características básicas son las que aparecen en la figura 5.
Figura 5. Características eléctricas entrada CC
Estas características de entrada CC son las que impondrán la configuración del generador fotovoltaico y por tanto el tipo de módulo a elegir. Como el motivo del presente artículo es presentar la posibilidad del uso de paneles fotovoltaicos de los denominados de conexión a red, para una red aislada, así como la no utilización de reguladores de carga, seleccionamos para configurar el generador fotovoltaico un módulo de los denominados “conexión a red”.
La selección del módulo viene condicionada, como siempre, por el inversor. Si nos fijamos en la figura 5, observamos que la tensión de funcionamiento nominal es de 200Vcc, por lo que debemos de configurar la serie para alcanzar dicha tensión de funcionamiento, pero, y esto es muy importante, teniendo presente que dicha tensión deberá de alcanzarse en las condiciones más desfavorables de trabajo de los módulos, es decir, con altas temperaturas ambiente. Debemos, por tanto, conocer las máximas temperaturas que se pueden alcanzar en el lugar de ubicación de nuestra instalación, con objetivo de calcular la tensión máxima alcanzable del punto de máxima potencia durante esos períodos de verano, y que ésta supere los 200Vcc en dichas condiciones. Paralelamente, es necesario, considerar que la configuración que se realice para el número de ramas en paralelo (strings), no debe de superar los 16A. Estas dos condiciones de contorno, imponen la selección de la configuración del generador fotovoltaico.
En una primera aproximación podemos dividir los 3600 Wp entre las potencias típicas de los módulos actuales de conexión a red, y seleccionar una cuyo resultado sea un número par y entero. En nuestro caso, seleccionamos el módulo de 225 Wp para tener un número entero y par, ya que al dividir 3600 Wp/225=16 módulos. Las características eléctricas de dicho módulo son las que se muestran en la figura 6.
Figura 6. Especificaciones eléctricas módulo seleccionado
El siguiente paso que debemos de tener en cuenta son las tensiones de circuito abierto del generador fotovoltaico en condiciones de mínima y de máxima temperatura de célula del módulo. Este cálculo lo llevaremos a cabo para encajar en la ventana de tensiones del inversor de aislada, de una forma óptima en dicho intervalo. Para ello es muy importante conocer los coeficientes de variación de temperatura del módulo, que en nuestro caso son los que se detallan en la figura 7.
Figura 7. Coeficientes de temperatura
Según las especificaciones técnicas del inversor, la máxima tensión de corriente continua son 500 V, por lo que vamos a calcular la máxima tensión de circuito abierto Voc (-10ºC) de nuestro panel, que sería: 36,7+((-35)x(-0,34x36,7/100))=41,06V.
La tensión inicial mínima que necesita el inversor para el funcionamiento del MPPT es de 200Vcc y la tensión nominal de trabajo es de 200Vcc, por lo que vamos a calcular la tensión de máxima potencia para el caso de una temperatura de célula de 70ºC Vmp (70ºC), aplicando la misma fórmula anterior, pero utilizando el coeficiente de disminución del la potencia máxima tendremos: 29,4+(45x(-0,43x29,4/100)=23,71V.
Una vez tenemos establecidos estos dos coeficientes proseguimos con la configuración serie del generador calculando el número de módulos en serie necesario. Para ello, primero dividimos primero 200V/23,71V, para comprobar que en condiciones de alta temperatura de célula alcanzamos la tensión de “arranque”. La división anterior nos da 8,43, por lo que seleccionaremos 9 módulos. Estos nueve módulos en serie proporcionan una tensión de 9x23,71V=213,39V en condiciones de máximas temperaturas. Esta tensión es superior a los 200Vcc de tensión mínima que necesita el inversor para su funcionamiento.Así mismo, calculamos la máxima tensión en circuito abierto que proporcionan los nueve paneles colocados en serie en condiciones de mínima temperatura, que serán 9x41.06=369,54V, es decir, no son superiores a los máximos que admite el inversor de 500 Vcc.
Como la cantidad total de módulos que forma el generador fotovoltaico, hemos calculado que serán 16, y 9 no es múltiplo de éste, necesitamos, por tanto, re-dimensionar el sistema.La colocación de los 8 módulos (múltiplo de 16) de 240 Wp modifica las condiciones a 192,64Vcc en condiciones de máxima temperatura, que implica que en determinados períodos no alcanzamos la tensión mínima de funcionamiento del inversor. Si colocamos 18 módulos de 220 Wp, y realizamos los mísmos cálculos tenemos:
Máxima Tensión de circuito abierto con 9 módulos en serie es 368,6 V<500v el="el" inversor="inversor" p="p" por="por" soportados="soportados">Máxima Tensión en el punto de potencia máxima en condiciones de máxima temperatura es 211,94V>200V
Con este nuevo dimensionado, tenemos una configuración de 9sx2p con una potencia final del generador fotovoltaico de 3960Wp.
Debemos de comprobar que la intensidad máxima de entrada, con un factor de seguridad de 1,25, no supera la máxima admisible por el inversor. En nuestro caso sería 1,25x7,53x2=18,8A, que es inferior a los 20A establecidos.
Máxima Tensión de circuito abierto con 9 módulos en serie es 368,6 V<500v el="el" inversor="inversor" p="p" por="por" soportados="soportados">Máxima Tensión en el punto de potencia máxima en condiciones de máxima temperatura es 211,94V>200V
Con este nuevo dimensionado, tenemos una configuración de 9sx2p con una potencia final del generador fotovoltaico de 3960Wp.
Debemos de comprobar que la intensidad máxima de entrada, con un factor de seguridad de 1,25, no supera la máxima admisible por el inversor. En nuestro caso sería 1,25x7,53x2=18,8A, que es inferior a los 20A establecidos.
Una vez hemos diseñado la parte correspondiente a la generación fotovoltaica, pasamos a dimensionar el generador eólico que forma parte del conjunto híbrido de alimentación al inversor aislado y por consiguiente, a la red aérea de baja tensión.
Como ya hemos mencionado anteriormente, la potencia eólica necesaria se ha establecido en 1,5 kW.
Las características del inversor seleccionado se reflejan en la figura 8.
Figura 8.Características eléctricas inversor seleccionado
Como podemos ver, la máxima potencia a instalar es función de las horas equivalentes de la zona de ubicación de la instalación. Otro punto destacable es la tensión nominal de CC y la regulación, según curva polinómica, que toma el inversor como referencia para la inyección a red de la energía generada. Esta curva es ajustable según las necesidades del aero, por lo que en el caso de que necesitemos variarla, debemos de ponernos en contacto con el fabricante del inversor. Es muy importante que nos cercioremos que el aero es compatible con el inversor a red que elijamos. Para ello comunicaremos al fabricante nuestra intención de que el miniaerogenerador lo vamos a utilizar para conexión a red, no para la carga de baterías. Este hecho implica que el regulador del miniaerogenerador tendrá la salida de corriente continua acorde a las tensiones de entrada del inversor de red.
En nuestro caso deberemos de elegir, por tanto, un aero/regulador cuya salida de tensión en corriente continua esté en el entorno de los 180V y que no sobrepase los 12,6A de intensidad máxima.
Nuestra zona de ubicación de la mini-red eléctrica dispone de alrededor de 2.500 horas equivalentes, por lo que será recomendable utilizar un aerogenerador cuya potencia nominal sea de 1.400 W. El aerogenerador seleccionado tendrá las siguientes características:
Figura 9. Características Miniaerogenerador seleccionado.
La salida del cableado del miniaero, en corriente continua a 230 V, se conectará con la entrada CC del inversor. En la imagen 10 podemos ver las entradas de corriente continua, y las salidas de corriente alterna.
Figura 10. Vista exterior de la conexión del inversor de conexión a red eólico.
Del conector para la conexión CA, saldrá el cableado que conectará con la caja de centralización del bus CA, formada por la llegada del bus CA proveniente del inversor de conexión a red asignado al generador fotovoltaico y de éste inversor.
En la figura 11 se puede ver el centro de potencia propuesto.
Figura 11. Vista general del centro de Potencia tipo propuesto.
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