TAREA TÉCNICA: SISTEMA DE CONEXION A RED

Hospital General Docente Dr. Agostino Neto

Potencia de la Instalación Fotovoltaica: 48.6 Kwp

Proyecto: Programa de Sostenibilidad Ambiental en el Oriente Cubano Fase II

Diciembre, 2014

TAREA TECNICA

SISTEMA INYECCION A RED 1 MWp.

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I. INTRODUCCION Los sistemas solares fotovoltaicos de inyección a RED son el resultado de muchos años de innovación tecnología. La evolución de las celdas solares, el desarrollo de la electrónica de potencia y la reducción de los costos han propiciado su consolidación en el mercado como solución energética confiable. Convencidos de sus potencialidades y seguros de su futuro, contribuir a su implementación y desarrollo es nuestro mejor legado a las generaciones futuras.

Un Sistema fotovoltaico de inyección a red, o conectado a red, consiste básicamente en un generador fotovoltaico acoplado a un inversor que opera en paralelo con la red eléctrica convencional. El concepto de inyección tiene un amplio margen de aplicaciones, desde pequeños sistemas de pocos kWp de potencia instalada hasta centrales de varios MWp. En la figura-1 se muestra un diagrama de los componentes principales de un sistema de conexión a red que inyecta energía a la red de media tensión.

Figura-1: Componentes principales de un sistema fotovoltaico de conexión a RED.

El arreglo fotovoltaico recibe la radiación solar y la transforma en energía eléctrica, que en lugar de ser almacenada en baterías, se puede utilizar directamente en el consumo o bien entregarla a la red eléctrica de distribución. Estas dos funciones las realiza un inversor especialmente diseñado para esta aplicación, convirtiendo la corriente directa (DC) en corriente alterna (AC). El generador fotovoltaico o campo de paneles se puede integrar a techos o fachadas en las viviendas o edificios, o en estructuras especiales de campo abierto. Cuando la energía es entregada a la red de media tensión se hace necesario utilizar un transformador, este eleva el voltaje de salida de los inversores al voltaje final de la red de media tensión. Entre las principales ventajas de estos sistemas se encuentran: 

Al generar en el mismo punto en que se produce el consumo, se eliminan las pérdidas en la transmisión y de distribución de la energía eléctrica.



Se instalan fácil y rápidamente sobre cualquier edificio o área bien expuesta al sol.



No producen ningún tipo de contaminación ni efecto nocivo.



Son sistemas modulares: permiten pequeñas inversiones de forma progresiva.



Los costos de operación y mantenimiento son incomparablemente inferiores a los de las termoeléctricas.

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II. OBJETIVOS Y ALCANCE El proyecto que se describe a continuación tiene como objetivo la el suministro de materiales y puesta en marcha de una central fotovoltaica de inyección a red de 48.6 kWp en “Hospital General Docente Dr. Agostino Neto”. Para disminuir consumo energético de la red nacional, contribuir al ahorro de combustible y la disminución de gases contaminantes al medio ambiente. En dicho sistema se dispondrá de todo el equipamiento para el monitoreo total de la instalación, permitiendo visualizar todos los parámetros del sistema. Copextel, suministrará y acometerá los siguientes trabajos: SUMINISTROS:  216  3  1  

1 1

Módulos FV de 250 Wp, 29VDC. Inversores de inyección a red de 17 kWac. Equipamiento para: adquisición de datos (SUNNY WEB BOX), monitoreo (SENSOR BOX y SENSOR DE TEMPERATURA AMBIENTE), sensor de temperatura del módulo. Kit de cables y accesorios eléctricos para el montaje. Estructuras para colocar los módulos fotovoltaicos.

TRABAJOS:



Estudio del edificio donde se colocaran los equipos y módulos solares y elaboración del presupuesto.



Diseño de la central fotovoltaica.



Asesoría para la confección del proyecto civil y eléctrico de la central fotovoltaica.



Instalación de las estructuras de campo, módulos FV, inversores, tableros, hasta la interconexión y el cableado general de todo el sistema.



Puesta en marcha de todo el sistema.

Para la instalación de este sistema se debe garantizar: 

Un área que cumpla con los requerimientos de espacio (para colocar los módulos) y de ubicación (que no tenga barreras naturales o de otro tipo y garantice además la evacuación de la producción energética del sistema a través de la red nacional de energía)



Las fundiciones de las bases para colocar las estructuras metálicas de los módulos.



Los permisos necesarios para acometer los trabajos.



La toma de tierra física para realizar el aterramiento del equipamiento del sistema.



Las protecciones contra sobre tensiones en la PGD (pizarra general de distribución) y cerca del inversor por el lado de AC.

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En la figura-2 se ilustra la variante propuesta para la central fotovoltaica, en esta se puede ver todos los detalles generales de la conexión de los diferentes componentes del inversor 1.

Figura-2: Sistema fotovoltaico de inyección a red.

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III. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN. La central fotovoltaica descrita en la figura-2 convierte la energía proveniente del Sol en energía eléctrica a baja tensión (voltaje intermedio-230/400V) para verterla a la red eléctrica de la instalación. La producción de energía anual media estimada es de 82 MWh/año, esta energía generada se medirá en baja tensión (BT). Campo fotovoltaico. La central fotovoltaica está integrada en su conjunto por 216 módulos fotovoltaicos de 250Wp. Los módulos fotovoltaicos serán colocados en 36 estructuras metálicas de 6 módulos cada una, con un ángulo de inclinación de 15o. Se utilizará una configuración de 2 filas y en cada fila 2 estructura, para un total de 12 módulos por fila. En la figura-3, se ilustra la composición del campo fotovoltaico.

N

Figura-3: Disposición posible del campo de las estructuras de los módulos.

La distancia entre filas adoptada para este proyecto, para garantizar un mínimo de 4 horas de sol entorno al mediodía del solsticio de invierno y buscando una mejor circulación entre filas para facilitar los trabajos de instalación y mantenimiento, será de 0.5 m. Por lo que la central fotovoltaica ocupará un área total aproximada de 429 m2, lo que implica una densidad de potencia de aproximadamente 110 Wp/m2.

1.5938

2.0878

2.0878

2.0878

2.0878

2.0878

12.0328 m

El cableado de interconexión de los módulos, tanto para la serie de los string, como para la entrada hasta los inversores, se realizaran con conductores Multi-Contact, específicamente diseñados para aplicaciones fotovoltaicas. ECOSOL ENERGIA, COPEXTEL S.A.

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Inversores de Inyección a RED. La central fotovoltaica está compuesta por 1 inversor trifásicos de 17kW/230-400VAC/60Hz (SUNNY TRIPOWER 17000TL, de SMA). El mismo lleva conectado 4 string de módulos fotovoltaicos (tres a un seguidor A MPPT y el otro al seguidor B MPPT), con 20 módulos en serie por cada string. Se utilizarán por lo tanto un total de 80 módulos por cada inversor (8 estructuras para 10 módulos). Esta configuración implica que por cada fila de módulos hay 2 estructuras de 20 unidades. De los inversores saldrán los cables RC que conectarán los mismo a la PGD. El voltaje de entrada a circuito abierto (Voc) para cada inversor será de 1000 VDC, mientras que el punto de operación a potencia máxima, teniendo en cuenta las perdidas, será de aproximadamente 400-800 VDC. El voltaje de alimentación a cada inversor, por el cual se vierte la energía generada debe estar en el rango de 160280 VAC / 60±5 Hz, entre fase y neutro. Como se puede apreciar en la figura-2, la conexión en paralelo de los string de cada inversor se realizará directamente en los inversores. En los inversores se incorporan directamente los supresores de picos de DC (tipo II) quedando protegidos antes descargas eléctricas atmosféricas por el lado de DC. Los supresores deben ser colocados a la tierra física de la instalación, al igual que la estructura metálica de los módulos. Tanto el positivo como el negativo de los string quedarán aislados de tierra. La entrada a cada inversor por DC se hará con dos conductores de multicontact. A la salida de los inversores se colocará un interruptor magneto-térmico de 3P/40A (C60N, curva-B, de Schneider), dentro de una pizarra de AC. El cual se conectará por un lado a la PGD (Pizarra General de Distribución) y por el otro lado al inversor. Esta pizarra de AC contará además con una barra de neutro y otra de tierra. A la barra de neutro debe ser conectado, el neutro del inversor y el neutro de la PGD. A la barra de tierra se colocarán la tierra física del sistema, la tierra del inversor y el cable de tierra que viene desde la PGD (TN-S, 5 hilos). Sistema de comunicación y visualización. Para esta central se prevé su monitorización, diagnóstico a distancia, almacenamiento de datos y visualización: Sunny WebBox (de SMA) es la central de comunicación para operadores de plantas fotovoltaicas solares medianas y grandes. Este equipo recopila continuamente todos los datos de los inversores y permite informarse constantemente del estado actual de su instalación. En este caso la forma de comunicación entre los inversores y el Sunny Web Box será vía RS 485, por lo que se hace necesario que el cable de comunicación llegue desde el Web Box al inversor. El Web Box será colocado en el interior de la instalación cerca de algún punto donde se pueda integrar el mismo a la red local. Con el objetivo de tener un análisis total y completo del rendimiento de la instalación y tomar decisiones futuras, se instalará el Sunny Sensor Box (de SMA), el cual permite medir la irradiación solar y la temperatura del módulo. Con estos valores es posible determinar la potencia teórica del campo fotovoltaico y compararla con la real medida en los inversores, variaciones considerables implica un mal funcionamiento de la instalación. El Sensor Box debe ser instalado a la intemperie junto al arreglo fotovoltaico y debe tener el mismo ángulo de inclinación de los módulos fotovoltaicos, este debe ser integrado al sistema de comunicación vía RS 485, al igual que el inversor, por lo que debe ser considerado un cable de comunicación hasta el Sensor Box desde el Web Box. ECOSOL ENERGIA, COPEXTEL S.A.

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Para la visualización de datos en Internet se prevé acceder al Sunny Portal (de SMA), este nos permite acceder a la información de nuestra central desde cualquier parte del mundo, para ello solamente tenemos que integral el Web Box en la red local con acceso a Internet. Análisis de la producción de energía esperada. Para realizar los cálculos de la producción de energía esperada se hace necesario disponer de los datos de irradiación solar de cada sitio donde se ejecutaran dichas centrales. A partir de los valores de irradiación solar y temperatura ambiente, para cada mes del año podemos calcular la energía generada por la instalación para cada día típico del mes (kWh/día). Fuente de los datos de irradiación solar: Fuentes de los datos de temperatura:

U Lowell: VEN 5A, type H www.meteored.com

Sistema de Inyección a Red Hospital General Dr. Agosthino Neto, Gtmo (48,6 kWp) MES Enero Feb Marzo Abril Mayo Junio Julio Agos Sept Octu Nov. Dic.

días 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

TMEDIA (oC) 22,1 23,1 23,1 25,6 25,7 26,6 26,9 27,1 26,5 25,5 23,8 22,6

Radiación solar Horas de sol pico 5,65 5,51 6,53 7,11 6,23 5,72 5,97 6,27 6.00 6,25 4,98 5,41

Potencia Wp

Generación kWh/mes

PR

48,60 48,60 48,60 48,60 48,60 48,60 48,60 48,60 48,60 48,60 48,60 48,60

6691,48 5894,05 7634,63 7978,56 7221,45 6409,55 6878,21 7201,66 6711,74 7243,44 5679,69 6390,27

0,786 0,786 0,776 0,770 0,769 0,769 0,765 0,762 0,767 0,769 0,782 0,784

ENERGIA TOTAL GENERADA (KWh/año)

81 934,74

Tabla-3.2: Valores de irradiación medidos sobre la superficie horizontal, Gdm(0).

Se consideran además, los siguientes parámetros técnicos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Potencia máxima fotovoltaica Coeficiente de disminución de P vs T del módulo NOCT del módulo fotovoltaico Eficiencia del inversor inyección a red FV Eficiencia general del sistema Angulo de inclinación del arreglo (óptimo) Temperatura ambiente promedio Valores de irradiación, promedio diario mensual:

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36 kWp -0.45 %/oC oC 46 98 % 95 % 20 o Según tabla - 3.2 Según tabla - 3.2

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Para los cálculos de la energía generada no se ha considerado:  Sombras parciales o totales sobre la superficie de los módulos en ningún momento del día.  Perdidas de energía por disponibilidad de la red eléctrica. A partir de los valores de irradiación solar y temperatura ambiente, para cada mes del año, de la tabla-3.2 podemos calcular la energía generada por la central para cada mes (kWh/mes). Si sumamos estos valores, tendríamos entonces la energía esperada por la instalación para todo el año (kWh/año).

Figura-6: Generación esperada del sistema Parámetro Sistema Fotovoltaico propuesto Energía Generada Anualmente Área que ocupa los paneles CO2 QUE SE DEJA DE EMITIR PETROLEO QUE DESPLAZA

Variante 48,60 81,94 429,00 57,36 20,48

Unidades kWp MWh/año m2 ton/año ton/año

La energía que una central fotovoltaica puede inyectar, depende de la potencia fotovoltaica de la central, las características de la irradiación solar en el sitio y de las pérdidas de todo el sistema (temperatura, caídas de tensiones, inversores, trasformadores, etc.). Para un sistema de inyección a red, resulta impórtate conocer la relación: kWh/kWp, este término nos dirá cuanta energía eléctrica se puede entregar a la red el sistema de inyección, por cada kWp instalado. Para calcular esta relación basta con dividir la energía generada por nuestra central en el año entre los kWp de la central, apoyándonos en la tabla-3.2, resulta que nuestra central puede generar 1686 kWh al año por cada kWp instalado. En la práctica es de esperar que los valores, para esta relación, sean inferiores a los calculados de forma teórica, ya que, el sistema instalado necesita presencia permanente de la red para entregar la energía generada. Factores que pudieran disminuir la generación del sistema: 1. Disponibilidad inferior al 100 % del servicio eléctrico. 2. Interrupciones por mantenimiento o rotura del sistema de inyección a red. 3. Mala calidad del servicio eléctrico.

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IV. SUMINISTROS: ITEM

FABRICANTE

DESCRIPCIÓN

U/M

CANT. Unitaria

1

Módulos Fotovoltaicos 250Wp

U

216

2

Inversor Sunny Tripower STP 17000TL-10

U

3

SUNNYWEBBOX+RS485+GSM+1GB

U

1

SUNNYSENSOR+RS485

U

1

Sensor de Temperatura

U

1

PGD para 6 inversores

U

1

SP-DC

U

3

U

1

U

1

U

36

3 4

SMA

5 6 7 8 9

10

Pizarras

Kit de montaje kit de cables y accesorios de montaje Sistema de tierra física Estructuras para 6 módulos con tornillos para Estructuras y sujetar al techo y sujetar los módulos. (la kit de sujeción distancia mínima desde el módulo al suelo debe ser de al menos 10cm)

V. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS PRODUCTOS. Cada uno de los productos elegidos, para la ejecución de los sistemas de inyección a red, ha sido rigurosamente seleccionado con la más probada confiabilidad en condiciones tan adversas como: humedad, temperatura, salinidad, entre otras. Durante el diseño de la instalación descrita en este documento, se respetó cada una de las especificaciones técnicas de los equipos seleccionados. Forma parte de este trabajo todas las fichas y manuales del equipamiento elegido, los cuales deben ser consultados a la hora de instalar o modificar los sistemas. A continuación se muestran algunas de las características principales del equipamiento propuesto.

Módulo solar CCE. 250Wp

Está compuesto por la conexión de 60 celdas de silicio poli-cristalino de 156x156 mm. Capaz de entregar una potencia de 250 W, bajo condiciones estándar de radiación (STC: 1000 W/m2, TC=25 oC y AM=1.5), este módulo en su punto de máxima potencia genera 29.5 VDC. Es el responsable de trasformar la luz solar ECOSOL ENERGIA, COPEXTEL S.A.

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en electricidad. Entre las principales características del módulo solar propuesto se encuentran las siguientes:          

Módulos de Silicio poly-cristalino con potencia de 250Wp ± 5 %. 60 celdas de 156x156 mm conectadas en serie. Cara frontal protegida con vidrio templado de alta transmisividad Laminado con dos capas de EVA (Etilen-Vinil Acetato). Cara posterior protegida con varias capas. Cajas de conexión exterior IP 65 con diodo bypass. Toma exterior de tierra. Marco de aluminio anodizado. Dimensiones: 1650x990x50 mm. Peso: 19.8 kg.

Inversor de inyección a RED fotovoltaico. SUNNY TRIPOWER 17000TL. Son los encargados de inyectar a la red la energía generada por el arreglo fotovoltaico, entre sus principales características se encuentran las siguientes:                  

Potencia máxima DC: Corriente máxima de entrada DC: Tensión máxima DC: Rango de tensión de entrada del MPPT: Potencia nominal de AC: Potencia máxima de AC: Tensión nominal de AC: Frecuencia nominal de AC: Factor de potencia: Rendimiento máximo: Montaje: Dimisiones: Peso: Vigilancia de aislamiento Protección contra inversión de polaridad. Seccionador de potencia de DC integrado (ESS) Monitorización de la toma de tierra Monitorización de la red.

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17410 W A: 33A, B: 11A 1000 V 400-800 VDC 17000 W 17000 W 230-400 V (160-280 V) 50/60 Hz, ± 5 1 98,1 % en intemperie (electr. IP65) 665x690x265 mm 65 kg

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Equipo de comunicación Datalogger. Sunny WebBox. Es el encargado de recoger continuamente los datos de los inversores, permitiéndole informarse del estado de la instalación. Este datalogger multifuncional le ofrece diversas posibilidades para la visualización de parámetros, archivo y procesamiento de los datos de su instalación. Entre sus principales características se encuentran las siguientes:         

Comunicación RS 485, hasta 50 inversores, 1200 mts de cable. Conexión de Ethernet Conexión a una Red Local Tarjeta de memoria a partir de 16 MB Indicadores del estado mediante LEDs Tensión de alimentación: 115 -230 Vac 50/60 Hz. Consumo de potencia típico 4 W, máximo 12 W Dimensiones: 225x130x57 mm Peso: 750 g

Sensor de radiación y temperatura. Sunny SensorBox. Es el encargado de medir la irradiación solar. Se monta en intemperie junto al generador solar. La medición de la temperatura del módulo se realiza mediante un sensor de temperatura, también incluido en la entrega. A través de la medición de la irradiación solar y la temperatura del módulo se puede calcular la potencia teórica y comparar con la potencia real del inversor. De esta forma se puede detectar fácilmente los fallos del generador. Este sensor se conecta junto con los inversores al Web Box a través de la línea de datos RS 485. Desde el Web Box los datos pueden ser trasferidos a una PC para su análisis. Entre sus principales características se encuentran las siguientes:     

Comunicación RS 485, hacia el Web Box. Sensor interno de radiación solar ASI, exactitud +/- 8% Sensor de temperatura (Pt 1000) adherible para temperatura del módulo. Dimensiones: 120x90x50 mm Peso 500 g

Cables y conectores MC para sistema fotovoltaico (DC). Los cables y conectores son elementos indispensables para el trasporte de la energía eléctrica, en el caso de los conectores de DC para los módulos fotovoltaicos, estos deben cumplir requerimientos adiciones. Basta solo mencionar que los módulos se encuentran en intemperie, en sitio privilegiados por la radiación solar, por lo que los accesorios para el trasporte de energía deben ser aptos para estas condiciones. Entre sus principales características se encuentran las siguientes:

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       

CABLES FLEX-SOL Cables clase-5, estañados. Doble aislamiento, con material aislante TPE-U. Libres de alógeno. Alta resistencia a agentes derivados del petróleo, grasas, oxigeno y ozono. Resistente a microbios. Resistente al UV. Alta resistencia a la abrasión y erosión. Rango de temperatura de trabajo: -40 oC hasta +110 oC.

      

CONECTORES MC-4 Sistema de cierre incorporado. Se necesita liberar el sistema para desconectar. Protección eléctrica de los contactos ante el manejo. Alta estabilidad térmica. Resistente al UV, con IP-67 Categoría II, de aislamiento. Normativas IEC (61215 y 61646) Rango de temperatura de trabajo: -40 oC hasta +90 oC.

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Cables o conductores para AC. Como planteamos anteriormente los cables son elementos indispensables para el transporte de la energía eléctrica, para el caso de AC hemos elegidos conductores que presentan las siguientes características:      

CABLES RV-K Puedes ser enterrado, instalado en tuberías o a la intemperie. Resistente a agentes minerales y hidrocarburos. Resistente al agua, incluye total inmersión. No propaga las llamas. Resistente a los impactos, AG-2. Rango de temperatura de trabajo: hasta +90 oC. Revisado por: _______________________________________ MSc. Rafael Parúas Cuza Elaborado por:

Ing. Ángel Herrera Ceballos Especialista.

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Ing. Erick Ramos Pileta Especialista

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