Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de

CompendioTecnológico 2
Suministro de electricidad
en redes solares aisladas y de respaldo
Principios, explotaciones y soluciones de SMA
Portada:
Sistema de respaldo híbrido de 30 kWp en Ntarama (Ruanda)
para el suministro de electricidad a un centro de formación profesional en tecnología solar
Puesta en servicio: 2009
Fuente: juwi Solar GmbH
CONTENIDO
1.
Sistemas aislados renovables
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.3
1.4
1.5
Componentes
Diseño del sistema
Acoplamiento de CC
Sistemas mixtos CC/CA
Acoplamiento de CA
Funcionamiento
Crecimiento y conexión en red de sistemas aislados
Sunny Backup: el suministro eléctrico de emergencia de SMA
2.
El inversor aislado
2.1
2.2
2.3
Funciones de seguridad
Gestión operativa y de usuarios
Registro y almacenamiento de datos
3.
Generadores eléctricos en la red aislada
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Inversores para fotovoltaica
Inversores para turbinas eólicas
Inversores para turbinas hidráulicas
Plantas de cogeneración
Inversores para pilas de combustible
Unidades de combustión
4.
Gestión operativa en sistemas aislados
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
Tareas y objetivos
Gestión operativa óptima: la regulación de carga de Sunny Island
Gestión del generador
Gestión del sistema
5.
Comunicación en la red aislada
5.1
5.2
Sunny WebBox: la central de comunicaciones
Sunny Portal: almacenamiento y visualización de datos en internet
6.
Diseño de sistemas aislados
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
Indicaciones sobre el ejemplo de diseño
Consumidores y horas de uso
Procedimiento de diseño
Selección del inversor aislado
Dimensionamiento de la batería
Dimensionamiento de la instalación fotovoltaica
Diseño del generador diésel
Cálculo de los costes de la instalación
7.
8.
9.
10.
Aspectos económicos de los sistemas aislados
Competente, flexible, internacional: el servicio técnico de SMA
Referencias
Bibliografía
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3
SMA Solar Technology
1. Sistemas aislados renovables
Según estimaciones de la Unión Europea, en el
mundo viven alrededor de 1.500 millones de personas sin electricidad. Los elevados costes de las inversiones necesarias para la ampliación de las redes
públicas y la baja demanda de electricidad impedirán la conexión de estas regiones remotas a la red
a medio plazo. En estas circunstancias, los sistemas
fotovoltaicos aislados ofrecen una alternativa razonable.
Los sistemas fotovoltaicos aislados son redes eléctricas autónomas en las que se inyecta la energía
suministrada por un generador fotovoltaico. Los sistemas de suministro eléctrico en islas, para asentamientos aislados o incluso pueblos enteros son algunos ejemplos. Según estimaciones de la UE, en
Europa existen ya unas 300.000 granjas y edificios
que no están conectados a la red eléctrica pública.
En estas zonas, el uso de sistemas fotovoltaicos aislados suele ser la solución más económica.
Para la planificación, el diseño y la selección de un
sistema aislado se deben tener en cuenta varias restricciones. El diseño óptimo de un sistema de suministro eléctrico depende principalmente de estos cinco
factores:
1.
2.
3.
4.
5.
La potencia de conexión necesaria
El consumo de energía
El tipo de consumidores
El período de uso
Las restricciones meteorológicas
Además de estos aspectos técnicos, se deben tener
en cuenta también aspectos culturales, sociales, económicos y financieros.
Porcentaje de la población
con acceso a la electricidad:
3 – 33%
33 – 66%
> 66%
Fig. 1.1: Tasa de electrificación (fuente: Banco Mundial)
4
© Banco Mundial 2001
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
1.1 Componentes
El generador fotovoltaico, como fuente de energía
renovable, es el componente esencial del sistema
aislado. Otros generadores disponibles son los que
cuentan con motores de combustión (por ejemplo,
los generadores diésel o las plantas de cogeneración) y las turbinas hidráulicas y eólicas.
Por lo general, las instalaciones aisladas se diferencian por su tensión del sistema (CC o CA). En los sistemas acoplados a CC, el generador fotovoltaico se
conecta a través de reguladores de carga de CC/
CC especiales (fig. 1.2). En los sistemas acoplados
a CA se utiliza un inversor fotovoltaico convencional
para inyectar corriente a la red (fig. 1.4).
El inversor aislado o de batería constituye el corazón del sistema acoplado a CA. Garantiza que la
potencia generada y consumida esté equilibrada en
todo momento. Si se genera demasiada energía, el
inversor la almacena en las baterías. Si la demanda
de energía supera la energía disponible, el inversor
descarga las baterías.
Las principales diferencias entre los inversores aislados y los fotovoltaicos se muestran en la tabla 1.1.
Resumen de características del inversor de
batería Sunny Island
• Óptimo para sistemas de suministro de energía de 1 kW a > 100 kW
• Conmutación flexible en paralelo monofásica o trifásica
• Ampliable por módulos
• Extraordinaria resistencia a la sobrecarga
• Adecuado para el uso en condiciones climáticas extremas
• Gestión óptima de batería y registro de estado de carga de la batería para garantizar
una larga vida útil de la batería
• Integración económica de consumidores
estándar de CA, fuentes de energía renovables y generadores
• Puesta en servicio sencilla
Para el funcionamiento óptimo del suministro aislado es esencial disponer de un sistema que gestione
la batería, el generador y la carga. Esta función de
control está integrada en el inversor de batería, lo
que simplifica el funcionamiento del sistema y reduce los costes de inversión.
El inversor de batería Sunny Island proporciona todo
lo necesario para una gestión fiable del sistema. Admite un uso flexible y abre un mundo de nuevas posibilidades en lo referente al acoplamiento de CA
para el diseño de sistemas de energía autónomos.
Dirección del flujo de energía
Funcionalidades
Capacidad de sobrecarga
Potencia activa/reactiva
Tensión característica de CC
Inversores fotovoltaicos
Inversores aislados
Unidireccional
Bidireccional
Regulación del punto de máxima Gestión de batería, generador y carga,
potencia (MPP),
tensión de red sinusoidal
Corriente de red sinusoidal
Aprox. 110% Aprox. 300% (resistente a cortocircuitos)
Inyección de potencia activa pura
Cargas con cualquier factor de potencia
125 V – 850 V (técnica de strings)
12 V, 24 V, 48 V
Tabla 1.1: Comparación entre inversores fotovoltaicos y aislados
5
SMA Solar Technology
1.2 Diseño del sistema
1.2.1 Acoplamiento de CC
Un sistema fotovoltaico aislado, además de los consumidores como las lámparas, la radio, el televisor
y el frigorífico, consta principalmente de estos cuatro componentes: el generador eléctrico (por ejemplo, un generador fotovoltaico), el acumulador de
batería, el regulador de carga y el inversor. Estos
componentes se pueden acoplar en diferentes niveles del sistema: en el lado de CC, en el de CA o en
sistemas mixtos.
En el acoplamiento de CC, todos los consumidores y
generadores se conectan exclusivamente en el nivel
de tensión de la batería (fig. 1.2). El suministro de
tensión continua de 12 voltios es adecuado para
configuraciones de sistema simples. Especialmente
cuando la electricidad se consumirá principalmente para la iluminación, como en el caso de un sistema de vivienda solar (Solar Home System: SHS) en
el rango de potencia de unos cientos de vatios. Durante las horas diurnas, la batería almacena la energía suministrada por el generador fotovoltaico y por
la noche esta energía está disponible nuevamente
para la iluminación. Con un pequeño inversor adicional también es posible operar consumidores de corriente alterna convencionales en el sistema de CC.
En general, el uso de consumidores de CA resulta
ventajoso. Estos equipos están disponibles en todo
el mundo y se pueden adquirir a bajo coste.
Bus de CC
Bus de CA
Fig. 1.2: Sistema de vivienda solar (SHS) con la posibilidad de proporcionar corriente alterna
6
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
1.2.2 Sistemas mixtos CC/CA
Los sistemas mixtos CC/CA son adecuados para conectar consumidores de CA con una potencia media
a generadores de CC. Con estos sistemas, la batería
del lado de CC se puede cargar de forma simultánea gracias a una unidad de combustión (fig. 1.3).
Los requisitos de un sistema mixto son diferentes de
los de un sistema de vivienda solar (SHS): sirven
para suministrar energía a consumidores remotos y
son capaces de gestionar una demanda de energía
superior. Por este motivo, los sistemas de CC/CA se
suelen utilizar en granjas, pequeños comercios y fincas agrícolas.
El diseñador de un sistema de CC/CA debe tener
en cuenta que la potencia del inversor tiene que corresponder a la potencia necesaria de los consumidores. Aunque haya más potencia del sistema fotovoltaico o eólico disponible, el inversor debe limitar
la potencia disponible en el lado de CA.
Bus de CC
Bus de CA
Fig. 1.3: Sistema híbrido con componentes acoplados a CC
7
SMA Solar Technology
1.2.3 Acoplamiento de CA
El acoplamiento de todos los consumidores y generadores en el lado de CA (fig. 1.4) presenta una
ventaja decisiva: permite construir o ampliar los sistemas con componentes estandarizados de forma
flexible y modular.
Se pueden combinar fuentes de energía tanto renovables como convencionales, dependiendo de la
aplicación y las fuentes de energía disponibles. Esto
resulta especialmente ventajoso cuando la estructura de la red es débil. Las fuentes de energía conectadas cargan las baterías y suministran energía cuando resulta necesario. Si hay inversores y unidades
de combustión destinados a tal fin, es posible una
conexión a la red pública. El sistema se puede ampliar fácilmente añadiendo más generadores, lo que
permite gestionar una demanda creciente de energía. Las fuentes de CA conectadas suponen un incremento real de la potencia del lado de CA.
Las instalaciones con acoplamiento de CA se pueden utilizar para alimentar consumidores convencionales de CA. En consecuencia, son idóneas para su
uso en áreas rurales de países en desarrollo y países
recientemente industrializados.
En el rango de potencia medio (1–300 kW), la
estructura de estos sistemas de suministro no requiere ninguna unidad de control y monitorización adicional. El inversor de batería como por
ejemplo, el Sunny Island, comprueba de forma
independiente la disponibilidad de la red y los
componentes del sistema. Esto simplifica el funcionamiento del sistema y reduce los costes de inversión.
Desde una perspectiva económica, los sistemas aislados con acumulador de batería en el rango de
potencia de kW son considerablemente más rentables que las instalaciones que utilizan únicamente
generadores diésel. Incluso sistemas híbridos más
grandes que utilizan un generador diésel para evitar el almacenamiento en batería a largo plazo se
pueden operar a un coste inferior que los sistemas
que trabajan exclusivamente con grupos diésel. Esto
se puede atribuir a los elevados costes de mantenimiento, la corta vida útil y al muy bajo rendimiento
de carga parcial de los generadores diésel.
Bus de CC
Bus de CA
Fig. 1.4: Sistema híbrido con componentes acoplados a CA
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Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
Ventajas del acoplamiento de CA
La capacidad de ampliación y la clase de acoplamiento de los componentes individuales desempeñan un papel importante en los sistemas de suministro
eléctrico fuera de las redes de interconexión. El acoplamiento de CC con Sunny Island permite conectar generadores de energía de cualquier tipo y cualquier consumidor de energía convencional a la red
aislada. El sistema es fácil de ampliar tanto en el lado
de consumidor como en el de generador (fig. 1.5).
• Estructura 100% compatible con la red
pública
• Instalación sencilla, ya que pueden utilizarse
componentes estándar de la instalación de
la vivienda
• Suma de la potencia de todos los componentes que inyectan a la red
• Escalable según las necesidades, incluso
para grandes sistemas (desde 1 kW hasta el
rango de los megavatios)
• Ampliable sin problemas
• Combinable con generadores de energía
paralelos a la red e integrantes de la red
(grupos diésel, pequeñas centrales hidroeléctricas, instalaciones de energía eólica,
etc.)
• Máxima fiabilidad gracias a la estructura
redundante del sistema
Bus de CC
Bus de CA
Fig. 1.5: Sistema híbrido modular y flexible con acoplamiento de CA
9
SMA Solar Technology
1.3 Funcionamiento
Los inversores aislados como el Sunny Island se conectan a un acumulador de batería y constituyen la
red de CA del sistema aislado. Al mismo tiempo, regulan la tensión y la frecuencia en el lado de CA.
Los generadores y consumidores se conectan directamente a la red de CA. En caso de producirse un
exceso de energía (por ejemplo, cuando la irradiación solar es alta y el consumo es bajo), el inversor
aislado extrae energía de la red de CA para cargar las baterías. Cuando hay un déficit de energía
(poca o ninguna irradiación solar y un consumo ele-
vado), el Sunny Island suministra energía a la red a
través de las baterías (fig. 1.6).
En la red aislada se pueden conectar varios generadores de energía: instalaciones fotovoltaicas con inversores Sunny Boy, instalaciones de energía eólica
con inversores Windy Boy, centrales hidroeléctricas
y generadores diésel. Estos últimos pueden intervenir cuando disminuye el estado de carga de las baterías y no hay suficiente irradiación solar.
Rendimiento energético fotovoltaico > demanda de los consumidores
(carga de batería durante el día)
Rendimiento energético fotovoltaico = 0 suministro desde la batería
Rendimiento energético fotovoltaico < demanda de los consumidores
(energía adicional de la batería)
Fig. 1.6: Rendimiento energético fotovoltaico y demanda de los consumidores
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Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
1.4 Crecimiento y conexión en red de sistemas aislados
Las redes aisladas con Sunny Island se pueden ampliar gradualmente hasta crear grandes instalaciones gracias a la posibilidad de conexión en paralelo
de todos los sistemas de inyección y consumidores.
Por tanto, se pueden usar sobre todo para suministrar energía en regiones alejadas de la red, como,
por ejemplo, pueblos aislados.
En la figura 1.7 se muestra la estructura y las posibilidades de ampliación de una red de suministro eléctrico de un pueblo con acoplamiento de CA. Este
sistema energético autónomo se puede ampliar sin
problemas con nuevos generadores a medida que
aumenta la demanda de energía de los consumidores. Otra ventaja de los sistemas aislados es que la
energía que no se necesita durante el día está disponible durante la noche para el alumbrado público,
por ejemplo, gracias al acumulador de batería.
Leyenda fig. 1.7
1. Generador fotovoltaico 4. Acumulador de batería
5. Generador
2. Inversor fotovoltaico
6. Instalación eólica
Sunny Boy
3. Inversor de batería
Sunny Island
6
Fig. 1.7: Posibilidades de ampliación de un sistema híbrido acoplado a CA para el suministro eléctrico
de un pueblo
11
SMA Solar Technology
1.5 Sunny Backup: el suministro eléctrico de
emergencia de SMA
Para garantizar el máximo nivel de seguridad en
grandes sistemas, los inversores Sunny Island se instalan en los denominados clústeres. En este caso,
hasta tres equipos (como circuito trifásico) o incluso
cuatro equipos (monofásico, operado en paralelo),
constituyen una unidad junto con la batería. Para
obtener la potencia deseada se pueden conectar en
paralelo varias unidades (formando un clúster). La
ventaja que esto representa es que si falla una batería no queda afectado todo el sistema (fig. 1.8).
Mientras que en los sistemas aislados la conexión a
la red es redundante, el sistema Sunny Backup permite a las instalaciones fotovoltaicas conectadas a
la red conseguir una independencia temporal de la
red pública de suministro eléctrico. En caso de producirse una caída de tensión, el sistema de respaldo
continúa proporcionando electricidad a la red de la
vivienda.
El sistema se compone principalmente del inversor
Sunny Backup, una instalación fotovoltaica y un acumulador de batería. En funcionamiento normal, uno
o varios inversores solares inyectan la electricidad
de la instalación fotovoltaica a la red pública. El sistema Sunny Backup sólo se activará en caso de fallo
de la red o caída de tensión. El mecanismo de conmutación desconecta entonces la instalación fotovoltaica y los consumidores de la red, según la normativa aplicable, y mantiene el suministro de la vivienda
desde la batería. Como gestor del sistema, el Sunny
Backup coordina todas las operaciones de conmutación. En consecuencia, compensa de manera fiable cualquier fallo de la red.
Fig. 1.8: Sistema híbrido acoplado a CA con cuatro clústeres, conectado a una Multicluster Box
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Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
Resumen de características del inversor
Sunny Backup
En este caso, la instalación fotovoltaica actúa como
fuente de energía para el suministro directo de los
consumidores y para la carga de la batería. De este
modo, se puede suministrar energía a los consumidores durante largos períodos de funcionamiento
incluso en casos de caída del fluido eléctrico. La
conexión de fuentes de energías renovables disponibles localmente permitirá prolongar la autonomía incluso cuando las capacidades de las baterías sean
limitadas. El uso consistente del acoplamiento de CA
es el requisito para una correcta interacción entre el
sistema Sunny Backup y los inversores solares.
Como síntesis ideal entre el funcionamiento de red
pública y el de red aislada, el sistema Sunny Backup
está atrayendo el interés de cada vez más operadores: ofrece excelentes alternativas en países en desarrollo y países recientemente industrializados con
redes eléctricas inestables y puede representar también en nuestros países un suplemento útil para las
• Óptimo para sistemas de suministro de energía de 1 a 100 kW
• Puede integrarse en instalaciones fotovoltaicas
nuevas y ya existentes
• Kit preconfigurado
• Dispositivo de conmutación compacto y económico
• Batería de dimensiones reducidas gracias a
la integración de la instalación fotovoltaica
• Suministro de energía y carga de la batería a
través de la red
• Alto rendimiento fotovoltaico constante
• Conmutación automática al suministro de
reserva en aprox. 20 milisegundos
redes públicas. Según la opinión de los expertos, se
prevé que en Europa aumenten los apagones prolongados y las caídas temporales del fluido eléctrico.
Fig. 1.9: La solución de respaldo de SMA
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SMA Solar Technology
2. El inversor aislado
El inversor aislado Sunny Island es el primer inversor de batería modular que permite la conexión de varios tipos de sistemas de inyección
(instalaciones fotovoltaicas, eólicas; grupos de
generación de corriente, plantas de cogeneración, pequeñas centrales hidroeléctricas) al lado
de la corriente alterna (acoplamiento de CA).
El inversor aislado está equipado con varios sistemas de gestión que garantizan el funcionamiento estable del sistema de suministro de energía. La gestión de batería, del generador, de la energía y de la
carga se complementan entre sí para proporcionar
una gestión completa del sistema. El Sunny Island
mide o calcula todas las variables necesarias para
garantizar que no se deje al azar ninguna operación de conmutación o modificación de los valores
nominales.
Para permitir el funcionamiento en paralelo de las
fuentes de energía acopladas a CA sin necesidad
de comunicación, se utiliza el denominado "modo
droop" (SelfSync®).
Este método utiliza estadísticas de la potencia activa y reactiva como base para la coordinación del
rendimiento de los diferentes convertidores de corriente conectados (fig. 2.1). Para alcanzar un flujo
de potencia óptimo se influye de forma especial en
los parámetros de tensión y frecuencia de la red.
Cada convertidor trabaja con una regulación en
cascada como fuente de tensión. De este modo, el
consumo y la alimentación de potencia activa de
cada convertidor individual conectado en paralelo
se regula de forma independiente de la frecuencia
de la red aislada. Si la frecuencia aumenta debido
a una reducción brusca de la carga, todos los convertidores reducen la potencia inyectada para que
el sistema se mantenga equilibrado.
Estos algoritmos de regulación permiten una reacción rápida a las fluctuaciones de potencia características de la red aislada. Están disponibles
para todas las configuraciones de red relevantes (400 V o 230 V / 50 Hz y 120 V / 60 Hz).
6$"
G
G
7
%G
'SFDVFODJB
EFMESPPQ
5FOTJ³O
EFMESPPQ
0
1OPN
1
Fig. 2.1: Algoritmo de regulación en el inversor aislado de SMA (SelfSync®)
14
%7
2OPN
2
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
2.1 Funciones de seguridad
El inversor aislado ha sido optimizado para condiciones de sobrecarga térmica y eléctrica: ajusta
la potencia máxima como respuesta directa a las
condiciones ambientales. Con el sistema de refrige-
4BMJEB
EFBJSF
4BMJEB
EFBJSF
&OUSBEBEFBJSF
ración patentado OptiCool (fig. 2.2), SMA ofrece
ahora una solución técnica que combina tanto la refrigeración activa como la pasiva. La gestión inteligente de la temperatura está formada por un sistema con dos cámaras que tienen un compartimiento
estanco para los componentes electrónicos y uno de
flujo de aire que contiene las fuentes de calor relevantes. Esto garantiza una protección excelente y,
al mismo tiempo, un comportamiento de sobrecarga
único y una fiabilidad óptima.
En caso de producirse fuertes corrientes de irrupción
se implementan funciones de arranque suave: en el
Sunny Island 5048, por ejemplo, la sobretensión se
limita a 120 A en los primeros 0,1 segundos. Durante un máximo de tres segundos, el inversor suministra 2,5 veces la sobretensión. Tras este período (por
ejemplo, si se produce un cortocircuito duradero),
el equipo se desconecta por motivos de seguridad.
En un lapso de 100 milisegundos se disparan los
disyuntores de 16 A de tipo B, lo que permite cubrir
todos los requisitos de seguridad de la instalación
en paralelo a la red.
Tensión [V]
Intensidad de corriente [A]
Fig. 2.2: El sistema de refrigeración OptiCool permite el uso en condiciones ambientales
extremas
Tiempo [ms]
Fig. 2.3: Curvas de tensión y corriente del Sunny Island 5048 antes, durante y después de un cortocircuito
15
SMA Solar Technology
2.2 Gestión operativa y de usuarios
2.3 Registro y almacenamiento de datos
El concepto de funcionamiento del inversor aislado (por ejemplo, Sunny Island 5048, Sunny Island
2224) se basa en el "Single Point of Operation"
(SPO). Todos los ajustes, secuencias de conmutación y variables importantes del sistema se pueden
agrupar, visualizar o modificar en una misma pantalla.
Una parte importante del menú de funcionamiento
interno se centra en el historial de todos los modos
operativos que se han producido. Los valores máximos así como otros datos y eventos importantes se
guardan en una memoria interna permanente. Un
sistema de registro de datos integrado realiza todas
las mediciones, cálculos y evaluaciones. De este
modo es posible compilar una imagen completa de
todas las actividades, desde los procesos de carga
hasta las eliminaciones de carga automáticas.
El SPO ofrece una visión general compacta del sistema y permite ajustar unidades paralelas y reguladores de carga conectados desde un mismo equipo.
La información sobre las fuentes o cargas externas
está accesible porque todas las operaciones de conmutación automáticas se activan también desde el
inversor aislado. Mediante un sistema de comunicación interno, toda la información relevante se puede
intercambiar entre los componentes del sistema que
admiten esta función.
Para facilitar al máximo la instalación y el manejo
del sistema Sunny Island al instalador y los usuarios,
SMA ha desarrollado la guía de configuración rápida. El instalador programa todo el sistema mediante
la introducción de las respuestas a unas cuantas preguntas a través del menú. A partir de seis sencillos
ajustes, el inversor puede generar todos los valores
predeterminados que faltan, lo que garantiza un funcionamiento seguro del sistema.
16
Todos los datos importantes se guardan en una tarjeta de memoria flash. Los datos se guardan según
el procedimiento FIFO ("First In – First Out": primero en entrar, primero en salir). De este modo, los
datos más recientes están disponibles no sólo para
el usuario, sino también para el equipo de soporte
de SMA.
Es muy fácil ampliar el alcance del registro de datos
del Sunny Island con productos de comunicación
de SMA. Por ejemplo, con el registrador de datos
Sunny WebBox es posible realizar una monitorización remota completa de forma sencilla.
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
3. Generadores eléctricos en la red aislada
Las redes aisladas se utilizan principalmente para
suministrar energía a cargas alejadas de la red.
Esta energía se debe facilitar en una forma adecuada para el uso por parte de los consumidores.
Para las redes aisladas acopladas a CA, esto significa que todas las fuentes funcionan sobre la base
de unos niveles de tensión y frecuencia definidos
(por ejemplo, 230 V / 50 Hz). Los generadores
de energía disponibles en el mercado suelen estar
preconfigurados para los ajustes específicos de
cada país. En algunos países, como Brasil o Japón,
sin embargo, se aconseja revisar estos datos con
mucha precaución. Por ejemplo, en Japón, 127 V
y 230 V son igual de comunes, y también con frecuencias diferentes (50 Hz o 60 Hz).
3.1 Inversores para fotovoltaica
Los sistemas de inyección cubren principalmente la
demanda energética directa de los consumidores.
La energía que no se consume directamente sirve
para cargar las baterías y puede recuperarse posteriormente cuando es necesaria. Por tanto, el flujo
de energía depende fundamentalmente del comportamiento del consumidor. En general, las fuentes
de energía se pueden dividir en renovables y en
basadas en combustibles fósiles.
En sistemas aislados, los rangos de potencia de
hasta 300 kW tienen una importancia primordial.
Los modelos Sunny Boy y Sunny Mini Central de
SMA son idóneos para el uso en sistemas de estas
magnitudes. Destacan por un rendimiento excepcional, facilidad de uso y fiabilidad.
El funcionamiento de un inversor fotovoltaico consiste básicamente en la conversión de la corriente
continua proporcionada por los módulos solares en
corriente alterna sinusoidal. En este proceso, el equipo tiene la tarea de sincronizar la forma de onda de
la corriente y la tensión disponibles con la frecuencia de la red aislada. Los inversores fotovoltaicos
más habituales, como los inversores Sunny Boy de
SMA, determinan el punto de funcionamiento con el
máximo rendimiento de potencia (punto de máxima
potencia o MPP) y hacen su seguimiento durante el
funcionamiento para garantizar el máximo rendimiento energético posible.
4FHVJEPSEFM
QVOUPEFN¡YJNB
QPUFODJB.11
$POUSPMEFMBQPUFODJB
EFTBMJEBNFEJBOUFMB
GSFDVFODJB
Fig. 3.1: Inversor de string Sunny Boy en un sistema aislado
17
SMA Solar Technology
3.2 Inversores para turbinas eólicas
Sunny Boy y Sunny Mini Central son los únicos
inversores solares que tienen la capacidad de "interpretar" el nivel de frecuencia en la red aislada. Al
igual que las grandes centrales eléctricas de la red
pública, son capaces de ajustarse a la demanda
de energía que se determina tomando como punto
de partida la frecuencia medida. En otras palabras:
son capaces de regular el flujo de energía de la
red aislada. Se pueden usar sin problema tanto en
redes monofásicas como en trifásicas. Se puede realizar un diseño preciso de forma muy sencilla con
el programa "Sunny Design". Esto permite obtener
información detallada no sólo sobre el diseño y la
orientación del inversor y los módulos, sino también
sobre las secciones de cable y el punto de funcionamiento óptimo de la instalación fotovoltaica. Sunny
Design se puede descargar de forma gratuita en
www.SMA-iberica.com
También en este caso, la tarea principal es la conversión de la corriente continua suministrada por la
instalación eólica en corriente alterna. Ni las redes
monofásicas ni las trifásicas representan ningún
problema, ya que el inversor Windy Boy fabricado
por SMA se puede instalar en cualquier red aislada
de SMA. Igual que el inversor Sunny Boy, el Windy
Boy puede ajustarse a la demanda de energía
actual de la red aislada para evitar un suministro
excesivo de energía. Para incrementar la capacidad de las grandes turbinas eólicas, estos equipos
pueden conmutarse también para el funcionamiento
monofásico en paralelo.
La Windy Boy Protection Box conectada en serie
al Windy Boy proporciona una protección óptima
y garantiza el funcionamiento uniforme de la instalación. La Protection Box está equipada con un
rectificador trifásico y limita la tensión y la potencia
excesivas del aerogenerador, redirigiéndolas a una
resistencia de carga.
Curva
característica de
la turbina
Control de la potencia de salida mediante la frecuencia
Fig. 3.2: Inversor Windy Boy con la Windy Boy Protection Box para pequeñas instalaciones eólicas en un
sistema aislado
18
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
3.3 Inversores para turbinas hidráulicas
Las turbinas hidráulicas también se pueden integrar fácilmente en los sistemas aislados de SMA.
Básicamente se puede distinguir entre las turbinas
hidráulicas que funcionan con generadores asincrónicos y las que funcionan con generadores sincrónicos. Los generadores asincrónicos de hasta 5 kW
se pueden integrar en sistemas trifásicos simples.
Basta con conectarlos directamente. Las turbinas
con generadores sincrónicos de imán permanente
se pueden integrar mediante los inversores Windy
Boy mencionados más arriba.
Con las características de turbina eólica para instalaciones eólicas que tienen almacenadas en su
software, los inversores Windy Boy también son
idóneos para el uso en sistemas de energía hidráulica. Los generadores sincrónicos que cuentan con
su propia regulación de tensión y frecuencia se
pueden integrar en instalaciones más grandes por
medio de un equipo de sincronización adecuado.
Curva
característica de
la turbina
Control de la potencia de salida mediante la frecuencia
Fig. 3.3: Inversor Windy Boy con la Windy Boy Protection Box para pequeñas instalaciones hidroeléctricas
en un sistema aislado
19
SMA Solar Technology
3.4 Plantas de cogeneración
Las plantas de cogeneración que funcionan con
diésel o combustibles no fósiles son motores de combustión interna que no sólo generan electricidad, ya
que también permiten aprovechar el calor resultante
del motor y el sistema de escape para fines como,
por ejemplo, la obtención de agua caliente. Por su
clase de potencia, las denominadas 'miniplantas'
de cogeneración son adecuadas principalmente
para el uso en redes aisladas de SMA. Las plantas
de cogeneración que forman redes se integran en
redes aisladas como generadores diésel convencionales y se inician y detienen mediante el Sunny
Island. Gracias a sus generadores síncronos, pueden actuar también como unidades de suministro
eléctrico de emergencia. En caso de caída de la red
aislada, la planta de cogeneración puede formar
una red y continuar suministrando electricidad a
las cargas. Las plantas de cogeneración pequeñas
funcionan principalmente en paralelo a la red, de
modo que se conectan a redes ya existentes y les
inyectan electricidad con regulación de corriente.
Están equipadas con generadores asincrónicos y,
por tanto, no pueden formar una red por sí solas.
SMA Solar Technology AG ha desarrollado, junto
con la empresa Power Plus, el sistema EcoIsland,
formado por un Sunny Island y una planta de cogeneración ecopower. Estos equipos, perfectamente
coordinados, constituyen una red aislada fiable
para las áreas donde es importante poder recuperar el calor generado.
Para obtener más información consulte:
http://www.ecopower.de/ecopower-mini-bhkw/
anlagen-und-systeme/ecoisland.html
(http://www.ecopower.es/Equipos.html)
Fig. 3.4: Sistema EcoIsland con instalación fotovoltaica y acumulador de calor
20
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
3.5 Inversores para pilas de combustible
Con el Hydro Boy, SMA ofrece una forma óptima de
integrar pilas de combustible en un sistema Sunny Island. El hecho de que las pilas de combustible funcionen con una corriente muy alta y una tensión relativamente baja hace que un equipo como el Hydro
Boy sea totalmente indispensable. Igual que el Sunny
Boy, tiene la capacidad de adaptarse a las condiciones energéticas existentes en la red aislada.
Los inversores Hydro Boy están disponibles en los tamaños estándar de 1,1 y 1,3 kW. También pueden
fabricarse según las especificaciones del cliente.
Actualmente, las pilas de combustible se producen
en rangos de tensión y corriente muy diferentes. Por
tanto, es preciso prestar especial atención a su compatibilidad con el Hydro Boy. Las pilas de combustible también se pueden integrar en sistemas Sunny
Island en el lado de CC, es decir, en el lado de la
batería. En este caso sirven para cargar la batería
directamente y si es necesario pueden suministrar
energía del lado de CC al de CA a través del Sunny
Island.
Fig. 3.5: Inversor Hydro Boy para pilas de combustible en un sistema aislado
21
SMA Solar Technology
3.6 Unidades de combustión
Las unidades de combustión son una combinación de motores de combustión y generadores de
corriente. Primero convierten la energía almacenada en el combustible en energía mecánica que, a su
vez, se utiliza para generar electricidad (generador
de corriente).
nidas. Actualmente, en el mercado también hay
unidades con función de arranque/parada manual
que los operadores ya están utilizando. Para estas
unidades, SMA ofrece el gestor del generador
GenMan, que incorpora la función de arranque
remoto.
Existen varias opciones de diseño para la integración tanto del motor de combustión como del generador de corriente en una unidad de combustión.
Estas unidades se integran a menudo en sistemas
híbridos en forma de generadores de respaldo para
optimizar los valores renovables del generador y
del acumulador, así como para mejorar la disponibilidad estacional de la energía del sistema de
suministro. La disponibilidad de combustible y el rendimiento del motor son dos factores importantes que
se deben tener en cuenta durante la planificación
de un sistema híbrido. Si se realiza un diseño por
debajo de lo óptimo de la unidad de combustión,
se pueden ocasionar elevados costes operativos y
de mantenimiento, por ejemplo a causa del mayor
consumo de combustible. Generalmente, las unidades de combustión tienen integrada una función de
arranque remoto. Pueden encenderse y apagarse
de forma selectiva según unas variables predefi-
Actualmente, los generadores diésel desempeñan
un papel importante en los sistemas híbridos de
energías renovables. Esto puede parecer una paradoja, pero tiene fácil explicación. Supongamos que
queremos suministrar energía solar a un sistema al
cien por cien. Sería necesario instalar un número
suficiente de módulos solares para cubrir la demanda de energía durante la estación con menos
irradiación solar, por ejemplo, en invierno para
Europa Central. Este tipo de sistema no puede ser
una propuesta económicamente viable, debido al
enorme generador fotovoltaico que se necesitaría.
Con la integración de un generador diésel, utilizamos una fuente de energía que está disponible en
todo momento y de forma rápida. Como resultado,
se reduce de forma drástica el tamaño necesario de
la instalación fotovoltaica.
Fig. 3.6: Generador que funciona con aceite vegetal
22
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
4. Gestión operativa en sistemas aislados
Hasta la fecha, la gestión operativa sólo ha desempeñado un papel secundario en la mayoría de
instalaciones híbridas. El funcionamiento se controla mediante valores límite definidos que están
preestablecidos en los reguladores de carga o los
inversores de batería. La unidad de combustión se
conecta o desconecta dependiendo del estado de
la batería. En el caso más simple se usan exclusivamente valores límite de tensión. No obstante, existen
varias restricciones inherentes en esta tecnología.
Cuando la carga de la batería es muy alta, la resistencia interna de las celdas ocasionará un arranque
prematuro del generador. En el caso de pequeñas
corrientes de descarga, la batería a menudo se
descargará excesivamente. Por tanto, la batería no
se utiliza a su plena capacidad ni está protegida
contra una descarga excesiva. Por este motivo, las
nuevas generaciones de equipos ya utilizan umbrales de tensión con compensación de corriente.
Un dato fiable para la gestión operativa es el estado de carga de la batería, pero este dato no se
puede registrar mediante procedimientos metrológicos directos. Para determinar el estado de carga
concreto de una batería son necesarios algoritmos
de cálculo, los cuales pueden variar sobremanera
en su grado de precisión. Hasta hoy, son pocos los
fabricantes de inversores de batería que han integrado algoritmos para la determinación del estado
de carga en sus equipos.
Además de la determinación del estado de carga,
otra función clave para conseguir una larga vida útil
de las baterías en sistemas híbridos es la regulación
de carga. La regulación de carga requiere cargas
completas y de compensación periódicas con unos
períodos de carga considerablemente más largos.
Hasta el momento, son pocos los fabricantes que
han integrado las cargas completas y de compensación en sus equipos.
Si el consumo de combustible de la unidad de
combustión se debe mantener bajo, la unidad se
tiene que cargar de forma eficiente y consistente
hasta el límite de su capacidad. En consecuencia,
el generador no se debe dimensionar con un
tamaño mayor que el inversor de batería. Puesto
que el consumo de energía está sujeto a grandes
Fig. 4.1: Estructura de un sistema híbrido renovable convencional
23
SMA Solar Technology
fluctuaciones, el inversor de batería debe controlar
la energía suministrada por el generador y ajustar
constantemente su potencia de carga. La gestión de
la potencia reactiva será necesaria para poder realizar la carga de forma fiable también con pequeños generadores. Al mismo tiempo, deben evitarse
las corrientes reactivas innecesarias que afectan al
rendimiento del sistema.
obstante, la energía y la potencia que se pueden
almacenar tienen unos límites. La batería está sometida a procesos de envejecimiento que dependen en
gran medida de la técnica de carga utilizada. Por
tanto, la gestión de la batería es un factor crucial en
toda gestión operativa. Sin una regulación de carga
inteligente y una protección efectiva contra la descarga total, las baterías de plomo convencionales
proporcionan una vida útil muy corta.
4.1 Tareas y objetivos
Los sistemas fotovoltaicos híbridos (fig. 4.1) constan
de dos o más unidades de generación de corriente
y unidades de suministro, como las instalaciones
fotovoltaicas y de energía eólica; las centrales
hidroeléctricas o las unidades de combustión. A
menudo se conectan en paralelo varios de estos
generadores de corriente.
A excepción de las unidades de combustión, los
generadores sólo se pueden regular en determinadas condiciones y a veces no se pueden regular
en absoluto. Por este motivo, los sistemas híbridos
siempre llevan integrada una batería que actúa
como reserva de energía y potencia. El acumulador
de batería realiza algunas tareas clave: en caso de
un exceso de energía generada, la batería absorbe
la energía que no se puede consumir en ese momento y si la energía generada no es suficiente para
cubrir la demanda, la batería libera su energía. No
La vida útil y el rendimiento de las unidades de combustión presentan también una fuerte dependencia
de las condiciones de funcionamiento existentes
actualmente y que se producen con frecuencia. Así,
los grupos diésel convencionales para la generación
de electricidad normalmente alcanzan su rendimiento máximo al cien por cien de la potencia nominal
(fig. 4.2). Aproximadamente al 50 por ciento de su
potencia nominal, el rendimiento es ya un 20 por
ciento más bajo. Y con cargas de generador inferiores al 50 por ciento, la eficiencia cae en picado.
La gestión operativa de los sistemas híbridos tiene
tres tareas esenciales:
• Mantener siempre el sistema en funcionamiento
de forma segura para que las cargas se puedan cubrir de forma fiable con energía eléctrica
• Minimizar los costes de combustible y mantenimiento
• Optimizar la vida útil de la batería y el generador
Eficiencia
&GGJDJFODZ
Potencia
del generador [P/P
(FOFSBUPS1PXFS<11
> ]
OPN nom
Fig. 4.2: Curva de rendimiento de un pequeño generador diésel convencional
24
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
4.2 Gestión operativa óptima:
La regulación de carga de Sunny Island
Los inversores de batería de SMA Solar
Technology AG funcionan con un algoritmo de compensación muy preciso que se
puede ajustar a diferentes tipos de batería y a la antigüedad de las baterías. El registro del estado de carga se ha ampliado
con la conexión de una derivación externa de medición de corriente. Esto permite
monitorizar y controlar los consumidores o
sistemas de inyección de CC en el lado de
la batería.
El inversor de batería Sunny Island tiene
una regulación de carga de tres niveles
con carga completa y de compensación
automáticas (como se muestra en la fig.
4.3). Esto garantiza que se puedan impedir de forma fiable tanto las cargas excesivas como las insuficientes.
Fig. 4.3: Distintas fases de la regulación de carga del inversor de batería Sunny Island 5048
4UBUFPG$IBSHF<>
#BUUFSZ$VSSFOU<""I> #BUUFSZ7PMUBHF<7;FMMF>
En la fig. 4.4 se muestra la regulación de carga y el
registro del estado de carga en un sistema fotovoltaico híbrido de Grecia. Tras una carga completa de
unas cinco horas, al día siguiente sólo es necesario
realizar una carga de mantenimiento.
#BUUFSZ7PMUBHF
4FUQPJOU$IBSHF7PMUBHF
#BUUFSZ$VSSFOU
4UBUFPG$IBSHF40$
Fig. 4.4: Regulación de carga y estado de carga en un sistema fotovoltaico híbrido de Grecia durante un
período de dos días
25
SMA Solar Technology
4.2.1 Gestión del generador
4.2.2 Gestión del sistema
Según el estado de carga (o la potencia actual combinada con funciones de temporizador), el inversor
de batería genera una señal de arranque o parada
para una unidad de combustión. Además, observa
períodos de calentamiento y funcionamiento mínimo,
así como de enfriamiento, para el generador. Esto
permite que el generador funcione con pocas exigencias de mantenimiento y prolonga significativamente
su vida útil.
Los sistemas híbridos que suministran electricidad a
cargas muy dinámicas (máquinas, electrodomésticos, utensilios de cocina), además de luces, radios,
televisores y frigoríficos, no se deben controlar
meramente sobre la base de valores energéticos
como el estado de carga. Cuando la demanda de
potencia es alta, no necesariamente debe cubrirla
la batería, sino que puede suministrarla directamente el generador conectado. Esto aumenta de forma
significativa el rendimiento del sistema y prolonga la
vida útil de la batería porque fluye menor cantidad
de energía a través de ella. Lo mejor es iniciar el
generador cuando aumenta la demanda de consumo. La gestión de carga que permite la desconexión
temporal de cargas no críticas también mejora el
rendimiento del sistema. Estas y otras funciones se
pueden activar en el Sunny Island. El inversor de
batería cuenta con una alta capacidad de sobrecarga que le proporciona el tiempo necesario para
ajustarse a estas situaciones y le permite, por ejemplo, gestionar de forma más segura las corrientes de
arranque de las máquinas.
Una regulación rápida y precisa de la corriente del
generador permite asegurar que el generador se
mantenga siempre en su punto de funcionamiento
óptimo. Incluso en caso de súbitos cambios de carga,
el inversor de batería Sunny Island absorbe gran parte
de las fluctuaciones de carga y ayuda al generador
mediante el suministro de energía de la batería. Esto
permite utilizar de forma segura incluso generadores
que son pequeños en relación con la carga nominal.
Este proceso no sólo funciona con los generadores
diésel o de gasolina, sino también con pequeñas
centrales hidroeléctricas (fig. 4.5). En este caso, las
fluctuaciones de tensión se pueden atribuir a las
diferentes situaciones de potencia reactiva dentro del
sistema.
7PMUBHF<7>
'SFRVFODZ<)[>
(SJE7PMUBHF
(SJE'SFRVFODZ
1PXFS<L8>
"DUJWF1PXFS8BUFS5VSCJOF
"DUJWF1PXFS$POTVNFS
"DUJWF1PXFS4VOOZ*TMBOE
Fig. 4.5: Regulación de corriente del generador en combinación con una turbina hidráulica
26
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
5. Comunicación en la red aislada
En los sistemas aislados se pueden utilizar dispositivos de comunicación con tres finalidades concretas:
1. Comunicación relacionada con funciones
2. Comunicación de soporte
3. Diagnóstico general
1. Las tareas del sistema pueden requerir una comunicación relacionada con las funciones, por ejemplo, si se conectan varios inversores de batería en
paralelo o se operan en una red trifásica aislada,
deberán comunicarse entre sí para intercambiar
datos o respetar determinados parámetros eléctricos, como los desfases. No son necesarias más
herramientas de comunicación.
2. La comunicación de soporte sirve para evaluar
los datos con el fin de verificar y controlar el
correcto funcionamiento de la instalación. Para
ello suele ser suficiente la comunicación con
el Sunny Island, ya que éste puede registrar al
mismo tiempo los datos de las baterías, fuentes
externas y cargas. Estos datos se pueden registrar y almacenar con la Sunny WebBox. Esto
funciona mediante la conexión del registrador de
datos con un bus RS485. En caso necesario, la
Sunny WebBox envía los datos al Sunny Portal,
lo que le permitirá acceder a los mismo mediante
internet y desde cualquier lugar del mundo.
3. El diagnóstico general implica la comunicación
con prácticamente todos los componentes del
sistema. Se puede detectar cada equipo y registrar sus datos. Mediante un bus de comunicación
(como RS485) es posible enlazar los equipos
Sunny Island, Sunny Boy, Hydro Boy, Windy Boy
y Smart Load con la Sunny WebBox. De este
modo se puede realizar un análisis detallado de
los datos.
Todas las tareas de comunicación mencionadas
anteriormente pueden realizarse también de forma
local con un ordenador o portátil. Los programas de
software se pueden descargar de forma gratuita.
Fig. 5.1: Opciones de comunicación en la red aislada
27
SMA Solar Technology
5.1 Sunny WebBox:
La central de comunicaciones
La Sunny WebBox es el vínculo entre la instalación
aislada y el operador de la instalación. Mediante
su conexión directa con Sunny Portal por internet,
este registrador de datos ofrece nuevas posibilidades para el registro, la evaluación y visualización
individual de los datos en cualquier ordenador con
un navegador de internet estándar. Desde RS232
hasta RS485, la Sunny WebBox admite todos los
canales de comunicación existentes con los inversores de SMA. Los datos se pueden transmitir al
usuario por medio del Sunny Portal y la instalación
se puede configurar a través de la controladora
ethernet integrada o de un teléfono móvil. Los datos
de la instalación se guardan en la Sunny WebBox
en una tarjeta de memoria extraíble. Estos datos se
pueden transferir automáticamente al Sunny Portal
por internet a intervalos de tiempo configurables.
28
Resumen de características de la Sunny
WebBox:
•
•
•
•
•
•
•
•
Control continuo de la instalación
Detección precoz de averías
Registro de los rendimientos energéticos
Diagnóstico y configuración de la instalación
con cualquier tipo de ordenador (Windows,
Linux, Mac OS)
Preparación de datos y representación gráfica gratuitas en internet mediante el Sunny
Portal
Monitorización de hasta 50 inversores de
varios tipos en cada instalación
Almacenamiento de datos en tarjeta MMC/
SD extraíble sin prácticamente restricciones
de tiempo
Bajo consumo de energía
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
5.2 Sunny Portal: almacenamiento y visualización de datos en internet
Resumen de características del Sunny Portal:
Con el Sunny Portal de SMA (gratuito) los datos
operativos actuales de un sistema aislado se pueden
recuperar desde cualquier lugar del mundo. De este
modo, el operador está informado en todo momento
sobre el estado del suministro de energía. Al mismo
tiempo, es posible realizar diagnósticos remotos
fiables mediante una conexión segura a internet.
Además de ofrecer la visualización de datos relativos al rendimiento y la potencia, el servicio web
permite también el envío automático de informes de
estado por correo electrónico.
• Fácil monitorización remota desde cualquier
lugar del mundo
• Representación de los datos de la instalación en forma de diagramas y tablas
• Archivo gratuito de los datos del sistema
• Envío de información del sistema por correo
electrónico
• Creación de varias páginas web para visualizar los datos de la instalación
• Diseño personalizado de las páginas en formato HTML
El Sunny Portal, totalmente preconfigurado, es adecuado no sólo para pequeñas redes aisladas, sino
también para grandes sistemas de suministro de
energía eléctrica. Los datos se almacenan de forma
permanente. Algunas páginas del portal se pueden
configurar de forma individual. Los valores de los
diferentes inversores o de la instalación completa se
pueden mostrar de manera resumida. Para ello están
disponibles atractivas representaciones gráficas,
como diagramas de barras, líneas o de dispersión.
La transferencia de datos y la configuración de la instalación se realizan mediante una conexión ethernet
o un teléfono con módem GSM. Durante este proceso, los datos se transfieren automáticamente en los
intervalos de transferencia que se han definido.
Fig. 5.2 Almacenamiento y visualización de datos en internet en el Sunny Portal
29
SMA Solar Technology
6. Diseño de sistemas aislados
El diseño profesional del sistema, incluido el dimensionamiento del generador fotovoltaico y la batería,
es esencial para la rentabilidad y fiabilidad operativa de un sistema aislado. No sólo debe tener
en cuenta el perfil de consumo de energía, sino
en especial las fluctuaciones en la disponibilidad
cuando se utilizan fuentes de energía renovables.
Por ejemplo, los siguientes programas de software
de simulación pueden ayudar al diseñador de la
instalación: HYBRID2, PV SOL y Homer.
El diseño de un sistema es comparable con el trabajo de un arquitecto, que debe dibujar un plano de
la casa antes de hacerla construir. El diseño implica
básicamente adaptar una instalación a unas condiciones energéticas y geográficas específicas, así
como al comportamiento de consumo energético
del usuario de la instalación. Estas condiciones se
ven afectadas principalmente por:
•
•
•
•
•
El porcentaje de cobertura solar
El período de autonomía
El comportamiento energético
El fabricante de componentes
La ubicación geográfica
Para una estimación inicial del tamaño de la instalación, los componentes y costes necesarios, se puede
realizar un diseño preliminar que consta de cinco
pasos. Este enfoque gradual a la realidad de un
sistema híbrido sirve para evitar que el planificador
se lleve desagradables sorpresas.
6.1 Indicaciones sobre el ejemplo de diseño
Al tratarse de un diseño preliminar, deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:
1. Los cinco puntos mencionados arriba comprenden sólo una estimación inicial.
2. Un diseño completo debería incluir muchos
más detalles, por ejemplo:
• Fluctuaciones estacionales
• Dimensionamiento según el peor mes
• Condiciones de irradiación predominantes
• Otras especificaciones individuales
30
3. Si desea obtener ayuda de SMA para el diseño de la instalación, rellene el cuestionario
con los detalles de su sistema Sunny Island.
Esto servirá:
• Para aclarar los detalles técnicos
• Como ayuda posterior para el equipo de
servicio técnico
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
6.2 Consumidores y horas de uso
La potencia y el consumo de energía de las cargas
tienen una gran importancia en los sistemas aislados. En la tabla 6.1 se muestra un resumen de las
cargas estándar, sus potencias y el tiempo de funcionamiento característico de cada día.
Consumidor
Potencia nominal [W] Tiempo func. caract. [h]
Energía [kWh]
Lámpara de bajo consumo
15
4
0,06
Bomba de circulación
de calefacción
70
2
0,14
200
3
0,6
90
5
0,45
100
5
0,5
Cocina (fogones + horno)
2.300
0,75
1,7
Microondas
1.200
0,25
0,3
Hervidor
1.800
0,25
0,45
Tostadora
1.200
0,25
0,3
200
0,25
0,05
Lavavajillas
1.300
1
1,3
Aspiradora
1.800
0,25
0,43
Plancha
1.000
0,25
0,24
80
0,25
0,02
Lavadora
2.000
1
2
Secadora
1.000
4
4
5
3
0,015
15
2
0,03
Amplificador
100
2
0,2
Televisor (70 cm diagonal)
100
4
0,4
Receptor de satélite
18
3
0,054
Equipo de vídeo
20
1
0,02
250
2
0,5
10
0,25
0,0025
100
2
0,2
Aire acondicionado (habitación)
3.000
2
6
Secador de pelo
1.000
0,25
0,25
15
0,25
0,0038
Bomba de agua
Frigorífico
Congelador 200 l
Batidora
Máquina de coser
Radio
Reproductor de DVD
Ordenador
Equipo de fax térmico
Impresora láser
Afeitadora
Tabla 6.1: Resumen de cargas estándar
31
SMA Solar Technology
6.3 Procedimiento de diseño
Cuantos más datos tengamos sobre el sistema aislado, más garantías tendremos de que el diseño de la
instalación será óptimo. En cualquier caso, se debe
responder a estas preguntas, relativas a seis áreas
diferentes:
1. Áreas de aplicación del sistema planificado
• ¿La instalación servirá como instalación aislada o
como sistema de respaldo de red?
• ¿El sistema se debe instalar para el funcionamiento monofásico o trifásico?
2. Características geográficas
• ¿En qué país se instalará el sistema?
• ¿Cuáles son los niveles de irradiación solar y
temperatura?
• ¿Cuál es la velocidad media del viento en la ubicación?
3. Generadores de energía
• ¿Qué generadores de energía se utilizarán?
¿Fotovoltaicos, diésel, eólicos, hidráulicos u
otros?
4. Porcentaje de cobertura
• ¿Qué porcentaje de cobertura debe obtenerse
de energías renovables (por ejemplo, relación
entre energía fotovoltaica y diésel)?
5.Consumo de energía
• ¿Cuál es el consumo de energía anual o diario?
6. Potencia
• ¿Cuál es la demanda máxima de potencia en un
día?
Partiendo de estos datos es posible realizar un diseño inicial que proporcione información sobre el tamaño, las fuentes de energía adecuadas y los componentes de la instalación.
6.4 Selección del inversor aislado
Al elegir el equipo adecuado, es importante recordar que algunos inversores aislados sólo pueden
funcionar de manera monofásica y otros, de manera trifásica. Otro factor que hay que tener en cuenta
es el rango de potencia.
Potencia en 30 minutos
En la designación de los equipos SI XYZZ:
X, Y = potencia constante de CA [kW] a 25 °C
ZZ = potencia constante de CC [V]
Sistema monofásico
Sistema trifásico
Pmáx = 1...2,7 kW
SI 2012
—
Pmáx = 1...2,9 kW
SI 2224
—
Pmáx = 1...8,7 kW
—
SI 2224 / SI 2012
Pmáx = 1...4,2 kW
SI 3324
—
Pmáx = 2...6,5 kW
SI 5048
—
Pmáx = 6...78 kW
—
SI 5048
Tabla 6.2: Selección de los inversores aislados
32
Designación de los equipos Sunny Island
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
Para seleccionar el Sunny Island adecuado, deberá
conocer estos factores:
• La potencia máxima Pmáx
• El número de fases
Cálculo de ejemplo 1
El número de inversores aislados de los sistemas monofásicos con potencias superiores se determina
dividiendo la potencia máxima Pmáx por la potencia en 30 minutos del Sunny Island:
Pmax
= cantidad SI 5048
P30
Redondeando el resultado al siguiente número entero se obtiene el número de equipos Sunny Island
necesarios.
Pmáx = 16 kW
P30 = 6,5 kW
Pmax
= cantidad SI 5048
P30
16 kW
6,5 kW
El número de equipos en los sistemas trifásicos se determina también a partir de la potencia en 30
minutos del Sunny Island. No obstante, el resultado se debe redondear al siguiente número superior
divisible por 3. Ésta es la única forma de distribuir los inversores de forma simétrica entre las fases:
Pmáx = 32 kW
P30 = 6,5 kW
Pmax
= cantidad SI 5048
P30
32 kW
6,5 kW
33
SMA Solar Technology
6.5 Dimensionamiento de la batería
El tamaño de la batería depende principalmente de:
• El período de autonomía en días
• El consumo de energía anual [Ea] en kWh/a
• El rendimiento medio de la batería durante la
descarga (aprox. ƞbat = 0,9)
Para el cálculo del período de autonomía se puede
usar cualquier intervalo de tiempo adecuado para
la aplicación. Sin embargo, se recomienda basar el
proceso de dimensionamiento en los valores empíricos de esta tabla:
Período de autonomía (días)
Tipo de batería
0,5
OGi
Respaldo (red débil)
1
OGi resist. ciclos
Sistema fotovoltaico o eólico con batería
4
OPzV/OPzS*
Sistema diésel
2
OPzV/OPzS*
1,5
OPzV/OPzS*
Sunny Backup (Europa)
Sistema con turbina hidráulica
Tabla 6.3: Períodos de autonomía en varias explotaciones
34
*Si usa baterías OPzS deberá realizar un
control periódico del estado de carga.
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
Cálculo de ejemplo 2
Dependiendo de las condiciones locales, el tamaño de la batería se indica en kWh o Ah.
Importante: las baterías no están disponibles en todos los tamaños. Los fabricantes de baterías ofrecen
tamaños estándar. Se recomienda elegir un tamaño estándar algo superior al calculado.
La tensión de la batería depende de los inversores aislados que se usen:
Sunny Island 2012: 12 V
Sunny Island 2224 y 3324: 24 V
Sunny Island 5048: 48 V
Ea
365
1.000
Sistema con generador diésel
Período de autonomía: 2 días
Consumo de energía anual [Ea]: 4.500 kWh
Rendimiento medio de la batería [ƞ bat]: 0,9
Sunny Island seleccionado: SI 2224
4.500 kWh
365
= 27,4 kWh
0,9
1.000
= 1.140 Ah
24 V
Para emitir los datos relativos a la profundidad de descarga de la batería (en inglés "DOD: Depth Of
Discharge") se ha tenido en cuenta el período de autonomía. Los períodos de autonomía de la tabla
6.3 se han emitido teniendo en cuenta una profundidad de descarga del 50%.
35
SMA Solar Technology
6.6 Dimensionamiento de la instalación
fotovoltaica
El tamaño de la instalación fotovoltaica depende de:
• El consumo de energía anual [Ea] en kWh/a
• El rendimiento del sistema
(aprox. ƞsis = 0,7)1
• La fracción solar [SF]
• La irradiación solar
La región en la que se va a construir la instalación
se debe establecer en una fase preliminar. El nivel
de irradiación solar y la fracción solar adecuada
del lugar pueden variar de forma considerable
(tabla 6.4).
Rendimiento energético específico [EFV]
kWh/(kWp ╳ a)
Fracción solar
adecuada [SF]
800 – 900
50 – 70%
Sur de Europa
1.300 – 1.450
60 – 90%
Norte y Sur de África o Sudamérica
1.450 – 1.700
60 – 100%
Arabia Saudí (extremadamente alta)
1.800
60 – 100%
Alemania
Tabla 6.4: Irradiación solar y fracción solar adecuada del lugar
Cálculo de ejemplo 3
Utilizando los valores anteriores es posible calcular el tamaño aproximado de la instalación fotovoltaica
en kWp para una vivienda unifamiliar en el sur de Europa.
Consumo de energía anual [Ea]: 4.500 kWh/a
Rendimiento medio del sistema [ƞsis]: 0,7
Fracción solar [SF]: 70%
Rendimiento energético específico [EFV]: 1.300 kWh/(kWp ╳ a)
El diseño exacto del campo solar, del inversor solar y del cableado adecuado se puede calcular
con la ayuda de la herramienta de diseño de SMA Sunny Design (http://www.sma-iberica.com/es/
tecnologia-solar/productos/comunicacion/monitorizacion-de-instalaciones/software/sunny-design/
vista-general/index.html).
1 El
36
rendimiento del sistema incluye el rendimiento de carga y descarga, las pérdidas de potencia, las pérdidas por potencia reactiva, etc.
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
6.7 Diseño del generador diésel
6.8 Cálculo de los costes de la instalación
Determinar el tamaño del generador diésel es
bastante sencillo: su potencia nominal debe ser
de aproximadamente el 80–120 por ciento de la
potencia nominal del Sunny Island. No obstante, es
preferible mantener este valor por debajo del 100
por ciento, ya que así se garantizará que el generador trabaje con su carga óptima. También permite
asegurar una vida útil más larga y un aprovechamiento adecuado del combustible diésel.
A partir de este diseño preliminar se puede realizar
también una estimación inicial de los costes de la
instalación. Los costes del cálculo que se muestra
aquí incluyen:
• Costes del inversor aislado
• Costes del acumulador de batería
• Costes de la instalación fotovoltaica
(módulos e inversores)
• Costes del generador diésel
• Costes de montaje e instalación
Los elementos que no se incluyan aquí se deberán
añadir en una fase posterior de diseño más detallada. Debido a la gran variedad de sistemas existentes no se pueden tener en cuenta aquí.
Resumen de costes de la instalación:
Coste Sunny Island
Coste batería
Coste FV
Coste diésel
Número equipos ╳ precio equipo
Ebat [kWh] ╳ 200–300 €2
PFV [kWp] ╳ 3000 €3
Pdiésel ╳ 1.000 €
Subtotal
Instalación (15%)
xy €
0,15 ╳ subtotal
Total
xy €
2
Consultar al fabricante de la batería
3
En 2010
37
SMA Solar Technology
7. Aspectos económicos
de los sistemas aislados
Desde una perspectiva económica, en la actualidad
los pequeños sistemas aislados con acumulador de
batería en el rango de potencia de varios kW son
considerablemente más rentables que las instalaciones que utilizan únicamente generadores diésel.
Incluso sistemas híbridos más grandes que utilizan
un generador diésel sólo para evitar la acumulación
en batería a largo plazo, se pueden operar a un
coste inferior que los sistemas que trabajan exclusivamente con diésel, gracias a la vida útil más larga
y al bajo coste de mantenimiento de los grupos. En
concreto, en cualquier evaluación de costes se debe
tener en cuenta el hecho de que en las regiones
remotas un kilovatio hora fácilmente puede costar
entre 0,50 y 1,50 euros.
Los costes de inversión implicados en la ampliación
de una red dependen principalmente del alcance
de la ampliación. En el caso de los sistemas híbridos, los costes de inversión dependen de los tipos
de cargas que se deben suministrar. El tamaño
necesario de la instalación fotovoltaica se deriva
de estos factores.
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Fuente: Alliance for Rural Electrification (ARE)
Fig. 7.1: Rentabilidad de explotaciones aisladas en relación con la distancia respecto a la red pública
de suministro eléctrico
38
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
La rentabilidad de los sistemas fotovoltaicos híbridos
en comparación con los sistemas totalmente diésel
se puede comprobar analizando los costes en relación con la vida útil de los dos sistemas. El ejemplo
práctico en Tanzania (África oriental) demuestra que
el coste inicial más elevado del sistema fotovoltaico
híbrido en comparación con una estación totalmente
diésel ya se recupera en el sexto año, debido a los
costes operativos considerablemente más elevados
del generador diésel. En los años siguientes, las
ventajas de utilizar un sistema fotovoltaico híbrido
continuarán aumentando de forma constante.
Datos de un sistema diésel
Generador diésel de 25 kVA
Datos de un sistema fotovoltaico híbrido
diésel
Generador diésel de 25 kVA
Instalación fotovoltaica de 30 kWp
Inversor aislado de 30 kW
Batería de 240 kWh
Los sistemas fotovoltaicos híbridos se pueden operar de forma rentable a largo plazo. A la vista del
aumento del coste de la energía y las materias
primas, los sistemas híbridos que funcionan con
energías renovables constituyen una alternativa real
y abrirán nuevos campos.
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व
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Fuente: Alliance for Rural Electrification (ARE)
Fig. 7.2: Rentabilidad de explotaciones aisladas
39
SMA Solar Technology
8. Competente, flexible, internacional:
el servicio técnico de SMA
Desde hace más de 20 años, SMA desarrolla y
fabrica inversores para instalaciones fotovoltaicas
conectadas a la red y para sistemas energéticos
descentralizados. Esta extensa experiencia es la
base sobre la que SMA continúa desarrollando sus
productos. Actualmente ofrece una amplia selección
de inversores aislados y de batería tanto para grandes redes aisladas como para sistemas de suministro
eléctrico de emergencia. Los equipos se diseñan
específicamente para cada explotación y garantizan
un funcionamiento óptimo incluso en condiciones
muy desfavorables.
Para un suministro de energía estable son necesarios
no sólo componentes duraderos sino también un
servicio técnico fiable. Por este motivo, SMA ofrece
tecnología punta innovadora y un servicio completo
como solución de un mismo proveedor. El servicio técnico telefónico de SMA, el servicio "in situ", el amplio
programa de garantía o la retirada de equipos al
final de su vida útil son servicios flexibles de SMA que
se adaptan totalmente a las necesidades del cliente.
40
Los expertos del servicio técnico telefónico ayudan
a los operadores de la instalación en la planificación, instalación y puesta en servicio de sistemas
Sunny Island; asesoran sobre cuestiones técnicas
y dan consejos para la monitorización del sistema. El servicio técnico gratuito para Sunny
Island está disponible en el número de teléfono
+49 561 9522 399.
Con más de 20 centros de servicio técnico en
Alemania a fecha de hoy y una buena infraestructura
de servicio internacional, SMA está siempre donde se
necesita. Sea cual sea el tema de su consulta (la instalación, el mantenimiento o el análisis del sistema), el
equipo de servicio técnico de SMA es un interlocutor
competente para los operadores de la instalación.
Los productos de SMA cuentan con la máxima
calidad y con una garantía estándar de cinco años.
Además, SMA ofrece una ampliación de la garantía
que da derecho al operador de la instalación a disfrutar de reparaciones gratuitas o equipos de recambio durante 20 años más.
Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo
9. Referencias
Con su línea de productos Sunny Island, SMA
proporciona la tecnología necesaria para la construcción de redes aisladas modulares. En SMA,
los planificadores de instalaciones encuentran un
equipo adecuado para cada aplicación, ya sea
para suministrar electricidad a un pueblo de China,
un hospital de la India, una cabaña en los Alpes de
Italia o una granja en Alemania. Con más de 1.000
sistemas aislados instalados en todo el mundo,
SMA cuenta con amplia experiencia en el área del
suministro autónomo de energía y tiene preparadas
soluciones individuales para nuevos desafíos.
Fig. 9.1: Suministro eléctrico para una vivienda en
Ghana
Fig. 9.2: Cabaña en los Alpes con suministro de
corriente fotovoltaica
Fig. 9.3: Suministro eléctrico en un pueblo de China
Fig. 9.4: Sistema híbrido en una escuela de Vaitupu (en
el archipiélago de Tuvalu, océano Pacífico)
41
SMA Solar Technology
10. Bibliografía
[1] Beverungen, S.: "Review of Energy Management
Strategies for Hybrid Energy Systems" [Revisión
de estrategias de gestión de la energía para sistemas energéticos híbridos], informe interno de
la Universidad de Kassel, Conversión eficiente
de la energía de IEE-RE; Kassel (2000)
[2] Sauer, D. U., et al.: "Entwicklung und Test von
Ladestrategien für Gel- und Vliesbatterien in autonomen Systemen" [Desarrollo y pruebas de estrategias de carga para baterías de gel y AGM
en sistemas autónomos], informe final de un proyecto de investigación, Fraunhofer ISE; Freiburg
(2001)
[3] Bopp, G.; Bächler, M.; Wollny, M.; Jossen, A. et
al.: "Systemkorrelierende Auswertung und Bewertung des Betriebsverhaltens in bestehenden PVAnlagen" [Evaluación y valoración relacionadas
con el sistema del rendimiento en instalaciones
fotovoltaicas existentes], informe final de un proyecto de investigación, ZSW; Ulm (1999)
[4] SMA Technologie AG: "Stromversorgung netzferner Gebiete" [Suministro eléctrico a zonas alejadas de la red], folleto; disponible en alemán e
inglés; Niestetal (2007)
[5] SMA Technologie AG: "Sunny Island 5048 –
Neuer Batteriewechselrichter für Inselanwendungen" [Sunny Island 5048: nuevo inversor de batería para aplicaciones aisladas], folleto; Niestetal (2006)
[6] SMA Technologie AG: " Solarstrom auch bei Netzausfall" [Energía solar incluso en caso de caída
del fluido eléctrico], folleto; Niestetal (2007)
42
[7] Meinhardt, M.; Rothert, M.; Engler, A.: "New V/fStatics controlled Battery Inverter: Sunny Island"
[Nuevo inversor de batería controlado por V/fStatics: Sunny Island]; Niestetal (2003)
[8] Wollny, M.: "Electrifying China" [La electrificación de China]; suplemento especial Refocus
de la revista "Renewable energy focus"; Oxford
(2005)
[9] Cramer, G.; Ibrahim, M.; Kleinkauf, W.: "PV System Technologies" [Tecnologías de sistemas fotovoltaicos]; suplemento especial Refocus de la revista "Renewable energy focus"; Oxford (2004)
[10] Rothert, M.; Wollny, M.: "Optimized Operation
Management in Hybrid Systems" [Gestión operativa optimizada en sistemas híbridos]; Niestetal (2006)
www.SMA.de
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