Este documento presenta los aspectos clave del diseño de sistemas fotovoltaicos, incluyendo la evaluación del recurso solar, la selección de componentes, el cálculo de la instalación y el esquema unifilar. Explica la importancia de considerar las pérdidas del sistema para lograr la rentabilidad óptima de la planta fotovoltaica desde el diseño. Además, describe los principales componentes como paneles, inversores, protecciones y cableado requeridos para una instalación fotovoltaica.
1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Diseño, ejecución, explotación y mantenimiento
DISEÑO DE LA INSTALACIÓN
Oscar Velasco. Grupo Generalia. 16 de Marzo de 2011
www.generalia.es
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2. ÍNDICE
Evaluación del recurso solar
Hacia la rentabilidad de la planta desde el diseño
Elección de componentes
Calculo de la instalación fotovoltaica
Esquema unifilar
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3. ÍNDICE
Evaluación del recurso solar
Hacia la rentabilidad de la planta desde el diseño
Elección de componentes
Calculo de la instalación fotovoltaica
Esquema unifilar
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4. EVALUACIÓN DEL RECURSO SOLAR
Característica del recurso solar: su condición es aleatoria y variable
Importante cantidad y calidad de estaciones medida, tanto de la radiación global como
de sus componentes directa y difusa
No son suficientes como para permitir la evaluación de cualquier localidad geográfica
distante o con orografía cambiante.
La utilización de las imágenes de satélites
geoestacionarios son una herramienta que
claramente cubre este hueco
Se les puede atribuir mas fiabilidad que a
la interpolación de los datos de las estaciones
meteorológicas mas cercanas
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5. EVALUACIÓN DEL RECURSO SOLAR
Mayor disponibilidad de datos: Mapas
con una incertidumbre cada vez
menor
Permiten una primera aproximación al
estudio de viabilidad del
emplazamiento de una central solar
Fuente: NASA
Puede considerarse suficiente para pequeñas instalaciones
Pero una verdadera evaluación del recurso debe hacerse mas rigurosamente mediante la
medida in situ de la radiación solar
Adicionalmente puede compararse con valores ofrecidos por satélite, y en su caso, con la
estación meteorológica mas cercana.
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6. ÍNDICE
Evaluación del recurso solar
Hacia la rentabilidad de la planta desde el diseño
Elección de componentes
Calculo de la instalación fotovoltaica
Esquema unifilar
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7. HACIA LA RENTABILIDAD DE LA PLANTA
DESDE EL DISEÑO
PERDIDAS DEL SISTEMA
EVALUACIÓN DE RECURSO
(PR)
• Latitud • Sombras
• Longitud • Desconexiones, averías y otras
• Altitud de lugar • Tolerancia de panel
• Datos recibidos de estaciones • Polución , dispersión y reflactancia
meteorológicas cercanas • Temperatura
• Datos vía satélite • Inversor
• Cableado
RENTABILIDAD OPTIMA
DE LA PLANTA FV
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8. ÍNDICE
Evaluación del recurso solar
Hacia la rentabilidad de la planta desde el diseño
Elección de componentes
Calculo de la instalación fotovoltaica
Esquema unifilar
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9. INVERSORES: TENDENCIAS
• Dentro de una instalación fotovoltaica podemos decir que el inversor es el corazón de la
misma.
• El precio de este equipo en relación a la instalación completa está en torno al 6%-9%
• Las compañías eléctricas pueden pedir transformador de aislamiento galvánico cuando la
conexión es en baja tensión
• El rendimiento de estos equipos ya está en el entorno del 95%-97%
• Conocer el concepto de funcionamiento puede ser muy importante en algunos casos,
vemos 3 opciones:
VARIAS ETAPAS DE VARIAS ETAPAS DE
UNA ÚNICA ETAPA DE
POTENCIA POTENCIA
POTENCIA
INDEPENDIENTES CONTROLADAS
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10. CARACTERÍSTICAS INVERSORES
Los parámetros mas importantes en el inversor son:
• Tensión máxima de entrada:
• la tensión del generador fotovoltaico nunca
podrá superar esta tensión
• Tensión MPPT:
• Es el rango donde el inversor es capaz de
situar la curva I – V del generador
fotovoltaico en el punto de máxima potencia
• La tensión del generador fotovoltaico deberá
estar dentro de este rango en las diferentes
condiciones de temperatura que habrá en la
localización durante el año
Fuente: SolarMax
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11. CARACTERÍSTICAS INVERSORES
Otros parámetros importantes en el inversor son:
• Eficiencia del inversor:
• Como se ve en la gráfica, el inversor en función de la carga alcanza una eficiencia,
además de la eficiencia máxima todos los fabricantes indican las eficiencia europea que
resulta de ponderar la eficiencia cuando el inversor está al 5%, 10%, 30%...100%
• La temperatura de trabajo del equipo:
• Es muy importante ya que en determinadas zonas es habitual que en recintos
cerrados se superen los 40º de temperatura con lo que habrá que verificar este
parámetro para valorar algún tipo de ventilación ya sea natural o forzada
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12. PANEL CRISTALINO O CAPA DELGADA
Identificación visual
Mono cristalino Poli cristalino Capa delgada A-Si:H
Fuente: Atersa
Comentarios sobre los paneles capa delgada:
Son más baratos, aunque precisan mas estructura soporte para la misma potencia
La garantía de potencia disponible en el módulo no es tan precisa como los mono o
policristalinos y no hay referencias de instalaciones de tanta antig.
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13. PANEL CRISTALINO O CAPA DELGADA
PANEL CRISTALINO PRECIO * COMPORTAMIENTO EFICIENCIA SUPERFICIE
CON LA NECESARIA
TEMPERATURA
Mono cristalino
Poli cristalino
PANEL CAPA DELGADA
CGIS (Diseleniuro de Cobre,
Indio, Galio)
CIS (Diseleniuro de Cobre e
Indio)
CdTe (Teluro de Cadmio)
A-Si:H tripple (Silicio amorfo
triple unión)
A-Si:H tandem (Silicio amorfo
doble union)
A-Si:H single (Silicio amorfo)
* Puede variar bastante según la política de precios de cada fabricantes
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14. CARACTERÍSTICAS PANEL FV
A nivel eléctrico lo mas importante es ver si nos cuadra la
eficiencia del panel
A mayor eficiencia de panel menor superficie se
necesita de tejado o suelo
Los parámetros de tensión e intensidad no son
determinantes ya que como los valores de tensión e
intensidad del inversor son mayores tendremos que conectar
los paneles en serie-paralelo para adaptar estos valores en la
mejor medida posible
Fuente: Atersa
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15. CARACTERÍSTICAS PANEL FV
Fuente: QS Solar Fuente: Atersa
El factor de perdidas por temperatura en países
con latitud entre 35º - 0º repercute mucho en la
producción.
Entre paneles con la misma tecnología los valores
de perdidas son similares.
Si comparamos los datos de 2 tecnologías
distintas A:Si (Izquierda), Policristalino (Derecha)
podemos ver como la tecnología A:Si tiene un
40% menos de perdidas
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16. PANEL CONCENTRACIÓN
La tecnología de concentración está todavía en proceso embrionario.
Lente fresnel
Sistema óptico refractivo
Concentración de 500x
Fuente: Everphoton
Ahorro de costes potencial
Eficiencia de las células desde el 30% actual hacia el 40%
Aumento de la concentración de 500x actual hacia 1000x
Exigen gran precisión del seguimiento. Desviación menor de 0.1-0.2º
Los retos a superar actualmente son la degradación de elementos ópticos, la
refrigeración y el coste del seguimiento
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17. PROTECCIONES
La protecciones a instalar serán:
MAGNETOTÉMICA DIFERENCIAL MAGNETOTERMICA FUSIBLES
AC AC DC DC
S800PV de ABB (Características)
• S800PV-S Interruptores automáticos magnetotermicos
• Versiones en 2P, 3P y 4P
• Hasta 80 A
• 800Vcc con 2P y 1200Vcc con 3P y 4P (Muy interesante)
• S800PV-M Interruptores seccionadores
• Versiones en 2P, 3P y 4P
• Hasta 125 A Fuente: ABB
• 800Vcc con 2P y 1200Vcc con 3P y 4P (Muy interesante)
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18. PROTECCIONES SOBRETENSIONES
Para protección contra sobretensiones se coloca lo mas próximo
posible a los elementos a proteger unos equipos llamados
descargadores de tensión o varistores de alta energía
• La función de estos equipos es detectar una sobretensión en un
espacio de tiempo determinado y derivarlo a tierra
• En función de que tipo de descarga tenga que derivar el equipo,
puede destruirse el propio descargador.
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19. CABLE
Los cables que se utilizan dentro de una instalación fotovoltaica deberán cumplir
los siguientes requisitos:
• La instalación tiene una duración mayor de 25 años
• El cableado de panel a inversor estará en intemperie y circulará por el
interior de viviendas o industrias
• El cableado de inversor a contador será en la mayoría de los casos
enterrado bajo tubo
• En los casos que se requiera media tensión nos encontraremos con la
necesidad/posibilidad:
• Realizar instalación subterránea de cableado de media tensión
Fuente: TopCable
• Realizar instalación aérea de cableado de media tensión
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20. CABLE
Teniendo en cuenta los condicionantes anteriores se recomiendan el uso de:
• Cable especifico para instalaciones solares
• Cable RZ
• Las principales características de ambos son:
• Conductor: de cobre electrolítico
• Aislamiento: libre de halógenos
• Cubierta: ignifugada, con baja emisión de humos y gases
corrosivos en caso de incendio
• Aplicaciones: es un cable de alta seguridad. En caso de incendio no
emite sustancias tóxicas ni gases corrosivos, por lo que protege la
salud pública y evita posibles daños a los equipos electrónicos. Por
esta razón su uso es obligado en locales de pública concurrencia
Fuente: TopCable
• Una comparativa visual se puede ver en la siguiente transparencia
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21. CABLE
Teniendo en cuenta los condicionantes anteriores se recomiendan el uso de:
• Cable especifico para instalaciones solares
• Cable RZ
• Las principales características de ambos son:
• Conductor: de cobre electrolítico
• Aislamiento: libre de halógenos
• Cubierta: ignifugada, con baja emisión de humos y gases
corrosivos en caso de incendio
• Aplicaciones: es un cable de alta seguridad. En caso de incendio no
emite sustancias tóxicas ni gases corrosivos, por lo que protege la
salud pública y evita posibles daños a los equipos electrónicos. Por
esta razón su uso es obligado en locales de pública concurrencia
Fuente: TopCable
• Una comparativa visual se puede ver en las siguientes
transparencias
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24. CIRCUITO DE PUESTA A TIERRA
Los elementos para circuito de puesta a tierra son los típicos de
cualquier otro tipo de instalación eléctrica, estos equipos son:
• Picas de tierra, existen de diversas medidas en función de la
profundidad que se requiera desde 1,5 a 2,5 metros
• Cable de cobre desnudo >35mm2.
Para instalaciones de baja potencia será suficiente la utilización
de varias picas de tierra, separadas una distancia
determinada interconectadas con cable de cobre desnudo
Para instalaciones de potencias altas es mas habitual realizar un
mallado de tierra con cable de cobre desnudo, en función de
las mediciones físicas se puede complementar con la
colocación de picas de tierras
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25. CENTRO DE TRANSFORMACIÓN
Los elementos mínimos necesarios para una conexión en media
tensión son:
• Transformador de potencia igual a potencia salida inversor PV
con las siguientes características típicas:
• Transformador en baño de aceite mineral
• Con neutro accesible en baja tensión
• Refrigeración natural
• Reducción de tensión de MT a BT en trifásica
• Celdas de media tensión
• Existen diferentes tipos de celdas tales como:
• Celda de medida
• Celda de interruptor automático
• Pueden ser telemandadas o no
En función de los requerimientos del punto de conexión concreto,
la compañía fija los elementos. El coste puede variar de forma
25 importante en cada caso.
26. ELEMENTO DE MEDIDA
Una instalación fotovoltaica de conexión a red exporta toda la energía
a red, si bien es cierto que diversos equipos dentro de la instalación
tendrán un consumo propio como son:
• Inversores
• Equipos de comunicación
• Servicios auxiliares
• Equipos de seguimiento solar, en su caso
El contador tendrá que estar homologado en el país donde se vaya a
instalar
Las características habituales son:
• Clase 1
• Bidireccional
• Salida óptica, salida RS485
Fuente: Circutor
• En función de la potencia instalada el contador podrá conectarse
de forma directa o a través de trafos de medida
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27. EL PUNTO DE CONEXIÓN
Para evitar sombreados nos encontraremos que todo el trazado de cableado
de MT en una planta solar se realizará de forma subterránea.
La tensión habitual de trabajo está entre los 15kV y los 30kV aunque
dependerá del país
Se realizará un paso aéreo subterráneo para enlazar con la línea de la
compañía eléctrica.
El conductor tendrá las siguientes características
Fuente: Centelsa
INSTALACIÓN MT FV
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28. EL PUNTO DE CONEXIÓN
El cable de MT requiere de un blindaje para que la distribución del
campo eléctrico sea uniforme, se realiza en 3 capas por lo que se
denomina triple extrusión:
• Blindaje del conductor
• Aislamiento
• Blindaje del aislamiento
Requiere también capa externa denominada camisa que
proporcionará resistencia al conductor frente a:
• La humedad
• Frente a llama
• Resistencia a los rayos UV
• Resistencia al impacto y abrasión
• Resistencia a Hidrocarburos
Fuente: Centelsa
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29. ÍNDICE
Evaluación del recurso solar
Hacia la rentabilidad de la planta desde el diseño
Elección de componentes componentes
Calculo de la instalación fotovoltaica
Esquema unifilar
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30. HACIA UNA DEFINICIÓN DEL PR
Energía eléctrica (Wh) Pérdidas
PR = 0,74 a 0.78
Irradiación (Wh/m2)
Nota 1: Los valores de las siguientes diapositivas son estimados y solo valen como orientación, ya que
algunos o todos pueden oscilar de forma notoria según cada emplazamiento.
Nota 2: Es fundamental un estudio detallado del PR de la instalación porque afecta de manera
importantísima a la rentabilidad de la planta
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31. ESTIMACIÓN DE PERDIDAS
100%
1. Temperatura. (9%) +10ºC 4% energía recibida
91%
2. Inversor. Puede considerarse un 6%, se tiende al 4%
87,4%
3. Cableado de alterna, continua y otros elementos eléctricos. Máximo 2%
85,6%
4. Tolerancia panel. No debe superar actualmente el 3%
83%
5. Polución, dispersión y reflectancia. En panel fijo aprox.3%. En
seguidor, 2%. En entornos urbanos, aumentar un 2% adicional
80,6%
6. Sombras. Deben mantenerse por debajo del 4%. En seguidores, estudio
de sombras
77,3%
7. Otras pérdidas (incidencias, etc). 2% para instalaciones fijas y 4%
para seguidor
75,8%
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32. CLAVES PARA CONSEGUIR UN BUEN PR
Elegir los emplazamientos mas frescos, como zonas elevadas
Entre los inversores, aquéllos que tengan mejor eficiencia europea y de seguimiento
del punto de máxima potencia
Dimensionar los cables con cierta holgura para la intensidad prevista, y escoger
trazados con longitudes que no provoquen caídas de tensión acusadas
Elegir paneles con tolerancias entre el +/- 2-3%
Limpiar los paneles, en los periodos prolongados sin lluvia
La separación de filas de paneles o de seguidores debe permitir reducir las pérdidas
por sombreado, sin perder de vista la optimización de la parcela
Minimizar el impacto de las averías, con un mantenimiento preventivo
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33. ESTUDIO DE SOMBREADO
En función del tipo de instalación, el estudio de sombreado, la optimización del
emplazamiento y la rentabilidad asociada al proyecto varían.
Los principales elementos a estudiar son:
• Desviación acimutal respecto al Sur (Hemisferio Norte) o Norte (Hemisferio Sur)
• Inclinación de paneles
• Sombreado elementos externos
• Sombreado elementos propios
FIJA - SUELO SEGUIDOR - SUELO FIJA - TEJADO INTEGRACIÓN
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34. FIJA-SUELO
1. Distancia entre filas de paneles
Una regla que podemos considerar básica en instalaciones fijas, es que en los
peores días de invierno, al menos en las 4 horas centrales del día, los paneles
solares no deben recibir sombras.
Esto implica calcular el ángulo del sol (altura respecto a la línea del horizonte) a
+/- 2 horas respecto al mediodía solar. Este ángulo variará en función de la latitud
lógicamente
En el trazado del recorrido del rayo de sol, desde la parte superior del panel
delantero, hacia la inferior del de detrás no se proyectarán sombras
d= h / k
Latitud 29° 37° 39° 41° 43° 45°
34 k 1,600 2,246 2,475 2,747 3,078 3,487
35. FIJA-SUELO
2. Inclinación
La inclinación del panel puede tomarse la de “latitud – 10º”
En España, una inclinación de 30º-33º, se considera la idónea, pero inclinaciones
de entre 20 y 40º, no suponen pérdidas apreciables
Inclinaciones por debajo de 15º en ambientes urbanos, pueden llevar a pérdidas
por suciedad en paneles, superior a las deseadas
La inclinación del terreno, será lógicamente descontada, lo que puede favorecer,
distancias menores entre filas y mejor aprovechamiento del emplazamiento.
También puede darse el fenómeno contrario
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36. FIJA-SUELO
3. Orientación
La orientación mas favorable es a 0º SUR (Hemisferio Norte), pero hasta 20º de
desviación este u oeste, las pérdidas son razonablemente bajas.
En el siguiente gráfico valido para una latitud de 40º, las perdidas adicionales que
tenemos en la instalación en función del ángulo acimutal y el ángulo de
inclinación elegido.
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38. SEGUIMIENTO-SUELO
…Optimización del emplazamiento
Tareas previas:
Condicionantes medioambientales
Condicionantes urbanísticos
Levantamiento topográfico
Estudio de sombras de elementos externos (árboles, postes eléctricos)
Estudio de sombras directas y sombras cruzadas
Determinación de distancia entre seguidores (o filas de paneles)
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40. FIJA-TEJADOS
Debido a que las instalaciones de conexión a red tienen un concepto de inversión, cuando
nos encontramos un tejado puede surgir la siguiente disyuntiva.
• Dispongo los paneles en la inclinación y orientación idóneas
• Adapto los paneles a la superficie
Para ello tendremos en cuenta en el balance:
Influencia de la orientación
Influencia de la inclinación
Influencia de sombras cercanas
Instalación coplanar versus instalación por hileras
Limitaciones geométricas del tejado
Influencia de la geometría del tejado en la configuración
Nota: Atención a paneles de la misma rama en distintos planos
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41. INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA
En la integración arquitectónica se tenemos dos posibilidades.
• La integración implica que los paneles se colocarán de forma coplanar al tejado de
forma que visualmente no implique un cambio visual apreciable.
• La integración arquitectónica como elemento constructivo que puede realizar varias
funciones como:
• Generador de electricidad
• Efecto parasol, para ello se eligen paneles especiales que tienen huecos entre
células que permiten el paso de la luz
• Diseño innovador, para ello en la mayoría de los casos requiere de estructuras
especiales que incrementan el precio global de la instalación
La integración arquitectónica entendida de este modo no se entiende como una
inversión financiera pura, si no como un valor añadido en imagen y diseño
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42. PRODUCCIÓN ANUAL DE LA INSTALACIÓN
Supongamos que p. ej. en Toledo (España) en un determinado año, la irradiación
global media ha sido de 4.77 kW-h/ m2
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43. PRODUCCIÓN ANUAL DE LA INSTALACIÓN
Producción por cada kW pico (kW en paneles)
Hmed dia PR finc dias / año Pinst
Eanual/ kWp
ISTC
(4.7 kW-h/ m2 -día x 0.74 x 1.15 x 365 días x 1 kW) / 1 kW/m2
La producción esperada con esa irradiación horizontal y para un factor de
pérdidas PR de 0.74 sería: 1460 kW-h
PR es adimensional
1.15 es una relación usualmente manejada para conocer la producción de un
panel a su mejor inclinación respecto a la irradiación horizontal
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44. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA
Una vez seleccionados los módulos e inversores, la configuración del sistema permite
maximizar la energía producida al unir estos dos componentes.
Es posible que en alguna ocasión se deba replantear el uso de un determinado módulo
o inversor para que el dimensionamiento del conjunto sea mas idóneo
La configuración de los sistemas tiene en cuenta
• Tensión máxima de entrada al inversor
• Intensidad máxima de entrada al inversor
• Tensión e intensidad en punto de máxima potencia
Cuando se realizan las ramas de los paneles habrá que tener en cuenta que la tensión e
intensidad de la rama variará en función de la temperatura, por tanto se tendrán que
elegir valores extremos de la región para realizar el cálculo.
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45. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA
Un ejemplo de configuración puede verse en la siguiente pantalla extraída del programa de
cálculo solar PVSYST
45 Fuente: PVsyst
46. CÁLCULOS ELÉCTRICOS
En el cálculo eléctrico sobre todo hay que prestar atención a:
• Intensidad máxima de los conductores
• Caída de tensión máxima permitida
Por regla general si cuando la distancia es medio-larga el factor determinante en la sección
del cable es la caída de tensión.
En el caso de una distancia muy corta la intensidad que circula por el cable la que
determinará la sección del cable
Tramo
Seccion estandar (mm2)
Sección calc. (mm2)
Imax_admisible
∆V max (%)
∆V max (V)
V nom (V)
Conduct.
Inom (A)
Long.
Wp inst (kWp) Seccion (mm2)
100% 70% 30% 100% 70% 30%
ZA01 93 541 72 50 22 133 93 40 35 1,0 5,4 131 92 39 97 150 338
ZA02 97 541 72 50 22 133 93 40 35 1,0 5,4 136 95 41 101 150 338
ZA03 115 541 72 50 22 133 93 40 35 1,0 5,4 162 113 48 120 150 338
ZA04 133 541 38 27 12 71 50 21 35 1,0 5,4 100 70 30 74 95 245
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47. CÁLCULOS ELÉCTRICOS
Para la realización de un cálculo simplificado de tierras podemos partir de las siguientes
fórmulas en función de la resistividad del terreno y las características del electrodo
Los valores de resistividad medios aproximados en función del terreno se pueden ver en la
siguiente tabla:
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48. CÁLCULOS ELÉCTRICOS
Las formulas en las que está basado el dimensionamiento del cable son las siguientes:
• Trifásico
• Teniendo en cuenta que:
• P = Potencia
• L= Longitud de cable
• Monofásico • = Conductividad cable
• E =Caída de tensión permisible en
voltios
• U= Tensión de línea (400V) para
trifásico y (230V) para monofásico
TABLA DE CONDUCTIVIDADES EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
48
49. SOBRETENSIONES
La caída de rayo produce una sobretensión transitoria de
corta duración y con una amplitud muy alta.
SOBRETENSIÓN TRANSITORIA
La sobretensión producida por la descompensación de la
red entra dentro de la categoría de sobretensión
permanente, la duración es mayor y la amplitud es
inferior.
Para la protección contra sobretensiones se usarán los
equipos descargadores colocados a la entrada y salida de
SOBRETENSIÓN PERMANENTE
los equipos que queramos proteger.
Existen 3 niveles de protección:
Alto Medio Bajo
EQUIPO NIVEL DE PROTECCIÓN
INVERSOR
CONTADOR
CUADRO CC
Fuente: Cirprotect
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50. IMPORTANCIA DEL PUNTO DE CONEXIÓN
Cuando realizamos una instalación donde se requiera tener mas de un centro de
transformación en MT es importante la definición del tipo de enlace entre los centros de MT
y el punto de entronque.
Dentro de un parque solar las acometidas serán subterráneas con lo que podremos usar el
tipo de cable expuesto anteriormente en esta presentación.
Las posibles conexiones que nos encontramos serán. Conexión en anillo y conexión en
estrella ESTRELLA
ANILLO
HAY PERDIDA DE
PRODUCCIÓN
ROTURA DE CABLE
NO HAY PERDIDA DE
PRODUCCIÓN
ROTURA DE CABLE
50
51. ÍNDICE
Evaluación del recurso solar
Hacia la rentabilidad de la planta desde el diseño
Elección de componentes componentes
Calculo de la instalación fotovoltaica
Esquema unifilar
51
52. ESQUEMA UNIFILAR
FUSIBLE
MAGNETOTERMICO
DC
DIFERENCIAL
MAGNETOTERMICO
AC
SECCIONADOR /
MAGNETOTERMICO
COMPAÑÍA ELÉCTRICA
52