Instalación en Caravaca de la Cruz, Murcia

Mini-red fotovoltaica aislada con autoconsumo

Antonio J. Valera Gómez, Master en EERR; Francisco Escámez Fernández, Departamento de Ingeniería de Gehrlicher Solar España; Javier Guerrero-Pérez, Departamento de Operación y Mantenimiento de Gehrlicher Solar España; Francisco Espín Sánchez, CEO/CTO Gehrlicher Solar España; José Mª Lozano Cutillas, Departamento de Ingeniería de Gehrlicher Solar España; y Luis Martin Olivo, Departamento comercial de Gehrlicher Solar España11/03/2013

Tradicionalmente los sistemas fotovoltaicos aislados tienen como objeto satisfacer total o parcialmente la demanda de energía eléctrica de aquellos lugares donde no existe una red eléctrica de distribución o es necesaria una inversión significativa para acceder a ella. Para mantener una disponibilidad en la demanda, se equipan con sistemas de acumulación de energía. Sin embargo, también pueden combinarse con otras fuentes de energía adicionales formando sistemas de generación híbridos. Hoy en día existen instalaciones fotovoltaicas autónomas técnica y económicamente, equiparables a otros sistemas de generación eléctrica, cuya configuración habitual incluye: generador fotovoltaico, regulador (controla el proceso carga-descarga del acumulador), batería de acumuladores, inversor (alimentación de circuitos en CA) y generador adicional (sistemas híbridos).

Recientemente Gehrlicher Solar España ha diseñado y construido una instalación fotovoltaica aislada para autoconsumo en Caravaca de la Cruz (Murcia), que actualmente suministra electricidad a una urbanización de nueve viviendas rurales. De esta manera, se ha aplicado el conocimiento y la experiencia adquiridos en el desarrollo de instalaciones conectadas a red, integrándose con novedosos equipos diseñados para generación aislada, para la creación de una mini-red aislada, totalmente independiente de la red de distribución.

En la actualidad, las nueve viviendas unifamiliares están dotadas de servicio eléctrico mediante un grupo electrógeno de 30 kVA y una red de distribución subterránea. La urbanización cuenta también con equipos de energía solar térmica y una caldera de biomasa para los sistemas de ACS, apoyo calefacción mediante suelo radiante.

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Figura 1: Urbanización de 9 viviendas abastecida con energía solar FV.

Solución adoptada

En base a la información aportada sobre pautas de consumo, el recurso solar de la zona, así como las directrices del cliente en cuanto a inversión y autonomía del sistema FV, se ha dimensionado una instalación para satisfacer una demanda de 41 kWh/día. El generador fotovoltaico de 22,05 kWp, cubre sobradamente el consumo cotidiano anual. La existencia del grupo electrógeno como aporte puntual, permite la reducción del tamaño del acumulador y aumentar el pico de demanda a satisfacer. Este conjunto de generación produce CC transformada en CA por dos inversores de 10 kW. Un armario de distribución y conexiones permitirá que la energía producida pueda ir bien dirección al consumo de las viviendas, o bien dirección a otro equipo inversor de 30 kW de potencia nominal, que hace las funciones de control de la instalación y regulación de un sistema de acumulación con baterías TOpZs. El grupo electrógeno actual se emplea como equipo de apoyo. Dicha configuración queda representada en el diagrama de bloques de la figura 2.

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Figura 2: Esquema de la instalación. Fuente: Gehrlicher Solar.

Este sistema se aleja del planteamiento convencional de una instalación FV aislada, puesto que el equipo generador corresponde al de una instalación conectada a red, cuya producción alimenta directamente los consumos y sólo en caso de superar la demanda, realiza la carga de las baterías, consiguiendo un sistema más eficiente.

Sistema propio de montaje GehrTec Top

Se instala en una cubierta agrícola de 150 m2, con 30° de inclinación y una orientación de 4° SO. Se realiza coplanar mediante el sistema propio de montaje GehrTec Top. Este sistema destaca por su adaptabilidad a todo tipo de cubiertas, gran capacidad de carga y resistencia a la corrosión. Está compuesta por 90 módulos de 245 W (lo que hace un potencia total de 22,05 kWp), se conectan, como si se tratase de una instalación para conexión a red, a dos inversores de 10 kW de potencia nominal cada uno (rendimiento máximo, ?max: 98,1 % y europeo, ?EU: 97,7 %). Al disponer de 2 seguidores del punto de máxima potencia (MPP) independientes, se configuran dos string, de 22 y 23 módulos, por inversor. La salida en CA trifásica se lleva a un cuadro de protecciones de CA y posteriormente al armario de distribución.

La producción estimada del sistema es de 34.000 kWh/año (PVSYST), con un factor de rendimiento (PR) de 80,70%.

Esta disposición presenta las siguientes ventajas:

- Simplicidad de conexionado y montaje; sobre todo para el instalador ya habituado a instalaciones conectadas a red.

- Cada inversor cuenta con todas las protecciones CC necesarias (polarización inversa, corrientes inversas, sobretensión y punto de desconexión de los strings). Por lo que no precisa cuadros adicionales de conexión y protección CC.

- Tensiones en CC elevadas, 664 V y 694 V, lo que permite pequeñas secciones de conductores y pérdidas de potencia moderadas por caída de tensión.

Armario de distribución y conexionado

En esta instalación el sistema es más eficiente que uno convencional ya que, gracias a la caja de medición inteligente, la energía producida podrá ir bien directamente para consumo de las viviendas, sin pasar por las baterías, bien dirección al equipo que hace las funciones de control y regulación, en función de la demanda, el estado de carga de baterías y la radiación solar. Además de gestionar la entrada en alterna a consumo desde el generador FV, desde baterías o desde el grupo electrógeno, alberga las protecciones de dichas líneas.

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Figura 3: Sistema de acumulación e inversores.

Equipo de control y regulación de carga

Gracias a la caja de medición inteligente, el sistema de control interpreta las señales de tensión y corriente, y mediante un bus CAN se coordinan todas las conexiones y desconexiones. En nuestra instalación estas funciones las realiza el inversor bidireccional de 5 kW, 230V/48V (inversor-cargador de batería). Para ello se instalan en paralelo 2 grupos de 3 equipos (Main Cluster y Extension Cluster) donde uno de ellos trabaja como maestro y los dos restantes como esclavos.

El sistema de control monitoriza los límites ajustados para tensión y frecuencia del abastecimiento y carga la batería con la energía puesta a disposición por los equipos que inyectan en el lado de CA. La regulación de carga de la batería la realiza según el procedimiento IUoU (corriente constante, tensión constante y mantenimiento a tensión constante), basado en un balance de amperios-hora y recalibraciones por tensión, permitiendo alargar su vida útil. El inversor bidireccional gestiona el arranque y parada del grupo electrógeno mediante relé programado, en función del estado de carga de la batería o de la potencia demandada por los consumidores.

El sistema de control registra datos de medición de: batería, inversor, sistema, fuente externa y consumos, en tarjeta MMC/SD, y los proporciona on-line a través de un portal de gestión y supervisión (figura 4). Para llegar a un rendimiento óptimo de la instalación, se realiza un programa de seguimiento en el que se analizan estos datos y se ajustan los parámetros de gestión de la instalación más adecuados a las pautas de consumo reales. De esta manera, haciendo especial hincapié en los meses más desfavorables de invierno, se busca un ciclo de carga adecuado que equilibre los ciclos de carga de las baterías y minimice el tiempo de funcionamiento del grupo.

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Figura 4: Energía de un día tipo de producción desfavorable (28/1/2013). Azul: aporte FV. Rojo: aporte grupo electrógeno.

Análisis económico

Debido al aumento de necesidades energéticas del complejo residencial, la instalación a red exigía su ampliación con la compañía distribuidora. Descartada esta opción por su alto coste de inversión (estimado en más 50.000 ) y la evolución ascendente del coste de la factura eléctrica (incrementos medios del 6% durante los últimos 8 años), el cliente optó por autoabastecerse mediante la instalación de un grupo electrógeno diésel, por su reducido coste de inversión inicial. Sin embargo, los consumos de gasoil hacían inviable esta opción a largo plazo (36 litros gasoil/día), lo que provocó la búsqueda de otras alternativas y decidió consultar a Gehrlicher Solar, como especialista en el sector fotovoltaico.

La curva de consumo diaria concentra la mayoría de la demanda en las horas centrales del día, lo que permitió dimensionar un sistema fotovoltaico con acumulación mínima y apoyo del grupo diésel existente para puntas de consumo, obteniendo un retorno de la inversión respecto de las otras fuentes de suministro planteadas menor a los 4,5 años. En la figura 5, se observa que pese una inversión inicial alta, la opción plantea unos costes de consumo muy bajos, provocados únicamente por el consumo de gasoil durante las horas puntas de los meses de invierno.

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Figura 5: Comparativa de cotes para 10 años.

Comparando los costes acumulados durante los primeros 10 años (ver figura 6), se puede identificar el momento en el que la inversión es amortizada respecto a si se hubiera utilizado otro tipo de sistema de abastecimiento.

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Figura 6: Comparativa de amortización para distintas alternativas.

Por todo ello puede concluirse que en el caso que nos ocupa, la inversión más interesante a medio-largo plazo es la opción elegida de sistema fotovoltaico con apoyo de grupo electrógeno diésel.

Instalación referente

La importancia de este proyecto reside en que se trata de una instalación aislada para autoconsumo muy significativa a nivel regional, que integra de manera inteligente a las nueve familias conectadas a ella, consiguiendo un suministro eléctrico eficiente y sostenible, referente para otros proyectos de electrificación en zonas rurales que se puedan desarrollar en este ámbito.

El sofisticado sistema de control permite establecer una arquitectura híbrida, aprovechando las ventajas de ambas fuentes de generación. Por un lado, mantener un coste de explotación prácticamente nulo de la electricidad, pues el abastecimiento cotidiano se satisface con la fotovoltaica y el consumo de diésel queda restringido para momentos puntuales. A su vez, permite reducir el acumulador para minimizar la inversión inicial, manteniendo la autonomía y capacidad pico de consumo del grupo diésel. Los costes de mantenimiento también se reducen considerablemente, por la disminución de baterías y las pocas horas de funcionamiento del grupo.

Además, las instalaciones modulares de éste tipo, permiten una ampliación de potencia de manera sencilla y práctica, abriendo el horizonte a posibles aumentos de demanda así como la flexibilidad de integrar nuevos usuarios en la mini-red.

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Figura 7: Generador fotovoltaico de la instalación. Fuente Gehrlicher Solar.

La fuerte reducción de costes que han experimentado los sistemas de producción fotovoltaica en los últimos años, hacen posible ofrecer soluciones de suministro eléctrico para viviendas, equipos de bombeo o pequeñas industrias, con inversión y plazos de amortización razonables. Instalaciones como ésta son una realidad y posibilitan la independencia de las compañías eléctricas, permitiendo a empresas y familias estar protegidas de futuras subidas de las tarifas eléctricas durante el periodo de vida útil de la instalación.