Sistemas Fotovoltaicos: Componentes Clave y Funcionamiento Detallado

Equipamiento Mínimo para Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red

Para una instalación fotovoltaica conectada a la red, los componentes esenciales incluyen:

• Paneles solares: Encargados de captar la radiación solar y convertirla en energía eléctrica.
• Convertidor CC/CA (Inversor): Transforma la corriente continua generada por los paneles en corriente alterna apta para la red eléctrica y el consumo doméstico.
• Elementos de corte y protección: Dispositivos de seguridad como interruptores y fusibles para proteger el sistema y la red.
• Contador de energía: Mide la energía producida y/o consumida, fundamental para la facturación y el monitoreo del rendimiento.

Diferencias entre Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red (On-Grid)

Estos sistemas están diseñados para operar en conjunto con la red eléctrica pública. Sus características principales son:

• Deben estar cerca de líneas de distribución eléctrica para la conexión.
• El productor puede inyectar el excedente de energía a la red, aunque el aprovechamiento directo de la energía producida puede variar según la legislación local (autoconsumo con o sin compensación).
• El productor continúa pagando por el consumo de energía de la red (ej. 0,15 €/kWh).
• El productor puede cobrar por la energía que inyecta a la red (ej. 0,32 €/kWh), dependiendo de la normativa.
• No necesitan baterías para almacenar energía, ya que la red actúa como un "almacén" virtual.
• Los paneles pueden operar a tensiones más elevadas (ej. 34-60 V CC).
• Los convertidores CC/CA son de alta calidad y cuentan con funciones especiales de conexión/desconexión a la red.

Sistemas Fotovoltaicos para Bombeo de Agua

Especializados en el suministro de energía para bombas de agua, se caracterizan por:

• Generalmente no necesitan baterías, aunque en algunos casos específicos pueden incorporarse para asegurar un suministro constante.
• El convertidor CC/CA o CC/CC es específico para esta aplicación, diferente a los de sistemas conectados o aislados.
• La bomba suele arrancar solo en horas de mayor radiación solar, optimizando el uso de la energía disponible.

Sistemas Fotovoltaicos Autónomos (Off-Grid)

Estos sistemas operan de forma independiente de la red eléctrica y tienen una amplia gama de aplicaciones:

• Telecomunicaciones: Alimentación de repetidores, estaciones base.
• Alumbrado público: Farolas solares en zonas remotas o urbanas.
• Señalización vial: Señales de tráfico, balizas.
• Adquisición y envío de datos: Estaciones meteorológicas, sensores remotos.
• Viviendas aisladas: Suministro eléctrico para hogares sin acceso a la red.

Funciones Clave del Regulador de Carga de Baterías

El regulador de carga es un componente vital en sistemas con baterías, encargado de:

• Controlar la intensidad de carga de la batería para protegerla.
• Evitar sobrecargas peligrosas que puedan dañar la batería o reducir su vida útil.
• Desconectar la batería si su tensión baja de un límite preestablecido, previniendo descargas profundas.
• Desconectar la carga si la tensión de la batería alcanza valores excesivos.
• Mantener la batería en "flotación" o plena carga una vez que ha sido cargada completamente.
• Pueden desviar la corriente para otros usos (cargas directas) cuando la batería ya está cargada.
• Evitar la descarga nocturna o sin radiación solar, impidiendo que la energía de la batería fluya hacia los paneles.

Tipos de Reguladores o Controladores de Carga

Existen diferentes tipos de reguladores, cada uno adecuado para distintas necesidades:

• Reguladores Shunt o Paralelo: Ideales para pequeñas cargas y sistemas de baja potencia. Desvían el exceso de corriente una vez que la batería está cargada.
• Reguladores Serie: Utilizados para controlar grandes corrientes. Interrumpen el flujo de corriente hacia la batería cuando esta alcanza su carga máxima.
• Reguladores Integrados en el Panel: Algunos paneles solares pequeños pueden incorporar un regulador básico.

Conexión y Constitución del Regulador de Carga

La correcta conexión del regulador es fundamental para el funcionamiento del sistema:

• Se intercala entre la carga (consumos) y los paneles solares, con una derivación hacia la batería.
• Ayudan a que el panel o los paneles trabajen en su Punto de Máxima Potencia (PMP) para optimizar la generación.
• Pueden incorporar un diodo de potencia en serie con la entrada para evitar la descarga de la batería a través de los paneles durante la noche o en ausencia de luz solar. A esta función se le denomina "Diodo de Bloqueo". Alternativamente, algunos reguladores pueden desconectar directamente los paneles.

Controladores de Carga Especiales: Reguladores Maximizadores (MPPT)

Los reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking) son avanzados y ofrecen mayor eficiencia:

• Trabajan con tensiones de entrada elevadas (ej. hasta 120V o más) para aprovechar al máximo la intensidad de carga disponible de los paneles.
• Son compatibles con baterías de diversas tensiones: 12V, 24V, 48V e incluso 60V.
• Generan tres métodos de carga para optimizar la vida útil de la batería:
  • Bulk (Carga Bruta): Fase inicial de carga a corriente constante, donde la batería absorbe la mayor parte de la energía.
  • Absorción: Fase de carga a tensión constante y corriente decreciente, para completar la carga de la batería sin sobrecargarla. Es una fase breve.
  • Flotación: Fase de mantenimiento a una tensión constante y baja, que compensa la autodescarga de la batería y la mantiene en reposo y plena carga.
• Generalmente, no tienen salida directa para consumos, ya que su función principal es la gestión de la carga de la batería.

Convertidores de Corriente para Sistemas Fotovoltaicos Aislados

Estos dispositivos son esenciales en sistemas off-grid para adaptar la energía a los consumos:

• Reciben corriente continua (CC) en su entrada y la convierten en su salida en:
  • Un voltaje diferente de CC, denominándose convertidor CC-CC.
  • Un voltaje diferente de corriente alterna (CA), y se llama convertidor CC-CA (Inversor).
• Los convertidores CC-CA son los más utilizados en sistemas aislados para alimentar electrodomésticos y equipos convencionales.
• Pueden generar varios tipos de forma de onda:
  • Onda cuadrada (menos común y adecuada para cargas simples).
  • Onda semi-senoidal o pseudo-senoidal (mejor que la cuadrada, pero no ideal para electrónica sensible).
  • Onda senoidal pura: La más deseable, ya que replica la forma de onda de la red eléctrica, siendo compatible con todo tipo de aparatos electrónicos.
• Disponibles en un amplio rango de potencias, desde 100 W hasta 5 KW en CA monofásica (230V - 50 Hz).

Funciones Adicionales de los Convertidores CC-CA

Algunos inversores para sistemas aislados ofrecen funcionalidades extra:

• Pueden servir como cargadores de batería, permitiendo cargar las baterías desde una fuente externa (ej. generador o red).
• Tienen la capacidad de arrancar grupos electrógenos de forma automática cuando la energía solar o de las baterías es insuficiente.
• Admiten entrada en CA (además de CC) para cargar las baterías o suministrar energía directamente a las cargas en ausencia de CC.

Convertidores de Corriente para Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red

Estos inversores son la interfaz entre los paneles solares y la red eléctrica:

• Son del tipo CC-CA, admitiendo altos valores de tensión continua en su entrada (generalmente >500 V CC).
• Disponibles en potencias que van desde 0,5 KW hasta 5 KW en monofásica (230V - 50Hz).
• Para instalaciones de mayor envergadura, existen modelos de 10 a 100 KW en trifásica (400V - 50 Hz).

Normas de Funcionamiento y Seguridad

Los inversores conectados a red deben cumplir estrictas normativas para garantizar la seguridad y la calidad de la energía inyectada:

• Calidad de la forma de onda de salida: Deben asegurar una onda senoidal pura con bajos armónicos.
• Funcionamiento en "isla" prohibido: No deben seguir inyectando energía a la red si esta pierde tensión (por seguridad del personal de mantenimiento).
• Protección contra sobre y subtensión y frecuencia: Desconexión automática si los parámetros de la red se salen de los límites.
• Reconexión: Después de una desconexión por fallo de red, deben esperar un tiempo prudencial (ej. 3 minutos y 30 segundos) antes de intentar reconectarse.
• Aislamiento galvánico de la red: Algunos modelos requieren aislamiento para evitar problemas de seguridad y calidad de la energía.
• No inyectar componente continua a la red: Es crucial evitar la inyección de corriente continua a la red pública.
• Protección contra sobretensiones y sobreintensidades: Mecanismos de seguridad integrados.
• Puesta a tierra: Conexión adecuada a tierra para seguridad eléctrica.

Otras Aplicaciones de los Convertidores Conectados a Red

Además de la inyección a la red, algunos inversores conectados a red tienen otras utilidades:

• Permiten la conexión directa a un enchufe de la casa (microinversores o inversores plug-and-play).
• Facilitan la conexión de la energía generada por paneles fotovoltaicos a la red eléctrica interna de 230 V~ de un hogar o negocio.
• La principal idea es ahorrar la energía consumida de la red, lo que se traduce en una disminución significativa de la factura de energía eléctrica.

Utilidad de los Acumuladores (Baterías) en Instalaciones Solares Fotovoltaicas (ISF)

Las baterías son componentes clave en sistemas aislados o híbridos, proporcionando almacenamiento de energía:

• Son necesarios cuando se desea disponer de corriente eléctrica en ausencia de luz solar (noche, días nublados).
• Suministran energía durante un tiempo limitado, dependiendo de su capacidad y el consumo.
• Tienen una vida útil relativamente corta en comparación con los paneles solares (aproximadamente 5-15 años, según el tipo y uso).
• Necesitan mantenimiento preventivo (especialmente las de plomo-ácido, que requieren revisión del electrolito).
• Permiten utilizar aparatos de mayor potencia que la proporcionada instantáneamente por los paneles, ya que pueden entregar picos de corriente.
• Fijan la tensión de trabajo del sistema en valores estándar como 12V, 24V o 48V, lo que es crucial para la compatibilidad de los equipos.