UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED SOBRE SUELO EN CANDELEDA (ÁVILA) DE 1 MW

AUTOR:

Rafael Sánchez Fernández MADRID, junio de 2010

Instalación Fotovoltaica conectada a red sobre suelo en Candeleda (Ávila) de 1 MW Resumen

INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED SOBRE SUELO EN CANDELEDA (ÁVILA) DE 1 MW

Autor: Sánchez Fernández, Rafael Director: Patricia Gutiérrez-Dosal Entidad Colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia de Comillas

RESUMEN DEL PROYECTO En el momento en el que nos encontramos, cuando las energías fósiles están escaseando, el sol se presenta como un recurso que no debe ser desaprovechado. El sol es un recurso que la naturaleza nos proporciona de manera gratuita. Para la producción de energía mediante la tecnología solar fotovoltaica, el combustible utilizado es el sol. Además hay que añadir a esto que es totalmente gratuito. A su vez, la tecnología solar es limpia. No produce contaminación alguna y por lo tanto no provoca el calentamiento global. España presenta una gran dependencia en materia energética. No se produce la cantidad de energía que se consume por lo que se necesita comprar energía a otros países. Esto provoca que estemos a expensas de otros países y que seamos vulnerables por el precio. La instalaciones de energía solar reducirían esta dependencia pudiendo incluso exportar energía. Debido a la entrada en vigor del RD 1578/2008 que sustituye al RD 661/2007, se han producido una serie de modificaciones pudiendo resaltar como más significativas la clasificación de las instalaciones en dos tipos, la creación de cupos de potencia anuales con cuatro convocatorias anuales y la implantación de una nueva tarifa a aplicar en instalaciones posteriores a la fecha límite establecida en el RD 661/2007. En la actualidad el sector fotovoltaico está recuperándose de una gran expansión que se produjo unos cuantos años atrás. Tras el boom que se produjo el sector se encuentra en una etapa de recesión. Entre otras cosas el precio de la prima se está reduciendo gradualmente

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hasta conseguir el ajuste necesario para que el sector pueda crecer de manera uniforme y sostenida sin que la energía solar fotovoltaica se utilice como medio de especulación. Con este proyecto se pretende fomentar la instalación de campos fotovoltaicos a pesar de la situación existente. El presente proyecto se basa en una instalación solar fotovoltaica a implantar en Candeleda, provincia de Ávila. Debido a la proximidad con la provincia de Cáceres, el emplazamiento nos proporciona una cantidad de radiación solar bastante elevada, llegando a alcanzar 28,1 MJ en el mes de Julio, lo cual favorece la elevada producción de energía eléctrica. La instalación es de 1 MW nominal y producirá una energía anual estimada en 1.445.357 KW.h. La instalación se va a proyectar para 25 años. Cabe destacar que el rendimiento global de la instalación va a ir reduciéndose en un 1% anual lo que provoca que en el año 25 se obtenga una energía de 1.098.471 KWh. Para obtener dicha energía, se necesita una tecnología adecuada. Esta consta de un tres elementos básicos. El módulo fotovoltaico, el inversor y el centro de transformación. La base teórica es sencilla: Un fotón que proviene del sol impacta con el módulo fotovoltaico. Éste es absorbido por el material semiconductor provocando que se liberen electrones de dicho material. Estos electrones al circular provocan una diferencia de potencial y por lo tanto una corriente, en este caso corriente continua. La corriente circula en primera instancia por la célula fotovoltaica para posteriormente circular por el módulo y finalmente por las ramas antes de entrar al inversor. El inversor tiene la tarea de transformar la corriente continua a alterna para poder ser transportada y finalmente consumida. A la salida del inversor, la corriente entra en el centro de transformación para elevar su tensión y poder realizar la tarea de transporte con menores pérdidas y con un rendimiento más elevado. La instalación consta de 7000 paneles fotovoltaicos. Se van a instalar dos inversores de 500KW cada uno para cubrir la totalidad de la potencia. Los paneles se van a organizar en 175 de ramas de 20 módulos que entran a cada inversor. Debido a la incertidumbre en el precio de venta, se ha planteado el escenario más desfavorable estimando un precio de venta de 29 c€/kW.h. Este valor se verá modificado de manera anual por el IPC estimado en un 2%. Teniendo en cuenta todas estas variables, se

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prevé unos ingresos anuales en torno a 420.000 € obteniendo unos ingresos al cabo de 25 años estimados en 11.676.855 €. El presupuesto total de la instalación se sitúa en 4.721.161 €. Para financiar la instalación se utiliza el modelo francés. Se va a financiar el 90% del presupuesto a 10 años con un interés del 7% y una cuota anual establecida en 604.968 €. La viabilidad económica se justifica con una tasa de rentabilidad interna de 9,54%.

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1 MW SOLAR PHOTOVOLTAIC PLANT IMPLEMENTATION NET CONNECTED, PLACED IN CANDELEDA (ÁVILA)

Author: Sánchez Fernández, Rafael Director: Gutiérrez-Dosal Bermejo, Patricia Colaborating organization: ICAI-Universidad Pontificia de Comillas

PROJECT SUMMARY

Nowadays, when fossil plan fuels are becoming scarce, the sun is presented as a resource that should not be ignored. The sun is a resource that nature provides for free. For the production of energy through solar photovoltaic technology, the fuel used is the sun. In addition we must add to this that is completely free. At the same time, solar technology is clean. It does not produce any pollution and therefore does not cause global warming. Spain has high energy dependence. The amount of energy that is consumed in Spain is higher than the amount of energy produced; therefore we need to buy energy from other countries. This causes us to be at the expense of other countries and that we are vulnerable because of price. The solar energy facilities would reduce this dependence and can provide us the possibility to export energy. Due to the entry of the new RD 1578/2008 RD 661/2007, there have been a number of changes, perhaps the more significant highlight can be the classification of plants into two types, the establishment of annual quotas of power with four calls per year and the introduction of a new tariff to be applied in installations after the deadline established in the RD 661/2007. At present times, the photovoltaic industry is recovering from a major expansion that took place a few years ago. After the boom the sector is in a period of recession. Among other

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things, the price of the premium is being reduced gradually to achieve the adjustment necessary to enable the sector to grow in a uniform and sustained way. This project aims to encourage the installation of photovoltaic fields despite the situation. This project is based on a solar photovoltaic implementation in Candeleda. Due to the proximity to the province of Caceres, the site provides a very high solar radiation, reaching 28.1 MJ in the month of July, which favors the high production of electricity. The facility is a nominal 1 MW installation and annual energy yield estimated 1,445,357 kWh. The installation was filmed for 25 years. Notably, the overall performance of the facility will be phased out by 1% per annum. By the 25th year the amount of power obtained would be of 1,098,471 KWh. For the production of this energy, an appropriate technology is needed. This consists of three basic elements. The photovoltaic module, inverter and transformer station. The theoretical basis is simple: A photon from the sun hits the photovoltaic module. This photon is absorbed by the semiconductor material causing it to release electrons of the material. This electron due to its movement causes a potential difference and therefore a current, in this case direct current. Current flows at first instance through the photovoltaic cell to subsequently pass through the module and finally through the branches before entering the inverter. The inverter has the task of transforming direct current to alternating current to be transported to and ultimately consumed. At the inverter output, the current enters the transformer station to increase the voltage to perform the transport task with less losses and a higher return. The installation consists of 7,000 photovoltaic panels. There would be installed two 500kW inverters each to cover the entire power. The panels will be organized in 175 branches of 20 modules each that fit each investor. Due to uncertainty in the sales price, the most unfavorable scenario has been considered placing a sale price of 29 c€ / kW.h. This value will be changed on an annual basis by the CPI estimated at 2%. Given all these variables, provides an annual income around € 420,000 earning an income within 25 years estimated at € 11,676,855.

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The total budget for the installation is estimated in € 4,721,161. To finance the installation the French model would be used. The project is planned to finance 90% of the budget to 10 years with interest at 7% and an annual fee set to € 604,968. Economic viability is justified by an internal rate of return of 9.54%.

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Índice General Documento 1. Memoria 1.

OBJETO

2.

ESTUDIO ENERGÉTICO 2.1 LA ENERGÍA SOLAR 2.2 LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 2.3 PRODUCCIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA

3.

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL

4. LOCALIZACIÓN 5. DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES 5.1.MÓDULOS FOTOVOLTAICOS 5.2.INVERSOR 5.3.CENTRO DE TRANSFORMACIÓN 6. ESTUDIO ENERGÉTICO 6.1.RATIOS DE FUNCIONAMIENTO 6.2.PRODUCCIÓN ENERGÉTICA 7. CÁLCULOS ELÉCTRICOS 7.1.DIMENSIONADO DE LA INSTALACIÓN 7.2.CABLEADO ELÉCTRICO 7.3.ELECCIÓN DE CONDUCTORES 7.4.APARAMENTA ELÉCTRICA 7.5.DISPOSICIÓN DE MÓDULOS 8. ESTUDIO DE RENTABILIDAD 8.1.PRESUPUESTO DE LA INSTALACIÓN 8.2.INGRESOS POR VENTA DE ELECTRICIDAD 8.3.FINANCIACIÓN 8.4.CUENTA DE RESULTADOS 9. LISTADO DE MATERIALES 9.1.MÓDULO FOTOVOLTAICO 9.2.INVERSOR 9.3.CENTRO DE TRANSFORMACIÓN 10. ESTUDIO BÁSICO DE SEGURIDAD Y SALUD

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Documento 2. Planos 1. PLANO DE LOCALIZACIÓN 2. PLANO DE SITUACIÓN 3.DETALLE DE LA ESTRUCTURA 4.DIAGRAMA UNIFILAR 5. CONEXIÓN DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 6. CENTRO DE TRANSFORMACIÓN

Documento 3. Pliego de Condiciones 1. OBJETO 2. GENERALIDADES 3. DEFINICIONES 3.1 RADIACIÓN SOLAR 3.2 INSTALACIÓN 3.3 MÓDULO 3.4 INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA 4. DISEÑO 4.1 DISEÑO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO 4.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN 4.3 INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA 5. COMPONENTES Y MATERIALES 5.1 GENERALIDADES 5.2 SISTEMAS GENERADORES FOTOVOLTAICOS 5.3 ESTRUCTURA SOPORTE 5.4 INVERSORES 5.5 CABLEADO 5.6 CONEXIÓN A RED 5.7 MEDIDAS 5.8 PROTECCIONES 5.9 PUESTA A TIERRA DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS 5.10 ARMÓNICOS Y COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA 6. RECEPCIÓN Y PRUEBAS 6.2. GENERALIDADES 6.3. PROGRAMA DE MANTENIMIENTO 6.4. GARANTÍAS

Documento 4. Presupuesto 1. CAMPO FOTOVOLTAICO 2. INSTALACIÓN ELÉCTRICA

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3. SEGURIDAD E ILUMINACIÓN 4. INGENIERÍA Y DIRECCIÓN DE OBRA 5. PRESUPUESTO GENERAL

Memoria

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Índice

1.

OBJETO………………………………………………………………………….2

2.

ESTUDIO ENERGÉTICO……………………………………………………....2 2.1 LA ENERGÍA SOLAR ................................................................................... 2 2.2 LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA………………………………… …….5 2.3 PRODUCCIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA………………………………………7

3.

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL……………………………………………. 9

4.

LOCALIZACIÓN………………………………………………………………10

5. DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES……………………………………………….13 5.1.MÓDULOS FOTOVOLTAICOS……………………………………………...13 5.2.INVERSOR………………………………………………………………..23 5.3.CENTRO DE TRANSFORMACIÓN…………………………………………..24 6. ESTUDIO ENERGÉTICO……………………………………………………………26 6.1.RATIOS DE FUNCIONAMIENTO……………………………………………26 6.2.PRODUCCIÓN ENERGÉTICA…………………………………………….…30 7. CÁLCULOS ELÉCTRICOS………………………………………………………….31 7.1.DIMENSIONADO DE LA INSTALACIÓN…………………………………….31 7.2.CABLEADO ELÉCTRICO…………………………………………………..33 7.3.ELECCIÓN DE CONDUCTORES…………………………………………….40 7.4.APARAMENTA ELÉCTRICA…………………………………………….….41 7.5.DISPOSICIÓN DE MÓDULOS ……………………………………………...48 8. ESTUDIO DE RENTABILIDAD……………………………………………………...50 8.1.PRESUPUESTO DE LA INSTALACIÓN………………………………………50 8.2.INGRESOS POR VENTA DE ELECTRICIDAD………………………………...52 8.3.FINANCIACIÓN…………………………………………………………...54 8.4.CUENTA DE RESULTADOS………………………………………………...55 9. LISTADO DE MATERIALES………………………………………………………..58 9.1.MÓDULO FOTOVOLTAICO………………………………………………...58 9.2.INVERSOR………………………………………………………………..61 9.3.CENTRO DE TRANSFORMACIÓN…………………………………………..63 10. ESTUDIO BÁSICO DE SEGURIDAD Y SALUD……………………………………....65

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1. Objeto En el momento en el que nos encontramos, cuando las energías fósiles están escaseando, el sol se presenta como un recurso que no debe ser desaprovechado. El sol es un recurso que la naturaleza nos proporciona de manera gratuita. Para la producción de energía mediante la tecnología solar fotovoltaica, el combustible utilizado es el sol. Además hay que añadir a esto que es totalmente gratuito. A su vez, la tecnología solar es limpia. No produce contaminación alguna y por lo tanto no provoca el calentamiento global. España presenta una gran dependencia en materia energética. No se produce la cantidad de energía que se consume por lo que se necesita comprar energía a otros países. Esto provoca que estemos a expensas de otros países y que seamos vulnerables por el precio. La instalaciones de energía solar reducirían esta dependencia pudiendo incluso exportar energía. En este proyecto se estudia el diseño de una instalación solar fotovoltaica de 1MW. El emplazamiento seleccionado es Candeleda (Ávila). Este lugar proporciona un elevado valor de energía irradiada al año lo cual lo hace muy adecuado. La energía producida se va a volcar a la red de media tensión que la compañía nos facilita.

2. Estudio energético 2.1. La energía solar El Sol produce una enorme cantidad de energía: aproximadamente 1,1 x 1020 KW hora cada segundo. La atmósfera exterior intercepta aproximadamente la mitad de una billonésima parte de la energía generada por el sol, o aproximadamente 1.5 trillones (1.500.000.000.000.000.000) de KW hora al año. Sin embargo, debido a la reflexión, dispersión y absorción producida por los gases de la atmósfera, sólo un 47% de esta energía, o aproximadamente 0.7 trillones (700.000.000.000.000.000) de KW hora alcanzan la superficie de la tierra.

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Esta energía es la que pone en marcha la "maquinaria" de la Tierra. Calienta la atmósfera, los océanos y los continentes, genera los vientos, mueve el ciclo del agua, hace crecer las plantas, proporciona alimento a los animales, e incluso (en un largo período de tiempo) produce los combustibles fósiles. Nosotros dependemos de la energía de las plantas, el agua, el viento y los combustibles fósiles para hacer funcionar nuestras industrias, calentar y refrigerar nuestras viviendas y para mover nuestros sistemas de transporte.

La cantidad de energía que se consume en el mundo anualmente es aproximadamente 85 billones (85.000.000.000.000) de KW hora. Esto es lo que se puede medir, es decir la energía que se compra, vende o comercializa. No hay forma de saber exactamente qué cantidad de energía no comercial consume cada persona (por ejemplo cuanta madera se quema, o que cantidad de agua se utiliza en pequeños saltos de agua para producir energía eléctrica). Según algunos expertos esta energía no comercial puede constituir como mucho una quinta parte del total de energía consumida. Aunque fuera este el caso, la energía total consumida por el mundo significaría sólo 1/7.000 de la energía solar que incide sobre la superficie de la tierra cada año. La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las demás formas de energía en la Tierra. Recogiendo de forma adecuada la radiación solar, esta puede transformarse en otras formas de energía como energía térmica o energía eléctrica utilizando paneles solares.

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Ilustración 1. Mapa Solar Península Ibérica

Mediante colectores solares, la energía solar puede transformarse en energía térmica, y utilizando paneles fotovoltaicos la energía luminosa puede transformarse en energía eléctrica. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí en cuanto a su tecnología. Así mismo, en las centrales térmicas solares se utiliza la energía térmica de los colectores solares para generar electricidad.

Se distinguen dos componentes en la radiación solar: la radiación directa y la radiación difusa. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes, y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas direcciones. Sin embargo, tanto la radiación directa como la radiación difusa son aprovechables.

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Se puede diferenciar entre receptores activos y pasivos en que los primeros utilizan mecanismos para orientar el sistema receptor hacia el Sol -llamados seguidores- y captar mejor la radiación directa.

Una importante ventaja de la energía solar es que permite la generación de energía en el mismo lugar de consumo mediante la integración arquitectónica. Así, podemos dar lugar a sistemas de generación distribuida en los que se eliminen casi por completo las pérdidas relacionadas con el transporte -que en la actualidad suponen aproximadamente el 40% del total- y la dependencia energética.

Las diferentes tecnologías fotovoltaicas se adaptan para sacar el máximo rendimiento posible de la energía que recibimos del sol. De esta forma por ejemplo los sistemas de concentración solar fotovoltaica utiliza la radiación directa con receptores activos para maximizar la producción de energía y conseguir así un coste menor por kW/h producido. Esta tecnología resulta muy eficiente para lugares de alta radiación solar, pero actualmente no puede competir en precio en localizaciones de baja radiación solar como Centro Europa, donde tecnologías como la Capa Fina están consiguiendo reducir también el precio de la tecnología fotovoltaica tradicional. 2.2.La energía solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica es energía eléctrica obtenida directamente de los rayos del sol gracias al efecto fotoeléctrico de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamada capa fina.

Se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas y para producir electricidad para redes de distribución.

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Los módulos o paneles fotovoltaicos están formados por un cristal o lámina transparente superior y un cerramiento inferior entre los que queda encapsulado el sustrato conversor y sus conexiones eléctricas. Para encapsular se suele añadir unas láminas finas y transparentes de EVA que se funden para crear un sellado anti humedad, aislante, transparente y robusto.

La corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparto electrónico llamado inversor e inyectar en la red eléctrica, operación actualmente sujeta a subvenciones en muchos lugares para una mayor viabilidad.

Ilustración 2.Esquema de funcionamiento

El proceso, simplificado, sería el siguiente: Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente continua. Se transforma con un inversor en corriente alterna. Mediante un centro de transformación se eleva a Media tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las redes de transporte de la compañía.

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En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como estaciones meteorológicas o repetidores de comunicaciones, se emplean las placas fotovoltaicas como alternativa económicamente viable. Para comprender la importancia de esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta parte de la población mundial no tiene acceso a la energía eléctrica. 2.3.Producción solar fotovoltaica España es en la actualidad uno de los primeros productores mundiales de energía fotovoltaica con una potencia instalada estimada de 3.200 MW, por detrás de Alemania que cuenta con unos 3.850 MW. Tan solo en 2008 la potencia instalada en España ha sido de unos 2.500 MW, debido al anuncio de cambio de regulación a la baja de las primas a la generación que finalmente se produjo en septiembre.

Gráfico 1.Producción Solar en Europa

Alemania es en la actualidad el segundo fabricante mundial de paneles solares fotovoltaicos tras Japón, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de paneles solares, aunque sólo representan el 0,03% de su producción energética total. La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la década de los noventa. En la UE el crecimiento medio anual es del 30%.

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El incremento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado por la falta de materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al estar copadas las fuentes actuales, aunque a partir de la segunda mitad de 2008 el precio del silicio de grado solar ha comenzado a disminuir al aumentar su oferta debido a la entrada en escena de nuevos productores. Prueba de ello son los diversos planes se han establecido para nuevas factorías de este material en todo el mundo, incluyendo dos proyectos en España con la colaboración de los principales actores del mercado. La inyección en red de la energía solar fotovoltaica, estaba regulada por el Gobierno Español mediante el RD 661/2007 con el 575 % del valor del kilovatio-hora normal, lo que se correspondía con unos 0,44 euros por cada kWh que se inyectaba en red. A partir del 30 de septiembre de 2008 esta actividad está regulada mediante el RD 1578/2008 de retribución fotovoltaica que establece unas primas variables en función de la ubicación de la instalación, estando sujetas además a un cupo máximo de potencia anual instalada a partir de 2009 que se adaptará año a año en función del comportamiento del mercado.

Gráfico 2.Potencia fotovoltaica anual instalada en España

Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de permisos de la administración y la autorización de la compañía eléctrica distribuidora de la zona. Esta tiene la obligación de dar punto de enganche o conexión a la red eléctrica, pero en la práctica el papeleo y la reticencia de las eléctricas están frenando el impulso de las energías renovables. Las eléctricas buscan motivos técnicos como la saturación

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de la red para controlar sus intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de bloquear la iniciativa de los pequeños productores de energía solar fotovoltaica.

Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión Europea para impulsar las energías limpias y la realidad de una escasa liberalización en España del sector energético que impide el despegue y la libre competitividad de las energías renovables.

3. Impacto medioambiental Probablemente la característica más resaltable de la energía solar es que es limpia. En su producción o explotación no contamina el medioambiente de ninguna manera. En cuanto a los factores ambientales, se puede afirmar que la energía solar apenas afecta a ninguno. No obstante, a continuación se detallan los efectos en los principales factores ambientales:
Clima No sufre ninguna alteración.
Paisaje Se trata del factor con más peso en el impacto medioambiental. Aun así, este impacto es mínimo ya que la instalación se encuentra en una zona rural, alejada del núcleo urbano.
Ruidos La instalación fotovoltaica es totalmente silenciosa. Los inversores aunque trabajen a alta frecuencia, el ruido es imperceptible para el oído humano.
Flora y fauna

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La repercusión sobre la vegetación es nula, y, al eliminarse los tendidos eléctricos, se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves. Como conclusión, podemos afirmar que la implantación de una instalación solar fotovoltaica ayuda directamente a la reducción de los gases perjudiciales para las personas y el medio ambiente. A la vez mediante el uso de una tecnología de energía limpia se consigue reducir el calentamiento global.

4. Localización La parcela donde se va a realizar la instalación se encuentra en el término municipal de Candeleda (Ávila). Las coordenadas del emplazamiento son: 40º07’47.05” Norte 5º13’49.31” Oeste, con una elevación de 335m sobre el nivel del mar. El emplazamiento está situado a unos 100m de la carretera secundaria AV-910.

Ilustración 3. Mapa de Localización

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Esta parcela proporciona a la instalación una elevada intensidad de energía solar que incide sobre un m2 de parcela anualmente, llegando a alcanzarse valores de 28,1 MJ en el mes de Julio. Como muestra la imagen anterior, el emplazamiento se encuentra en la zona IV donde la energía solar incidente comparado con el resto de la península es muy elevada.

Ilustración 4.Intensidad de radiación en España

La parcela al mismo tiempo dispone de una buena comunicación. Como se ha mencionado anteriormente se encuentra a unos 100m de la carretera secundaria AV910. Desde esa carretera se realiza el acceso a la finca por un camino acondicionado. Esto nos proporciona una facilidad añadida a la hora de realizar la construcción, el transporte de los materiales y la realización de labores de mantenimiento.

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Ilustración 5.Fotografía de la Sierra de Gredos

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Al mismo tiempo, la linea de media de tensión para realizar el volcado de la energia se encuentra a la altura de la carretera AV-910. Esto reduce tanto las pérdidas en media tensión como la inversión a realizar para conectar la instalación con la linea.

Ilustración 6. Red de Media Tensión

5. Descripción de los materiales 5.1.Módulos fotovoltaicos A. Historia El término fotovoltaico proviene del griego φώς:phos, que significa “luz” y voltaico, que proviene del campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el término voltio a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en Inglaterra desde el año 1849.

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El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Becquerel, pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%. Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946, aunque Sven Ason Berglund había patentado, con anterioridad, un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles. La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios Bell, descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a la luz. Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera célula solar comercial con una conversión de la energía solar de, aproximadamente, el 6%. La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y los EEUU un año después. En el diseño de éste se usaron células solares creadas por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics. La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite norteamericano Vanguard 1, lanzado en marzo de 1958. Este hito generó un gran interés en la producción y lanzamiento de satélites geoestacionarios para el desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles solares.

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En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio (GaAs) y altamente eficiente se desarrolló en la extinta URSS por Zhore Alferov y su equipo de investigación. La producción de equipos de deposición química de metales por vapores orgánicos o MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), no se desarrolló hasta los años 80 del siglo pasado, limitando la capacidad de las compañías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio. La primera compañía que manufacturó paneles solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una eficiencia de AM0 (Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar Energy Corporation). La conexión dual de la celda se produjo en cantidades industriales por ASEC en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs sobre los sustratos de GaAs a GaAs sobre sustratos de germanio. El dopaje accidental de germanio (Ge) con GaAs como capa amortiguadora creó circuitos de voltaje abiertos, demostrando el potencial del uso de los sustratos de germanio como otras celdas. Una celda de uniones simples de GaAs llegó al 19% de eficiencia AM0 en 1993. ASEC desarrolló la primera celda de doble unión para las naves espaciales usadas en los EEUU, con una eficiencia de un 20% aproximadamente. Estas celdas no usan el germanio como segunda celda, pero usan una celda basada en GaAs con diferentes tipos de dopaje. De manera excepcional, las células de doble unión de GaAs pueden llegar a producir eficiencias AM0 del orden del 22%. Las uniones triples comienzan con eficiencias del orden del 24% en el 2000, 26% en el 2002, 28% en el 2005, y han llegado, de manera corriente al 30% en el 2007. En 2007, dos compañías norteamericanas Emcore Photovoltaics

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y Spectrolab, producen el 95% de las células solares del 28% de eficiencia.

B. Materiales Los módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:


radiación de 1000 W/m²
temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente). Las placas fotovoltaicas se dividen en: 1. Cristalinas i. Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se observa, se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular recortada).

Ilustración 7.Módulo Monocristalino

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ii. Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

Ilustración 8.Módulo Policristalino

2. Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

Ilustración 9.Módulo Amorfo

Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20%

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mientras que el de las últimas puede no llegar al 10%, sin embargo su coste y peso es muy inferior. C. Estructura La agrupación de las células formando un circuito es lo que se conoce como módulo o panel fotovoltaico.

Ilustración 10.Panel fotovoltaico

El circuito que se encuentra en el módulo fotovoltaico se puede asemejar al siguiente:

Ilustración 11.Circuito fotovoltaico

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D. Principio de funcionamiento En primer lugar, algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio. A continuación, Los electrones, son golpeados por los fotones liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados. Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar. Se ha de comentar que, así como el flujo de electrones corresponde a cargas reales, es decir, cargas que están asociadas a desplazamiento real de masa, los huecos, en realidad, son cargas que se pueden considerar virtuales puesto que no implican desplazamiento de masa real. Un conjunto de paneles solares transforman la energía solar (energía en forma de radiación y que depende de la frecuencia de los fotones) en una determinada cantidad de corriente continua, que corresponde a un tipo de corriente eléctrica que se describe como un movimiento de cargas en una dirección y un sólo sentido, a través de un circuito. Los electrones se mueven de los potenciales más bajos a los más altos. Cuando un fotón llega a una pieza de silicio, pueden ocurrir tres acontecimientos:

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1. El fotón puede pasar a través del material de silicio sin producir ningún efecto, esto ocurre, generalmente para fotones de baja energía. 2. Los fotones pueden ser reflejados al llegar a la superficie del panel, y son expulsados de este. 3. El fotón es absorbido por el silicio, en cuyo caso puede ocurrir:
Generar calor
Producir pares de electrones-huecos, si la energía del fotón incidente es más alta que la mínima necesaria para que los electrones liberados lleguen a la banda conducción. Nótese que si un fotón tiene un número entero de veces el salto de energía para que el electrón llegue a la banda de conducción, podría crear más de un único par electrón-hueco. No obstante, este efecto no es significativo, de manera usual, en las células solares. Este fenómeno, de múltiplos enteros, es explicable mediante la mecánica cuántica y la cuantización de la energía. Cuando se absorbe un fotón, la energía de este se comunica a un electrón de la red cristalina. Usualmente, este electrón está en la banda de valencia, y está fuertemente vinculado en enlaces covalentes que se forman entre los átomos colindantes. El conjunto total de los enlaces covalentes que forman la red cristalina da lugar a lo que se llama la banda de valencia. Los electrones pertenecientes a esa banda son incapaces de moverse más allá de los confines de la banda, a no ser que se les proporcione energía, y además energía determinada. La energía que el fotón le proporciona es capaz de excitarlo y promocionarlo a la banda de conducción, que está vacía y donde

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puede moverse con relativa libertad, usando esa banda, para desplazarse, a través del interior del semiconductor. El enlace covalente del cual formaba parte el electrón, tiene ahora un electrón menos. Esto se conoce como hueco. La presencia de un enlace covalente perdido permite a los electrones vecinos moverse hacia el interior de ese hueco, que producirá un nuevo hueco al desplazarse el electrón de al lado, y de esta manera, y por un efecto de traslaciones sucesivas, un hueco puede desplazarse a través de la red cristalina. Así pues, se puede afirmar que los fotones absorbidos por el semiconductor crean pares móviles de electrones-huecos. Un fotón solo necesita tener una energía más alta que la necesaria para llegar a los huecos vacíos de la banda de conducción del silicio, y así poder excitar un electrón de la banda de valencia original a dicha banda. El espectro de frecuencia solar es muy parecido al espectro del cuerpo negro cuando este se calienta a la temperatura de 6000K y, por tanto, gran cantidad de la radiación que llega a la Tierra está compuesta por fotones con energías más altas que la necesaria para llegar a los huecos de la banda de conducción. Ese excedente de energía que muestran los fotones, y mucho mayor de la necesaria para la promoción de electrones a la banda de conducción, será absorbida por la célula solar y se manifestará en un apreciable calor en lugar de energía eléctrica utilizable. E. Gráficas de rendimiento El fabricante de los módulos nos proporciona una serie de gráficas relacionadas con el panel. Estas gráficas relacionan la tensión

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con la corriente del módulo y a la vez, como varía esta relación con la temperatura o la irradiación. Ya que la potencia a grosso modo se calcula como el productor de la intensidad por la tensión, de las gráficas podemos identificar el punto de funcionamiento de potencia máxima. Este punto se define como el vértice del rectángulo que forma dicho punto con los ejes que proporciona el área máxima.

Gráfico 3. Tensión frente a Intensidad En esta gráfica se muestra la relación entre tensión e intensidad del módulo fotovoltaico según la intensidad de radiación incidente. Cuanto mayor sea ésta, mayor será la potencia proporcionada.

Gráfico 4. V-I según radiación incidente

Esta gráfica nos muestra como varía la tensión, la intensidad y por tanto la potencia del módulo fotovoltaico según la temperatura del mismo. A mayor temperatura peor rendimiento.

Gráfico 5. V-I según temperatura

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5.2.Inversor La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. El inversor se utiliza para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica. Para esta instalación se ha decidido colocar dos inversores de 500kW cada uno para cubrir la potencia instalada.

Ilustración 12. Inversor

Las características del inversor seleccionado se muestran a continuación:

Características eléctricas Potencia continua de salida CA

500 kW

Tensión nominal CA

400 V

Frecuencia nominal CA

50 Hz

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Máxima corriente CA

920 A

Corriente máxima CC

1120 A

Máximo voltaje circuito abierto

880 V

Rango de seguimiento de potencia Factor de potencia

450 V a 830 V > 0,99

5.3.Centro de Transformación La energía que se produce en el campo fotovoltaico se encuentra a baja tensión (400V). Para poder realizar la distribución de esta energía de manera eficiente es necesario transformarla a media tensión. Cuando se produce esta transformación, a igualdad de potencia, la tensión se incrementa hasta 20 kV y a cambio la intensidad se ve reducida. De estas maneras las pérdidas que se producen en el transporte se reducen significativamente. Para esta instalación se ha seleccionado un centro de transformación de la marca Ormazábal modelo OrmaSET. Este centro se encuentra en alojado en un edificio prefabricado de hormigón. Sus características se detallan a continuación: Tensión Asignada

24 kV

Intensidad asignada en el embarrado

400 A

Potencia

630 kVA

Tensión secundaria en vacio

420 V

Grupo de conexión

Dyn11

Tensión de cortocircuito

4%

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Para favorecer un correcto aislamiento del centro y así poder reducir al máximo las corrientes de contacto se va a construir una acera perimetral en torno al centro. En cuanto a la estructura interior del centro de transformación, ésta está compuesta por celdas. Cada celda tiene una misión específica. Las celdas fundamentales para el funcionamiento del centro de transformación son:


Celda de medida En esta celda se aloja todo lo relacionado con la medida como el contador y el reloj. Estos equipos se encuentran fuera de la celda para que no suponga ningún riesgo para el operario al comprobar las medidas. Para poder llevar a cabo las lecturas, se dispone de tres transformadores de intensidad y tres de tensión.
Celda de transformación Aquí se encuentra alojado el transformador de potencia. Debe de estar correctamente aislado por si ocurriese algún percance.
Celda de protección de transformador La misión de esta celda es la de proteger al transformador. Para llevar a cabo esta tarea, en la celda se encuentran alojados interruptores, fusibles e interruptores automáticos.

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6. Estudio Energético 6.1.Ratios de funcionamiento Existen varios rendimientos que afectan a la producción de energía de la instalación: 1. FS: Factor de rendimiento por sombreado Representa las pérdidas de radiación solar que experimenta una superficie debidas a sombras circunstanciales. Se expresa como un porcentaje de la radiación solar que incide sobre la superficie cuando existe sombra. 2. FPOL: Factor de rendimiento por polución ambiental La suciedad acumulada sobre la cubierta transparente del panel reduce el rendimiento del mismo. Si los residuos proceden de las aves o son industriales el problema puede agravarse. Cuando se trata de polvo en la cubierta, las pérdidas de intensidad luminosa y por lo tanto las pérdidas de energía producida no suelen ser significativas. Según la proximidad de la instalación a zonas urbanas o industriales el factor puede variar de manera característica. 3. FCCC: Factor de rendimiento por pérdidas en conductores de continua Por la configuración de los paneles fotovoltaicos, con el circuito interior de las células, las conexiones muy bien protegidas del ambiente, las pérdidas del rendimiento suelen ser muy bajas. Las pérdidas en diodos, fusibles y conmutadores suelen ser pequeñas y prácticamente despreciables, mientras que la caída de tensión en el cableado puede llegar a ser significativa. Según el Reglamento de Baja Tensión los conductores en CC tendrán que tener la sección suficiente para que la caída de tensión sea inferior al 1,5%

4. FCCA: Factor de rendimiento por pérdidas en conductores de alterna Las pérdidas en alterna son despreciables al igual que las de continua. Las escasas pérdidas están relacionadas con la calidad del montaje y la calidad de los materiales. Es imprescindible utilizar los materiales especificados por los fabricantes.

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Según el Reglamento de Baja Tensión el valor máximo admisible de caída de tensión en la parte de CA es del 2% 5. FINV: Factor de rendimiento del inversor La eficiencia del inversor se mide como la relación entre la potencia que éste entrega y la potencia que llega al inversor. El rendimiento del inversor se ve afectado de manera inversamente proporcional a medida que la temperatura se incrementa. El fabricante del inversor de nuestra instalación nos asegura una eficiencia pico del 98,10%. 6. FD: Factor de rendimiento por dispersión de parámetros en módulos Los paneles fotovoltaicos antes de instalarlos han de ser ensayados en un laboratorio. Para poder medir su respuesta han de ser testeados bajo una serie de condiciones estándar (1000 W/m2 y 25ºC). Modificando la resistencia externa, desde un valor nulo hasta un valor infinito, se pueden medir diversos valores de pares (i, V) denominados puntos de trabajo. Si estos los trazamos en una gráfica obtenemos la curva característica del panel o i-V

Gráfico 6. V-I mostrando líneas de potencia

Cada uno de los puntos de la gráfica representa un punto de funcionamiento del panel. Cada punto corresponde a un valor de i (intensidad) y V (voltaje). La potencia, v·i, se representa por el rectángulo que forma el punto de trabajo con los ejes, por lo tanto el punto de trabajo

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de máxima potencia será el que forme el mayor rectángulo posible. Normalmente no se trabaja en ese punto ya que la resistencia exterior está fijada por el circuito. Por lo tanto, el factor de rendimiento por dispersión de parámetros en módulos, mide las pérdidas en rendimiento de toda la instalación debido a la desviación del punto de máxima potencia de cada panel. 7. Factor de rendimiento por pérdidas por temperatura en los módulos Estas pérdidas se deben a la diferencia de temperatura entre las condiciones estándar (25ºC) y la temperatura a la cual se encuentra el panel. A medida que la temperatura aumenta el rendimiento se ve afectado de manera negativa como muestra la siguiente gráfica.

Gráfico 7. V-I en relación a las líneas de potencia

El factor por pérdidas por temperatura se obtiene a partir del coeficiente de temperatura de potencia del panel, facilitado por el fabricante. Este factor varía a lo largo del año según la temperatura atmosférica de la zona. Con todos los rendimientos definidos podemos calcular el Performance Ratio (PR) y el Performance Ratio Total (PRG).
 =  ×  ×  ×  ×  
 =
 × 
 × 

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Tabla 1.PRG anual

FS

FPOL

FCCC

FCCA

FD

FINV

FT

PRG

Enero

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,93

0,77942277

Febrero

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,93

0,77942277

Marzo

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,92

0,77104188

Abril

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,92

0,77104188

Mayo

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,9

0,7542801

Junio

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,9

0,7542801

Julio

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,89

0,74589921

Agosto

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,88

0,73751832

Septiembre

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,89

0,74589921

Octubre

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,9

0,7542801

Noviembre

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,92

0,77104188

Diciembre

0,97

0,97

0,98

0,97

0,97

0,966

0,92

0,77104188

Anual

0,9700

0,9700

0,9800

0,9700

0,9700

0,9660

0,9083

0,7613

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6.2.Producción Energética Una vez cálculos los ratios de funcionamiento se calcula la producción de energía mensual con la siguiente expresión.  =
×
 × 
×
P : Potencia pico de la instalación
D: número de días del mes
HSP: Horas de sol pico. Este factor plantea que el panel recibe una radiación constante de 1000 W/m2 durante un tiempo igual al HSP. Se calcula con la siguiente expresión: 
= 0,2778 ×  × 
0,2778: Se trata de un factor de conversión de MJ a KWh
K: Factor de corrección por la inclinación de los paneles. Se encuentra tabulado según la inclinación de los paneles según la horizontal y la latitud del emplazamiento.
H: Energía en megajulios que incide sobre un metro cuadro de superficie horizontal en un día medio de cada mes. A continuación se muestra la producción energética media del emplazamiento:

Tabla 2. Energía anual generada

Días Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Anual

31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

H(MJ) K(inclinación) 6,8 10 14,7 19,6 22,1 25,1 28,1 25,4 19,7 12,7 8,9 6,6

1,34 1,26 1,17 1,07 1,01 0,98 1,01 1,09 1,2 1,34 1,43 1,41

PRG 0,779422768 0,779422768 0,771041878 0,771041878 0,754280098 0,754280098 0,745899208 0,737518318 0,745899208 0,754280098 0,771041878 0,771041878 0,761264173

Pot. Instalada(KW) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000

HSP

E(KWh)

1,889 2,778 4,084 5,445 6,139 6,973 7,806 7,056 5,473 3,528 2,472 1,833

61.161,87 76.389,54 114.202,37 134.763,20 144.990,73 154.627,22 182.306,34 175.843,76 146.953,90 110.543,98 81.781,96 61.792,38 1.445.357,24

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7. Cálculos Eléctricos 7.1.Dimensionado de la instalación Partiendo de las características eléctricas de los paneles y los inversores seleccionados calculamos el número de paneles y de inversores necesarios para cubrir nuestra potencia.

1. Especificaciones del módulo fotovoltaico:

•

Wp= 161 W

•

Vmpp= 36 V

•

Impp= 4,46 A

•

Voc= 43,3 V

2. Especificaciones del inversor:

•

Pmax=560 KWp

•

Imax CA=920 A

•

Rango de seguimiento de potencia= 450 V a 830 V

•

Imax CC=1120 A

Necesitamos calcular el número de paneles para cubrir 1MW:

Nº de paneles=

!"#$ %&.( $)*! !"#$ +$#! ( +(

=

,-.... /-/

= 3478,3 ≈ 3500 4567879

Hay dos cosas a destacar:

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1. 3500 son los paneles que han de ir conectados a cada inversor. Por tanto al haber dos inversores cada uno de 500KW, son necesarios 7000 paneles en total para el campo entero.

2. El número de paneles ha sido calculado de forma sobredimensionada. De esta manera aunque la instalación no funcione al 100% se podrá obtener la potencia nominal. Una vez obtenido el número de paneles que han de ir conectados a cada inversor, necesitamos saber la disposición de los mismos. Para ello recurrimos a las especificaciones del inversor que nos detalla y a la vez limita el número de paneles que se pueden disponer en serie. De este modo la tensión de cada rama está dentro del rango de seguimiento del inversor.

Nº mínimo de paneles en serie:

:%$ ( $)*!

Nº máximo de paneles en serie:

:%& ( $)*!

:%++

=

:%++

=

;,.