José Antonio Conejo Badilla

FUNDAMENTOS DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

Guía para el curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica” Escuela de Ingeniería Eléctrica Universidad de Costa Rica

10

MANTENIMIENTO Y DESEMPEÑO OPERATIVO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

10.1

PLANEMIENTO GENERAL DEL MANTENIMIENTO En las instalaciones fotovoltaicas se reconocen fundamentalmente dos partes, la primera

constituida por el conjunto principal de componentes como son los paneles fotovoltaicos, el inversor, el regulador y la batería, equipos que transforman la radiación solar en energía eléctrica. La otra parte está compuesta por la instalación de los equipos de consumo o cargas, la cual por lo general no se diferencia sustancialmente de las instalaciones eléctricas convencionales, con excepción de los valores nominales de voltaje y corriente de operación. En consecuencia, la clasificación de esta última parte es particularmente diferenciable en sistemas fotovoltaicos aislados. Al respecto, el mantenimiento requerido por los equipos de consumo viene especificado particularmente por el fabricante de los mismos, por lo tanto en esta sección se considera exclusivamente el mantenimiento de los componentes que transforman y acondicionan la energía del sistema fotovoltaico. Debido a que no se tienen partes móviles, el mantenimiento de las instalaciones fotovoltaicas no es complicado. Los requerimientos de mantenimiento incluyen la revisión del estado operativo de los equipos, conexiones y cableado, incluyendo aspectos mecánicos, eléctricos y de limpieza. Además, debe considerarse el control de la calibración de los equipos, particularmente el sistema de regulación y control. Las baterías son los elementos de la instalación que requieren mayor atención, debido a la degradación provocada por los procesos químicos internos de carga y descarga. Por otra parte, por el elevado costo de estos equipos es obligatorio atender acciones preventivas de mantenimiento con el propósito de evitar la ocurrencia de fallas que podían provocar la pérdida total del banco de baterías. Los períodos de

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

intervención por mantenimiento están marcados por las baterías, las cuales constituyen el componente que requiere más cuidado. En instalaciones aisladas reviste gran importancia el costo de reparación de averías sobre el desempeño económico de un proyecto, dado que dichas instalaciones frecuentemente se encuentran situadas en lugares muy alejados, y además que cuentas con presupuestos asignados muy limitados. Además, dado que la probabilidad de ocurrencia de fallas o pérdida de confiabilidad operativa de las instalaciones fotovoltaicas está directamente relacionada con la calidad de los equipos, materiales y del proceso de montaje, debe ser una norma fundamental la utilización de componentes de la calidad especificada en el diseño para todos los casos y aplicar estrictamente las normas y controles de montaje. También es muy importante que el usuario tenga suficiente conocimiento de la instalación, de manera que pueda distinguir perfectamente las condiciones normales de funcionamiento y las acciones rutinarias de mantenimiento para asegurar la continuidad de la operación. Así mismo, el usuario debe poder distinguir qué incidencias constituyen averías o fallas que deben ser atendidas por personal calificado. Por último, es indispensable llevar un registro de todas las acciones de mantenimiento realizadas en la instalación. Para el mejor control de las actividades de mantenimiento se debe establecer la taxonomía de los componentes del sistema, que incluya su correcta identificación, las características, especificaciones técnicas y funcionalidades de cada uno, de forma tal que se facilite la planificación y programación de las actividades de mantenimiento, así como el control y el registro histórico de todas las partes mantenidas, que a su vez permita establecer buenas prácticas de atención.

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

10.2

MANTENIMIENTO DEL ARREGLO DE PANELES FOTOVOLTAICO Debido a que no existen partes móviles y que todas las conexiones internas entre celdas

están protegidas contra la intemperie, los paneles fotovoltaicos requieren muy pocas acciones mantenimiento. Las siguientes son las principales tareas que deben realizarse. 10.2.1 Limpieza periódica de los módulos La suciedad acumulada sobre la superficie de vidrio transparente de los módulos fotovoltaicos reduce su rendimiento y puede producir efectos similares a los producidos por el sombreado. La severidad del efecto depende de la opacidad de los residuos depositados. La acumulación de capas de polvo que reducen la intensidad de la radiación solar en forma uniforme no representan un peligro, además que la reducción de potencia no resulta ser significativa. La situación puede convertirse en un problema cuando la suciedad acumulada proviene de desechos industriales y será aún más grave cuando se trata de los desechos de las aves, los cuales deben eliminarse con prontitud. En tal caso es preferible buscar soluciones para evitar que las aves se posen cerca de los paneles. Por lo tanto, el período de limpieza debe fijarse dependiendo de la intensidad del proceso de acumulación de la suciedad. Generalmente la limpieza la realiza el propio usuario, acción que consiste simplemente en el lavado de los paneles con agua y algún detergente no abrasivo, evitando que el agua se acumule sobre el panel. En ningún caso es aceptable utilizar el chorro directo de mangueras a presión. Durante la estación lluviosa el efecto de la lluvia puede reducir la necesidad de la limpieza de los paneles. 10.2.2 Inspección visual de los módulos La inspección visual del panel se hace con el propósito de detectar posibles fallos como fractura del cristal, lo cual se produce normalmente por acciones externas y rara vez por fatiga térmica inducida por errores de montaje. También se deben buscar evidencia de oxidación de los Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

circuitos y soldaduras de las células fotovoltaicas, lo cual se deben normalmente a entrada de humedad en el panel producto de una falla o rompimiento de las capas de encapsulado. 10.2.3 Control de conexiones y cableado de los módulos Esta tarea de mantenimiento debe considerar la comprobación del apriete y estado de los terminales de los cables de conexión entre los módulos, así como la comprobación del sellado de la caja de conexiones o del estado de las cubiertas de protección de los terminales, según el tipo de módulo. Es muy importante cuidar el sellado de la caja de conexiones y en el caso de observarse cualquier tipo de falla, se debe proceder a la sustitución de los elementos afectados y a la limpieza de los terminales. 10.2.4 Inspección termográfica Como una técnica de mantenimiento predictivo, es recomendable realizar periódicamente una inspección con equipos de termografía infrarroja, que permita detectar puntos calientes en los módulos y posibles conexiones flojas en el cableado del sistema y dentro de los tableros. Los resultados de estas inspecciones podrían anticipar la aparición de problemas graves que en caso contrario afectarán la integridad del sistema y su desempeño. 10.3

MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE REGULACION Y CONTROL Como en cualquier equipo electrónico, las averías del sistema de regulación y control son

poco frecuentes y la simplicidad de los equipos reduce significativamente la necesidad de mantenimiento. En la práctica, no se ejecuta un mantenimiento especial y cuando funciona mal su comportamiento suele ser claramente anormal. Por lo tanto, si en una visita rutinaria de mantenimiento se detecte un funcionamiento irregular es preferible realizar su sustitución de manera inmediata. En una inspección visual se puede detectar algún mal funcionamiento o comportamiento anormal del regulador, lo cual se manifiesta por frecuentes actuaciones del

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

equipo, alarmas, etc. En la inspección se debe comprobar también la presencia de posibles puntos de corrosión y el adecuado aprietes de borneras. Normalmente se debe realizar la comprobación del ajuste del regulador en lo que respecta a la función de control de voltaje, determinando que las indicaciones de los instrumentos sean correctas y que el regulador no actúe en forma descontrolada. Cuando el equipo incorpora contadores, el registro de los datos de amperios-hora generados y consumidos en la instalación acumulados entre revisiones, junto con los valores instantáneos de voltaje y corriente, proporcionan criterios que permite efectuar un análisis del comportamiento de la instalación. 10.4

MANTENIMIENTO DE LAS BATERÍAS Debido al modo de trabajo, las baterías son los elementos que requieren mayor atención

de mantenimiento en una instalación fotovoltaica aislada. Una de las principales causas de falla de las baterías es el uso de la instalación por encima de las especificaciones del diseño. Esta situación ocurre con mayor frecuencia en instalaciones pequeñas, provocando descargas profundas y continuadas de la batería, que causan su degradación anticipada. Otra causa de falla es la falta de reposición periódica del electrolito. Si el nivel es bajo y las placas quedan al descubierto, se sulfatan y se destruyen a corto plazo. El fin de la batería llega cuando no hay suficiente pasta de plomo en las placas para reaccionar con el electrolito, o no hay suficiente electrolito para reaccionar con el plomo. 10.4.1 Mantenimiento del nivel del electrolito y limpieza de los terminales La acción de mantenimiento consiste en el control y reposición del electrolito en los elementos de las baterías. La revisión del nivel del electrolito debe realizase a intervalos no superiores a dos meses. Por razones económicas, le corresponderá al usuario hacerse cargo de este mantenimiento tan frecuente.

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

Las tareas a realizar incluyen la comprobación del nivel de todos los elementos del banco de baterías, el relleno en caso necesario, que debe hacerse siempre con agua desmineralizada o destilada y nunca con ácido. Para ambas tareas, el nivel de referencia se establece aproximadamente en un centímetro por encima del borde de las placas en las baterías, o utilizando las marcas de nivel máximo y mínimo, según sea el caso. En todo caso se debe evitar un relleno excesivo que llegue hasta los orificios de ventilación, con el propósito de evitar la pérdida de electrolito al exterior. Otro aspecto importante a considerar en cuanto la construcción de la batería lo permita, es observar si se produce acumulación de residuos en el fondo de la batería que pudieran llegar a provocar cortocircuitos entre las placas, aprovechando también para verificar el estado general de las mismas. Junto con estas verificaciones, se debe inspeccionar el estado de los bornes de la batería, limpiando cualquier depósito de sulfato y protegiendo todas las conexiones. 10.4.2 Medición de la densidad del electrolito Evidentemente, esta medición sólo es posible en aquellas baterías que son del tipo abiertas, las cuales disponen de puntos de acceso al electrolito. Igual que en el caso anterior, estas mediciones se realizan con el nivel correcto del electrolito, utilizándose para dicha medida un densímetro tipo flotador. En todo caso los valores de densidad deben ser similares para todas las celdas de una misma batería y deben estar dentro del rango especificado por el fabricante de la batería. Si se presentan diferencias importantes en algún elemento, esto es un indicador de una posible avería de ese elemento. 10.4.4 Comprobación del voltaje sin carga de los elementos de la batería Esta comprobación consiste en desconectar cada elemento de la batería y medir el voltaje entre los bornes. Todas las medidas se realizarán con el nivel correcto de electrolito, o sea, después de proceder al relleno de la batería en caso necesario. Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

Las mediciones deben ser muy similares para todos los elementos y deben estar dentro del rango especificado por el fabricante. Si se presentan diferencias importantes en algún elemento, esto significa una posible avería del mismo. 10.4.5 Comprobación de la utilización del acumulador Como se ha indicado, las fallas más frecuentes en la batería se deben a un uso excesivo de la instalación, es decir, a la conexión de más cargas de o cargas mayores a las establecidas en el diseño. Por lo tanto, es importante verificar esta situación, lo cual se puede lograr comprobando el estado de carga de la batería y compararlo con el nivel de radiación solar de los días previos. Igualmente utilizando los datos de consumo, cuando hay contadores, y compararlos con el valor previsto en el diseño. Por último, utilizando el número de cortes por baja tensión producidos en el período entre revisiones, si se cuenta con este equipo de registro. Una instalación bien diseñada debe desconectar solo en raras ocasiones por baja tensión, cuando ocurran largas series de días nublados no previstos en el diseño. 10.5

DESEMPEÑO ECONOMICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO Las siguientes son las principales variables asociadas a los proyectos fotovoltaicos que

permiten el análisis de su desempeño económico y su comparación financiera. 10.5.1 Estimación de egresos por inversión y costos operativos El valor de la inversión que representa el egreso inicial del proyecto debe contemplar el monto de todos los componentes que forman parte de la instalación, dentro de los cuales tendrán mayor impacto los paneles fotovoltaicos, el bando de baterías y los inversores, seguido por los equipos de control y la infraestructura de instalación. Respecto al análisis del costo del ciclo de vida del sistema fotovoltaico, dentro de los costos de desarrollo e inversión del proyecto se deberán considerar, además de los costos de adquisición de los equipos, todos los costos de las fases de investigación, factibilidad técnicoIng. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

financiera, diseño y construcción del proyecto. Para completar el análisis se deben estimar los costos operativos, los costos debido al riesgo operativo y los costos por la desincorporación final. Los primeros corresponden a los costos de las actividades rutinarias de operación y mantenimiento, así como a la sustitución de componentes por desgaste. Por otra parte, el riesgo se refiere a los costos de baja confiabilidad, afectados por los costos de mantenimiento correctivo, las pérdidas de producción por fallas y el impacto de estas acciones en la seguridad y el medio ambiente. Los costos de retiro deben incluir tanto los trabajos propios de retiro de los equipos como los costos asociados a la recuperación del sitio a su estado original. 10.5.2 Estimación de ingresos anuales Partiendo de la potencia instalada en el proyecto y de las horas de sol pico del sitio de instalación, se calcula la producción anual en kWh y de este dato se estiman los ingresos anuales por concepto de ahorro o sustitución de combustible, por emisiones de CO2 evitadas y por ventas de la energía generada. Las siguientes tablas pueden ser utilizadas como referencia para un análisis financiero simplificado del proyecto. La tabla 7 se puede utilizar para la presentación de los datos correspondientes a los costos de la fase de inversión. Dicha tabla debe contener tantas columnas como componentes incluya el proyecto, así como los demás aspectos mencionados en el apartado anterior. TABLA 7 Costos de inversión de un sistema fotovoltaico conectado a la red Sitio

Potencia

Número de

Precio de

Número de

Precio de

Precio de materiales y

Inversión

instalada

módulos

cada módulo

inversores

cada inversor

servicios de instalación

inicial

(kW)

instalados

(US$)

instalados

(US$)

(US$)

(US$)

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

La tabla 8 puede ser utilizada para la estimación de los datos correspondientes a la producción anual estimada y su equivalencia para la evaluación de las variables de ingresos establecidas. La tabla 9 puede ser utilizada como referencia para la presentación de los datos correspondientes a los ingresos de la fase operativa. TABLA 8 Estimación de producción y variables de ingreso de un sistema conectado a la red Sitio

Potencia

Horas sol

Producción

Consumo

Combustible

CO2 anual

instalada

pico

anual

anual evitado

anual evitado

evitado

(kWh)

(kWh)

(litros)

(tonelada)

(kW)

TABLA 9 Ingresos operativos anuales de un sistema fotovoltaico conectado a la red Sitio

Potencia

Inversión

Ventas de

Ahorro consumo

Ahorro combustible

Monto emisiones

instalada

inicial

la energía

evitado

evitado

CO2 evitadas

(kW)

(US$)

(US$)

(US$)

(US$)

(US$)

TIR

VAN

(%)

(US$)

Para el análisis deben definir algunas consideraciones a partir de los datos establecidos en el mercado. El costo social por emisiones evitadas de CO2 se puede suponer en US$ 15 por tonelada de CO2 evitada. El precio de venta de la energía lo establece la empresa distribuidora o el regulador del sistema eléctrico, pero como referencia se puede tomar a US$ 0,0453 por kWh. El ahorro por consumo evitado o autoconsumo dependerá de la tarifa de energía aplicada por la empresa distribuidora o el ente regulador. El período de vida útil del proyecto quedará definido por el fabricante de los equipos y por el adecuado mantenimiento de los mismos, pero en principio se establece en 25 años.

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. [1] Jaramillo Salgado Oscar Alfredo, “Tecnologías solares de mediana y alta temperatura”, Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México, OLADE - CURSO CAPEV 10, 2009 2. [2] Isaac Dyner. De fósiles a alternativos, Especialización en mercados energéticos, Universidad Nacional de Colombia http://collections.infocollections.org/ukedu/en/d/Jh1429e/6.4.html (2014-09-06) 3.

[3]

Enunciados

del

segundo

principio

de

la

termodinámica.

http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/enunciados-segundo-principio 2012-10-13 4. [4] Wikipedia, http://es.wikipedia.org/ 5. [5] Progensa, “Instalaciones de energía solar”, 1990 6. [6]

Benoit

Beckers;

El

diagrama

solar.

20

de

octubre

de

2013

http://www.heliodon.net/downloads/Beckers_2004_Ir_El_diagrama_solar.pdf 7. [7] Dunlop James P., “Photovoltaic Systems”, American Technical Publishers, Inc., 2010 8. [8]

Bérriz

Luis,

“La

transformación

de

energía

solar

en

electricidad”

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia12/HTML/articulo03.htm 9. [9] Zilles R., “Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, OLADE - CURSO CAPEV 08, 2009 10. [10] Linsenmeyer Aswin, “Taller Techo Solar”, SUNSET Energietechnik GmbH, 2009 11. [11] Oreamuno Carlos, “Energías Renovables. Tema Energía Fotovoltaica”, Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2003

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

12. [12] Sandoval Cervantes E, “Bancos de Baterías Plomo Ácido”, Instituto Costarricense de Electricidad, 1999 13. [13] Energía Solar Fotovoltaica, http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/2006/01/elregulador-de-carga.html 14. [14] Junta de Castilla y León; Energía Solar Fotovoltaica, Manual del Instalador 15. [15] Ing. (FH) Gordon Karg; Energía solar en Alemania, Fotovoltaica – sistemas conectados a la red y sistemas aislados. Consultado en internet, el 6 de octubre de 2013 http://ecuador.ahk.de/fileadmin/ahk_ecuador/Dokumente/Eventos/Seminario_Energia_So lar/Gordon_Karg.pdf 16. Instituto Costarricense de Electricidad, “Energía Solar en Costa Rica”, 1980 17. Instituto Costarricense de Electricidad, “Fuentes de energía no convencionales”, 1979 18. Fernández Díez P., “Procesos Termosolares en baja, media y alta temperatura” 19. Lorenzo E., “Electricidad Solar. Ingeniería de los sistemas fotovoltaicos”, Editorial Progensa, 1994 20. Recopilación de artículos técnicos publicados en Era Solar. “Avances en Energía Solar”, Progensa, 1era edición, 1998. 21. El Paso Solar Energy Association - EPSEA, “Conversión de la Luz Solar en Energía Eléctrica” http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit01a.pdf 22. “¿Que es Biomasa?” http://www.textoscientificos.com/energia/biomasa 23. Acosta Rubio, José. “Energía solar: utilización y aprovechamiento”. Madrid: Editorial Paraninfo, 1983. 24. Centro de Estudios de la Energía. “El sol, un viejo conocido: introducción a la energía solar”. Madrid: Centro de Estudios de la Energía, 1982.

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”

25. Centro de Estudios de la Energía Solar. “La energía solar: aplicaciones prácticas”. Sevilla: Promotora General de Estudios, 1993. 26. Dickson, D. “Tecnología alternativa”. Barcelona: Editorial Blume, 1980. 27. Instalaciones fotovoltaicas autónomas o aisladas, http://sustainabletech.inf.um.es/informacion.html 28. NAGASAKI SHIPYARD & MACHINERY WORKS; Microcrystalline High-Efficiency Tandem

Solar

Cell

to

Begin

Production;

http://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e444/e444022.pdf; 2013-03-28 29. Natalya V. Yastrebova, Centre for Research in Photonics, University of Ottawa, Highefficiency

multi-junction

solar

cells;

http://sunlab.site.uottawa.ca/pdf/whitepapers/HiEfficMjScCurrStatus&FuturePotential.pdf; 2013-03-28 30. CLEANERGYsolar.com;

http://www.cleanergysolar.com/2011/08/22/tutorial-solar-

fotovoltaica-%E2%80%93-componentes-del-sistema-fotovoltaico-5-el-inversorconvertidor/; 2013-03-31 31. Miguel Alonso Abella y Faustino Chenlo, CIEMAT; Estimación de la energía generada por un sistema fotovoltaico conectado a la red. 32. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Solar_Spectrum.png ; 2014-08-11 33. http://www.homepower.com/articles/solar-electricity/basics/what-solar-electricity ; 201409-13

Ing. José Antonio Conejo Badilla – Curso IE-1117 “Energía Solar Fotovoltaica”