Laboratorio de Energía Solar Fotovoltaica
Un sistema fotovoltaico es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica.
Estos sistemas independientemente de su utilización y del tamaño de potencia, se pueden clasificar como:
- Sistemas aislados.
- Sistemas conectados a red.
- Sistemas híbridos. Combinados con otro tipo de generación de energía eléctrica.
El laboratorio dispone de los tres tipos de sistemas, que pasamos a describir a continuación.
Instalaciones de sistemas aislados.
Tienen como objeto satisfacer total o parcialmente la demanda de energía eléctrica de aquellos lugares donde no existe red eléctrica de distribución o ésta es de difícil acceso.
Los sistemas aislados normalmente están equipados con sistemas de acumulación de energía, ya que sólo pueden proporcionar energía durante el día y la demanda se produce a lo largo del día y de la noche.
Esto implica que el campo fotovoltaico ha de estar dimensionado de forma que permita, durante las horas de insolación, la alimentación de la carga y la recarga de las baterías de acumulación.
El laboratorio dispone de cuatro instalaciones de este tipo, de una potencia de 170Wp cada una. El sistema está constituido con los elementos básicos para el estudio de las diferentes aplicaciones fotovoltaicas autónomas. Están basadas en 12VDC en generación y en acumulación. Cubre las aplicaciones que disponen de consumos que pueden utilizar 12VDC y también 220VAC de onda senoidal.
Los módulos fotovoltaicos que constituyen el generador solar del laboratorio se instalan en el exterior del edificio, perfectamente orientados y asegurados con tornillería de acero inoxidable en una estructura soporte.
Para mayores posibilidades de experimentación, la estructura soporte del generador permite distintas inclinaciones (de 0 a 90º) y permite todas las orientaciones.
Los sistemas incorporan:
- Protecciones eléctricas obligatorias en los sistemas fotovoltaicos
- Protección contra cortocircuitos y sobreintensidades en la línea entre el generador solar y el regulador
La configuración del sistema de control se compone de un regulador de carga Steca PR 1010 que además de proporcionarnos una regulación óptima de la carga y descarga del sistema de acumulación:
- Permite una configuraciones de trabajo 12VDC mediante sistema de adaptación automática
- Dispone de una capacidad de regulación de 10A en la carga o en la descarga del sistema de acumulación.
- Tiene control de sobrecargas y autoaprendizaje SOC.
- Muestra los datos más relevantes de su funcionamiento en un display digital.
- Dispone de protección contra descargas profundas para la salida de consumos 12VDC 20A.
Regulador de carga MPPT
El controlador de carga fotovoltaico y Rastreador del Punto Máxima Potencia (RMPP), habilita al sistema fotovoltaico (FV) a alcanzar la máxima eficiencia posible. Con un rango de hasta 60A de salida de DC, puede ser utilizado con sistemas de baterías desde 12 a 60VDC con voltajes fotovoltaicos a circuito abierto tan altos como 160VDC.
El MPPT permite usar un ajuste FV de voltaje de entrada al regulador más alto, con una configuración de baterías de voltaje más bajo. Con esto se reduce la sección del cableado y las pérdidas de potencia desde el campo FV hasta el regulador, y puede maximizar la operación del sistema FV.
El uso de este tipo de regulador supone un 20-30% mínimo de ganancia en producción, comparando con la regulación tradicional.
Se dispone de una salida de consumos DC a 12V con una capacidad de 10-15A:
- Se pueden activar los consumos DC mediante circuito interruptor crepuscular.
- Dispone de una lámpara electrónica 11W 12V con interruptor.
- Incluye un casquillo E-27 con lámpara de 11W / 12VDC.
- Incluye programador horario 12VDC para el encendido y apagado de consumos.
- Incorpora protección contra cortocircuitos y sobreintensidades.
El sistema dispone de un acumulador. Está construido dentro de recipientes totalmente transparentes para poder observar la estructura de las distintas placas, el nivel de electrolito, el proceso de envejecimiento, y la constitución del mismo.
- Cada uno tiene12VDC y 140 Ah C120 25ºC.
- Son de tipo estacionario y placa positiva tubular bajo norma DIN.
- También incorpora una bancada especial con niveladores
- Incluye todos los elementos reales (aislantes, protectores, densímetro, dosificador, libro mantenimiento...)
- Incorpora protección contra cortocircuitos y sobreintensidades en la línea entre el acumulador y el regulador.
También dispone de un inversor DC/AC 24VDC/220VAC de 250 / 500W que nos proporciona corriente alterna a partir de la corriente continua que disponemos en el sistema de acumulación. Además:
- La salida de consumos es aislada y de onda senoidal pura.
- El inversor DC/AC es del 92% de eficiencia y arranque automático.
- Dispone de protección contra sobrecarga, sobretemperatura y cortocircuito.
- Incorpora protección contra cortocircuitos y sobreintensidades en la línea entre el acumulador y el inversor
En la línea de consumos en corriente alterna (220V 50Hz) se monitorizan todos los consumos. Está controlada por un medidor contador de energía EKM-265 (en 220VCA 50Hz 2600W) para ayudar al alumno a conocer la utilización de la parte AC de un sistema fotovoltaico al ofrecerle multitud de datos de interés sobre el comportamiento de los consumos en corriente alterna.
- Incluye programador horario 220VAC para el encendido y apagado de consumos
- Dispone de interruptor automático (magnetotérmico) 15A en la salida consumo en corriente alterna
- Incluye un casquillo de E27 con lámpara de 13W / 220VAC.
El sistema de comunicaciones permite las siguientes operaciones:
- Configuración y lectura del monitor de batería e-xpert pro.
- Soporta múltiples monitores de la batería.
- Comprobar todos los ajustes, la situación y los datos históricos con sólo un clic de botón.
- Utilizar los datos avanzadas de grabación para registrar todos los parámetros disponibles.
- Salida de los datos registrados a Microsoft Excel para su posterior análisis.
- Abrir un panel individual para cada monitor de la batería con la información real e icono animado de la batería.
- Cambiar el nombre de su monitor de la batería.
- Compatible con los monitores de batería e-xpert 501.
Instalación de sistema híbrido: Fotovoltaica autónoma + Minieólica
En algunos casos el sistema FV aislado se puede complementar con otro a fin de tener mayores garantías de disponer de electricidad. Cuando un sistema FV además del generador FV incorpora otro generador de energía se denomina sistema híbrido, y en general se utiliza la energía eólica o los grupos electrógenos.
Estas combinaciones se usan para aprovechar algún recurso energético localizado cerca de la instalación o para tener mayor fiabilidad en el suministro de energía.
El laboratorio dispone de una instalación híbrida al que están conectados un campo solar FV de 1100Wp y un generador eólico de 400W. Es similar a los entrenadores de sistemas aislados descritos en el apartado anterior, pero con una mayor capacidad de generación. Además permite la posibilidad de poder suministrar energía eléctrica al aula-laboratorio del centro y a su vez funcionar interrelacionada con la red eléctrica de forma que en caso de déficit energético esta cubra las necesidades eléctricas que se planteen.
Está diseñada bajo criterios educativos y construida en forma de laboratorio de experimentación. El sistema está constituido con los elementos básicos para el estudio de las diferentes aplicaciones fotovoltaicas autónomas.
El sistema está destinado al conocimiento de las aplicaciones fotovoltaicas aisladas de la red eléctrica, y a la realización de prácticas en programas de formación técnica. Está basado en 24VDC en generación y en acumulación. Cubre las aplicaciones que disponen de consumos que pueden utilizar 24VDC y también 220VAC.
Los módulos fotovoltaicos que constituyen el generador solar del laboratorio se instalan en el exterior del edificio perfectamente orientados y asegurados con tornillería de acero inoxidable en una estructura soporte.
El sistema incorpora:
- Protecciones eléctricas obligatorias en los sistemas fotovoltaicos
- Protección contra cortocircuitos y sobreintensidades en la línea entre el generador solar y el regulador
La configuración del sistema de control se compone de un regulador de carga que además de proporcionarnos una regulación óptima de la carga del sistema de acumulación, con la novedad del seguimiento del punto de máxima potencia de los paneles fotovoltaicos:
- Dispone de una capacidad de regulación de 60A en la carga.
- Tiene control de sobrecargas y autoaprendizaje SOC.
- Muestra los datos más relevantes de su funcionamiento en un display digital (+ info-led).
- Dispone de seguimiento de MPPT para mayor aprovechamiento del campo solar.
El sistema dispone de un acumulador formado por 12 elementos de 2V cada uno conectados en serie.
- Cada elemento es de 2V y 897 Ah C120 25ºC. Conectados en serie proporcionan una tensión de 24V.
- Son de tipo estacionario y placa positiva tubular bajo norma DIN.
- También incorpora una bancada especial con niveladores.
- Incluye todos los elementos reales (aislantes, protectores, densímetro, dosificador, libro mantenimiento...)
- Incorpora protección contra cortocircuitos y sobreintensidades en la línea entre el acumulador y el regulador
Se registran todas las entradas y salidas de energía del acumulador y otros parámetros. Están constantemente supervisadas por un controlador electrónico de batería (con shunt de conexión) que facilitará al alumno el estudio de la parte CC de una instalación fotovoltaica. El alumno queda sumergido en un amplio escenario de trabajo para la realización de las prácticas ya que puede conocer todos los procesos que ocurren en el acumulador.
También dispone de un inversor DC/AC 24VDC/220VAC de 4000W que nos proporciona corriente alterna a partir de la corriente continua que disponemos en el sistema de acumulación. Además:
- La salida de consumos es aislada y de onda senoidal pura.
- El inversor DC/AC es del 94% de eficiencia y arranque automático.
- Dispone de protección contra sobrecarga, sobretemperatura y cortocircuito.
- Incorpora protección contra cortocircuitos y sobreintensidades en la línea entre el acumulador y el inversor.
La tecnología del inversor y regulador permite el cambio y control de todos los parámetros de funcionamiento de la instalación, como son los niveles de carga, tensiones, parámetros de configuración de entradas auxiliares, etc
El monitor de batería e-xpert pro nos proporciona una comunicación para PC a través de puerto USB.
Eólica
LAB EOL Conex red es una instalación eólica diseñada bajo criterios educativos y construida en forma de laboratorio de experimentación. El sistema está constituido con los elementos básicos para el estudio de la aplicación en conexión a red, aplicación que todavía no tienen implementación por falta de normativa propia, pero que sin duda el sector minieólico pasará por la integración de las fuentes renovables en el entorno urbano.
Instalaciones de conexión a la Red
Este tipo de instalaciones constan fundamentalmente de un campo fotovoltaico de paneles que producen la energía y un inversor que realiza la inyección de esa energía en la red eléctrica.
Estos sistemas se basan en captar la radiación solar emitida hacia la tierra todos los días del año y transformarla en energía eléctrica mediante la instalación de un campo fotovoltaico, compuesto por paneles solares.
Posteriormente, esa energía generada se vierte directamente en la red de distribución eléctrica mediante un inversor DC/AC específico para este tipo de instalaciones. Al contrario que en los sistemas aislados, la energía captada no se almacena en acumuladores para aprovecharla en periodos de baja o nula radiación solar.
El laboratorio dispone de dos instalaciones de este tipo, de una potencia de 1100Wp cada una. La diferencia entre ambas es que una dispone de un inversor SMA y la otra de un inversor Fronius.
Cada instalación dispone de su propia monitorización de:
- Energía producida.
- Potencias a la entrada y salida del inversor.
Sensores de:
- Temperatura ambiente.
- Temperatura del panel.
- Radiación.
- Velocidad del viento.
.De esta forma se pretende que el alumno trabaje con distintos inversores y el software asociado con el fin de monitorizar en un PC las diferentes variables.
Los módulos fotovoltaicos que constituyen el generador solar del laboratorio se instalan en el exterior del edificio, perfectamente orientados y asegurados con tornillería de acero inoxidable en la estructura soporte.
Los sistemas incorporan:
- Protecciones eléctricas obligatorias en los sistemas fotovoltaicos.
- Protección contra cortocircuitos y sobre intensidades en la línea entre el generador solar y el regulador.
El sistema incluye software para la monitorización del funcionamiento de la instalación solar fotovoltaica. De esta forma, el alumno tiene los datos necesarios:
- Sobre los Wh producidos
- Tensión de red, potencia generada
- Corriente introducida a la red
- Tensión del generador.
- Corriente en DC, (generador)
- Generación de históricos
Instalación de conexión a red + Seguimiento solar
LAB FV Conex red es una instalación solar fotovoltaica diseñada bajo criterios educativos y construida en forma de laboratorio de experimentación. El sistema está constituido con los elementos básicos para el estudio de la aplicación fotovoltaica en conexión a red, aplicación de mayor volumen en el sector fotovoltaico e integración de las fuentes renovables en el entorno urbano.
Para una mayor diversificación en el concepto educativo, se implementa a la instalación un seguidor solar de un eje, que hace aumentar la energía que capta este tipo de instalaciones. El seguidor está instalado sobre un poste y lastrado a la terraza del centro.
El campo FV instalado en el seguidor tiene una potencia de 370Wp.
Las características del seguidor Lorentz Etatrack Active 600 son:
- Eje simple, seguimiento de 90º de ángulo Este-Oeste.
- Estructura robusta de acero galvanizado en caliente.
- Accionamiento lineal de DC libre de mantenimiento.
- Autoalimentación con muy bajo consumo de energía
Lleva el inversor Soladin 600 de conexión a red, que tiene las siguientes características:
- Tensión máxima de la cadena en circuito abierto a la temperatura más baja posible de los módulos FV: 155VDC.
- Cableado FV con aislamiento doble
- Todos los cables de la cadena tienen aislamiento doble y van equipados con conectores MultiContact (Ø4mm).
- El modo de funcionamiento del Soladin se visualiza por medio de un indicador luminoso situado en la parte delantera de la carcasa.
- Dispone de interfaz de conexión a PC.
El laboratorio dispone de una caja de contadores similar a las instalaciones de conexión a red, en inyecciones monofásicas, con las características de homologación de la compañía eléctrica distribuidora:
- Protecciones de entrada y salida según especificaciones de Iberdrola.
- Contador bidireccional para controlar la producción de la planta y el posible consumo de ésta.
- Caja contenedora de interior similar a las utilizadas en centralización de contadores
Galería fotográfica
Montaje e instalación
La instalación del laboratorio de Energía Solar Fotovoltaica ha sido realizada por la empresa Ekain Taldea S. L.