Instalacion Fotovoltaica Descargable Zigurat Elearning

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APRENDE A

CALCULAR Y DISEÑAR

UNA INSTALACIÓN

FOTOVOLTAICA

PARA VIVIENDAS

MÁSTER EN

INSTALACIONES DE EDIFICACIÓN

SOSTENIBILIDAD Y EFICIENCIA ENERGÉTICA CON BIM

contenido del

Inicio 28 de Septiembre 2016 | 11ª edición

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ÍNDICE DE CONTENIDO

1. PRÓLOGO 3

2. RADIACIÓN SOLAR COMO FUENTE DE ENERGÍA: ENERGÍA SOLAR 5

2.1 Parámetros geométricos solares 8

3. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE LA RADIACIÓN SOLAR 11

3.1 Función y composición de una instalación solar fotovoltaica 12

3.2 Células fotovoltaicas 13

3.3 Módulo fotovoltaico 14

3.4 Campo fotovoltaico 15

4. CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS 17

4.1 Instalaciones fotovoltaicas aisladas de la red eléctrica 19 4.2 Instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica 22

5. CASO PRÁCTICO 24

5.1 Introducción 25

5.2 Datos de proyecto 26

5.3 Comprobaciones 30

5.3.1 Calcular la orientación e inclinación óptima y la distancia ente módulos 30 5.3.2 Calcular el número de módulos necesarios 31 5.3.3 Configuración de conexión del generador FV e inversor 32 5.3.4 Potencia y producción energética estimada del generador FV 36 5.3.5 Valoración del rendimiento económico de la inversión 37 5.4 Cálculo con el programa CYPELEC REBT 39

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PRÓLOGO

El Máster aporta unos conocimientos

y habilidades que permiten al participante,

una vez terminado el Máster, abordar

con rapidez y seguridad cualquier tipo

(4)

Los contenidos del presente documento forman parte del “Máster en Instalaciones. Sostenibilidad y eficiencia energética con BIM” de Zigurat. En el Máster se aborda el diseño, cálculo y coordina-ción de todas las instalaciones que intervienen en una edificación, con un claro enfoque hacia la efi-ciencia energética y la sostenibilidad, a partir de soluciones basadas en energías renovables, como pueden ser las instalaciones fotovoltaicas.

En esta muestra de contenido se explican y ana-lizan, a partir de un primer enfoque teórico, di-ferentes casos prácticos de instalaciones fotovol-taicas y posteriormente se desarrolla uno de ellos mediante cálculos manuales. Finalizando con una comparativa entre el resultado obtenido manual-mente y el simulado con el software CYPELEC REBT de Cype Ingenieros.

En el Máster se desarrolla y profundiza en las ins-talaciones fotovoltaicas, realizando un recorrido por toda la normativa de aplicación y viendo dis-tintos casos de aplicación, como el cálculo de una instalación fotovoltaica en una vivienda aislada.

A más a más, las aptitudes que ofrece el Máster permiten al estudiante realizar cálculos comple-tos en cualquiera de los ámbicomple-tos relacionados con la eficiencia y la optimización energética, posibili-tando la toma de decisiones para obtener un aho-rro energético considerable, siempre teniendo en cuenta el cuidado de los recursos naturales y la sostenibilidad medioambiental.

Una vez estudiados y aplicados los ejemplos prác-ticos en los diferentes ámbitos de las instalacio-nes se plantea la resolución de un edificio comple-to como proyeccomple-to final. En este edificio se deberán aplicar todas las restricciones legales impuestas por la normativa, viendo las diferentes soluciones a aplicar en cada caso y calculando el conjunto de instalaciones que conforman el edificio. Gra-cias al modelado del edificio en 3D con BIM y la interoperabilidad con otros software, se puede observar cómo estas instalaciones interfieren en-tre ellas y cómo gestionarlas para optimizarlas en cada caso.

Una vez terminado el Máster el alumno tendrá conocimientos y habilidades sobre todas las ins-talaciones pertenecientes a la edificación, gracias al desarrollo teórico realizado en los apuntes, los casos prácticos analizados y el desarrollo del pro-yecto final.

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ENERGÍA SOLAR

La radiación solar incidente en una superficie

perpendicular a la dirección de propagación de la

radiación solar es siempre mayor que en la misma

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2. RADIACIÓN SOLAR COMO FUENTE

DE ENERGÍA: ENERGÍA SOLAR

La energía solar es la energía contenida en la ra-diación solar que es transformada mediante los correspondientes dispositivos, en forma térmica o eléctrica, para su consumo posterior dónde se necesite. El elemento encargado de captar la ra-diación solar y transformarla en energía útil es el panel solar, pudiendo ser de dos clases: capta-dores solares térmicos y módulos fotovoltaicos. En el desarrollo de los contenidos del temario nos centraremos, como es lógico, en los módulos foto-voltaicos para la generación de energía eléctrica. Desde el punto de vista de su aprovechamiento energético podemos considerar el Sol como una esfera que emite una radiación, que se transmite a través del espacio a la velocidad de la luz, que se distribuye en una banda de longitudes de onda

equivalentes a la de un cuerpo negro a 6.000 ºK. La energía radiante del sol que se recibe en el ex-terior de la atmósfera terrestre es la denominada constante solar y tiene el siguiente valor:

1.353 W/m2_{= 4.872 KJ/h·m}2

Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmósfera donde experi-menta diversos fenómenos de reflexión, absor-ción, y difusión que disminuyen la intensidad final. La atmósfera terrestre atenúa la radiación solar debido a los fenómenos de reflexión, absor-ción y difusión que los componentes atmosféricos (moléculas de aire, ozono, vapor de agua, CO₂, ae-rosoles, etc.) producen sobre ésta.

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MÁSTER EN INSTALACIONES DE EDIFICACIÓN. SOSTENIBILIDAD Y EFICIENCIA ENERGÉTICA CON BIM.

Aprende a calcular y diseñar instalaciones fotovoltaicas para viviendas. 7

ZIGURAT www.e-zigurat.com | [email protected] Índice de contenido

La difusión que se produce debida a la presencia de polvo y a la contaminación del aire depende, en gran medida, del lugar dónde se mida, siendo mayor en los lugares industriales y en los lugares más poblados. Los efectos meteorológicos locales tales como la nubosidad, lluvia o nieve afectan también a la irradiancia solar que llega a un de-terminado lugar.

La radiación que llega directamente del Sol es la denominada Radiación Directa y la que previa-mente es absorbida y difundida por la atmósfera (muy significativa, por ejemplo, en días nublados) es la Radiación Difusa.

La radiación solar, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies en las que incide dando lugar a la Radiación Reflejada. La reflexión dependerá de las características y naturaleza de la superficie reflectora.

La RADIACIÓN SOLAR GLOBAL es la suma de los tres tipos antes citados, DIRECTA, DIFUSA Y RE-FLEJADA, y es la que podemos aprovechar para su transformación térmica o eléctrica.

Teniendo en cuenta todos estos parámetros, la irradiancia que incide en un plano horizontal de la superficie terrestre un día claro al mediodía alcanza un valor máximo de 1.000 W/m2

aproxi-madamente. Este valor depende del lugar, y sobre todo, de la nubosidad.

Para poder efectuar el diseño de una instalación fotovoltaica es necesario saber la radiación del lugar. Para ello se debe disponer de las tablas de radiación solar actualizadas de nuestro emplaza-miento, siendo los institutos de energía los que elaboran los atlas de radiación.

Para el caso concreto de España, se dispone de las tablas de radiación solar media diaria anual disponibles en el Documento Básico de Ahorro de Energía: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica (DB-HE5).

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Para el cálculo de la producción energética de una instalación solar es necesario conocer la irra-diación solar en el plano correspondiente a la ins-talación y la trayectoria del sol en el lugar y en las diferentes épocas del año. La situación del sol en un lugar cualquiera viene determinada por la altura y el azimut del sol.

Otro aspecto importante es la trayectoria del sol, en relación al posicionamiento de la instalación de los módulos fotovoltaicos, en días determina-dos del año (solsticios de verano e invierno, equi-noccios de primavera y otoño).

Los demás días del año el sol recorre trayectorias intermedias. La posición del sol en un determina-do lugar y un determinadetermina-do momento es un dato que se puede obtener con relativa facilidad, al igual que el ángulo de incidencia con cualquier plano.

2.1 PARÁMETROS

GEOMÉTRICOS SOLARES

Figura 2.3: Parámetros geométricos solares

· Ángulo de inclinación del módulo (β):

Ángulo que forma la superficie de los módulos con el plano horizontal (Figura 2.3 y Figura 2.4). Su valor es 0° para módulos horizontales y 90° para verticales.

· Ángulo de azimut del módulo (α):

Ángulo entre la proyección sobre el plano hori-zontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano del lugar (Figura 2.3 y Figura 2.4). Valores típicos son 0° para módulos orientados al sur, 90° para módulos orientados al este y +90° para módulos orientados al oeste.

· Altura solar (ψ):

Ángulo formado por un rayo de sol directo y el plano horizontal (Figura 2.3).

· Ángulo cenital solar (ϴ2):

Es el formado por el rayo solar y la normal a la superficie horizontal, es decir, sería el comple-mentario a la altura solar (Figura 2.3). También es conocido como distancia cenital.

· Ángulo de azimut del sol (γ):

Ángulo entre la proyección sobre el plano hori-zontal del rayo solar directo y el meridiano del lugar (Figura 2.3).

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Para obtener la máxima producción energética posible, en España el DB-HE5 establece que la po-sición fija de los módulos fotovoltaicos debe ser tal que se considerará como la orientación óptima el sur (α). La inclinación óptima (β) depende de la latitud geográfica y del periodo de producción energética preferentemente fijado:

• Invierno: ϕ + 10º

(Producción energética óptima para invierno) • Verano: ϕ – 20º

(Producción energética óptima para verano) • Anual: ϕ – 10º

(Producción energética óptima para todo el año)

La radiación solar incidente en una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar es siempre mayor que en la misma superficie colocada en cualquier otra po-sición. Al variar el azimut solar y la altura solar a lo largo del día y del año, el ángulo de incidencia de radiación óptimo en una superficie dada no es constante. La situación óptima se daría en un plano (plano de la superficie de captación) cuya inclinación y orientación varía constantemente. Generalmente la superficie de captación es fija, pero también tenemos la posibilidad de colocar captadores con seguimiento solar.

Figura 2.5: Trayectorias del sol según estaciones del año

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Para instalaciones solares fotovoltaicas se em-plea un concepto relacionado con la radiación solar que simplifica el cálculo de las prestaciones energéticas de este tipo de instalaciones, este pa-rámetro son las “horas sol pico” (HSP). Se denomi-na HSP al número de horas diarias que, con udenomi-na irradiancia solar ideal de 1.000 W/m2_proporciona

la misma irradiación solar total que la real de ese día.

Es decir, si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día y se divide entre 1.000, se obtienen las HSP. Se puede deducir fá-cilmente que si los valores de radiación solar dis-ponibles están expresados en kWh/m2_{, coinciden}

numéricamente con los que resultan al expresar-los en HSP.

El hecho de referir las HSP a una irradiancia de 1.000 W/m2_{es de gran interés, ya que la potencia}

de los paneles está asociada a un valor de radia-ción solar de 1.000 W/m2_{, por lo que si conocemos}

las HSP se podrá obtener la producción energéti-ca del panel multiplienergéti-cando la potencia del panel por las HSP.

Ejemplo:

Para una irradiación solar diaria de 5 kWh/m2_,

el resultado en horas sol pico (HSP) sería:

HSP = = = 5

Figura 2.7: Concepto de “Horas Sol Pico (HSP)” Figura 2.6: Seguidor solar

Para saber más...

5 kWh/m2 1000 W/m2

5000 W/m2 1000 W/m2

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ENERGÍA ELÉCTRICA

A PARTIR DE LA

RADIACIÓN SOLAR

La generación de energía eléctrica, sin emisión

de contaminantes, se produce como resultado de

la captación directa de energía solar mediante la

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3. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

A PARTIR DE LA RADIACIÓN SOLAR

Una instalación fotovoltaica tiene como objetivo producir energía eléctrica a partir de la energía solar. Esta generación de energía eléctrica, sin emisión de contaminantes, se produce como re-sultado de la captación directa de energía solar y mediante la intervención del llamado efecto foto-voltaico.

Se puede decir que un sistema fotovoltaico com-pleto está formado por tres subsistemas. De un lado están los dispositivos fotovoltaicos (células, módulos y generadores) que convierten la ener-gía solar en enerener-gía eléctrica (DC o CC). Por otro lado se tiene la carga o consumos para los que se genera la electricidad. Entre ellos, es necesario un tercer subsistema para acondicionar la electrici-dad generada a las cargas de consumo. Habitual-mente a este tercer subsistema se le denomina balance del sistema (BOS). El BOS consiste princi-palmente en las estructuras soporte para montar los generadores, el sistema de acondicionamiento de potencia y el sistema de baterías. Estos

compo-3.1 FUNCIÓN Y COMPOSICIÓN DE UNA

INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA

nentes como los reguladores de carga, las baterías y los inversores tienen la misión de regular, alma-cenar, acondicionar y suministrar la electricidad. La batería es el componente que almacena la energía eléctrica generada por los módulos foto-voltaicos, en caso de no ir conectada la instala-ción a la red. El regulador es el que controla el proceso de carga y, en ocasiones, el de descarga de la batería. Y finalmente es el inversor el que transforma la corriente continua en corriente al-terna a 220/230V y 50Hz.

En esta parte de producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar, nos centraremos en los componentes de la instalación fotovoltai-ca, sea de forma agrupada o de forma individual, encargados de realizar la captación solar: células fotovoltaicas, módulos fotovoltaicos y los campos fotovoltaicos. Todas estas modalidades tienen la categoría de generador fotovoltaico.

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Mediante las células fotovoltaicas, también

lla-madas celdas fotovoltaicas, la radiación solar se

transforma directamente en electricidad, aprove-chando las propiedades de los materiales semi-conductores.

Cuando la luz del sol (fotones) incide en una de las caras de la célula, genera una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía. Las células fotovoltaicas, (generalmente de color negro o azul oscuro), se asocian en grupos y se protegen de la intemperie formando módulos fo-tovoltaicos.

El material base usado para la fabricación de las células fotovoltaicas es el silicio (se obtiene a par-tir de arena).

La célula fotovoltaica está formada por un mate-rial semiconductor en el cual se ha realizado una unión “p-n” que da lugar a un campo eléctrico que posibilita el efecto fotovoltaico. A estos ma-teriales semiconductores se les añaden impure-zas, y de acuerdo a la impureza introducida en el material semiconductor se obtienen materiales semiconductores tipo “n” con un mayor número de electrones libres y materiales tipo “p” con un mayor número de cargas positivas o huecos. Información más detallada en los apuntes completos del Máster de Instalaciones

3.2 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

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Tal y como se indica anteriormente, un módulo fotovoltaico es la asociación de células fotovoltai-cas que se protegen de la intemperie. A partir de las células, se pasa a la fabricación y ensamblaje de los módulos fotovoltaicos que conocemos co-mercialmente.

Este módulo fotovoltaico está formado por un

conjunto de células FV eléctricamente conecta-das unas a otras, encapsulaconecta-das y montaconecta-das en un laminado y una estructura soporte o marco. Los módulos se diseñan para suministrar electrici-dad a un voltaje concreto (normalmente 12 V o 24 V). La corriente producida está en proporción al nivel de insolación. La estructura del módulo da protección a las células contra el medioambiente, haciendo que sean muy duraderos y con gran fia-bilidad.

Se puede decir que el objetivo principal del mó-dulo fotovoltaico consiste en la interconexión eléctrica de un determinado número de células solares de forma que la tensión y corriente sumi-nistrados se incremente hasta ajustarse al valor deseado. La unión eléctrica puede ser en serie, se suman las tensiones unitarias manteniéndose fija la corriente, o en paralelo, se mantiene fija la tensión y se suman las corrientes. Posterior-mente, este conjunto es encapsulado de forma que quede protegido de los agentes atmosféricos que le puedan afectar cuando esté trabajando a la intemperie, dándole a la vez rigidez mecánica y aislándolo eléctricamente.

3.3 MÓDULO FOTOVOLTAICO

Figura 3.4: Partes de un módulo fotovoltaico

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En las instalaciones fotovoltaicas normalmente se requiere el empleo de más de un módulo para satisfacer las demandas energéticas de las mismas, por este motivo se asocian en serie o en paralelo hasta que se adquieren los valores de intensidad y voltaje deseados. El conjunto de todos los mó-dulos que constituyen el sistema de generación recibe el nombre de campo fotovoltaico o array (del inglés, array = tabla, matriz, formación). Por lo

general los módulos están interconectados entre si formando unidades que se suelen denominar Grupos. Los grupos se unen para formar el campo de módulos fotovoltaicos.

Para mayor simplicidad se supone que el módulo está constituido por célu-las idénticas, con lo cual los valores de voltaje aparecen multiplicados por el número de células en serie, y los de corriente por el número de células en paralelo. En la práctica, debido a la dispersión de los parámetros de las células en el proceso de fabricación, y a la posibilidad de que no todas ellas trabajen en las mismas condiciones. Un ejemplo claro sería el caso en que, un campo de módulos fotovoltaicos de gran área, una parte del mismo estu-viese afectado por una nube y otra no, o el caso de un sistema integrado en un edificio en el cual una parte del mismo estuviera sombreado por edificios colindantes y el resto no. Algunos de estos efectos son evitables poniendo especial cuidado en el diseño del sistema, pero otros resultan impredecibles e inevitables, por lo que se ha de recurrir a protecciones en el sistema. Los dos efectos principales que produce esta dispersión de parámetros son:

• Reducción de la potencia máxima del campo.

• Algunas células pueden convertirse en cargas, disipando parte de la energía producida por las demás.

El primer efecto, el de dispersión de los parámetros, se conoce también con el nombre de pérdidas por desacoplo.

3.4 CAMPO FOTOVOLTAICO

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Los fabricantes de módulos suelen clasificar las células por categorías de forma que las que componen un mismo módulo no tengan una dispersión grande en sus valores de Isc, para minimizar estas pérdidas. De la misma manera operan con los módulos, los clasifican de acuerdo con la corriente en el punto de máxima potencia, para luego asociar en serie sólo módulos que estarían dentro de la misma categoría, suponiendo una considerable re-ducción de las pérdidas por desacoplo. En general estos factores están muy estudiados en base a los datos de producción de lotes de módulos fotovol-taicos, existiendo expresiones que relacionan los parámetros principales de los módulos con distribuciones estadísticas.

El efecto de sombreado parcial es en muchos casos inevitable, y puede pro-vocar que una célula sombreada invierta su polaridad convirtiéndose por lo tanto en una carga que disipará toda la energía producida por el resto de las células. Si la potencia disipada tiene un valor elevado la célula elevará su temperatura pudiendo llegar a su destrucción. Este fenómeno se conoce con el nombre de punto caliente, y para evitarlo se recurre a la inserción de protecciones (diodos).

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CLASIFICACIÓN DE

LAS INSTALACIONES

FOTOVOLTAICAS

Los distintos tipos de configuraciones

de instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar

en dos grandes grupos de instalaciones:

Instalaciones fotovoltaicas conectadas a red e

Instalaciones fotovoltaicas aisladas de la red

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4. CLASIFICACIÓN DE LAS

INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

Los distintos tipos de configuraciones de instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos gran-des grupos de instalaciones:

• Instalaciones fotovoltaicas aisladas de red

• Instalaciones fotovoltaicas conectadas a red

Figura 4.1: Esquema de instalación fotovoltaica aislada de red

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Primeramente encontramos las instalaciones ais-ladas de la red eléctrica, también llamados siste-mas autónomos fotovoltaicos. Son sistesiste-mas en los que la energía generada tiene un uso directo o se almacena en baterías para poder disponer de su uso cuando sea preciso. Estos sistemas se emplean sobre todo en aquello lugares en los que no se tie-ne acceso a la red eléctrica, y resulta más econó-mico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de consumo. Entre las posibles configuraciones de los sistemas fotovoltaicos autónomos, encontramos desde sis-temas simples, tales como un generador fotovol-taico (FV) operando con un consumo en DC (DC, corriente continua), hasta sistemas con almace-namiento y con consumos en DC o en DC+AC (AC, corriente alterna).

El hecho de incorporar un inversor en un sistema FV, para hacer posible la utilización de consumos en AC, acarrea una disminución en el rendimien-to de operación del sistema a potencias muy infe-riores a la potencia nominal del inversor, debido a la curva de rendimiento típico del inversor.

4.1 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

AISLADAS DE LA RED ELÉCTRICA

Figura 4.3: Esquema y componentes de una instalación fotovoltaica aislada de red

Debido a que los paneles solamente producen energía durante las horas de sol, y la energía es necesaria durante las 24 horas del día, tendremos que incluir un sistema de acumulación. Durante las horas de luz solar tendremos que producir más energía que la consumida, para así acumu-lar la restante y poder utilizarla cuando no se esté generando.

La energía eléctrica generada por conversión fo-tovoltaica se utiliza para cubrir una determinada demanda eléctrica en lugares remotos, aislados de la red eléctrica, y de este modo resultan com-petitivos respecto a los sistemas convencionales, tanto económicamente como por fiabilidad de su-ministro.

El cálculo de la cantidad de energía que se debe acumular viene determinado por las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad previsto. En zonas dónde el número de días solea-dos al año sea elevado, se tendrá que acumular poca energía. Si el periodo sin sol es suficiente-mente largo, se tendrá que acumular más canti-dad de energía.

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Debido a que los paneles solamente producen energía durante las horas de sol, y la energía es necesaria durante las 24 horas del día, tendremos que incluir un sistema de acumulación. Durante las horas de luz solar tendremos que producir más energía que la consumida, para así acumu-lar la restante y poder utilizarla cuando no se esté generando.

La energía eléctrica generada por conversión fo-tovoltaica se utiliza para cubrir una determinada demanda eléctrica en lugares remotos, aislados de la red eléctrica, y de este modo resultan com-petitivos respecto a los sistemas convencionales, tanto económicamente como por fiabilidad de su-ministro.

El cálculo de la cantidad de energía que se debe acumular viene determinado por las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad previsto. En zonas dónde el número de días solea-dos al año sea elevado, se tendrá que acumular poca energía. Si el periodo sin sol es suficiente-mente largo, se tendrá que acumular más canti-dad de energía.

El número de paneles a instalar debe calcularse considerando:

• La demanda energética en los meses más desfavorables.

• Las condiciones técnicas óptimas de orienta-ción e inclinaorienta-ción de los módulos, dependien-do del lugar de la instalación.

Para optimizar el sistema se requiere un cálculo correcto de la demanda, lo que evita el sobredi-mensionamiento de la instalación. Es aconsejable la utilización de electrodomésticos y de una ilu-minación de bajo consumo eléctrico, al igual que cualquier otro tipo de carga que se pretenda abas-tecer con la instalación fotovoltaica.

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Las principales aplicaciones de los sistemas aislados son:

- Electrificación de viviendas y edificios, principalmente para iluminación y electrodomésticos de baja potencia.

- Alumbrado público.

- Aplicaciones agropecuarias y ganaderas. - Bombeo y tratamiento de agua.

- Antenas de telefonía aisladas de la red. - Señalización y comunicaciones.

Otras instalaciones, cuyo número es notablemente inferior a las anteriores, son las instalaciones mixtas, en las que se complementa una instalación fo-tovoltaica aislada con otro tipo de recurso energético como pueden ser los grupos electrógenos o aerogeneradores.

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En segundo lugar encontramos las instalaciones conectadas a la red eléctrica, son sistemas en los que la energía generada se envía a la red eléctrica conven-cional para su distribución dónde sea demandada.

Esta aplicación se ajusta muy bien a la curva de demanda de la electricidad. Cuando más energía se genera por los paneles, es decir mayor cantidad de ra-diación solar, es cuando más electricidad se demanda. Al instalar un sistema FV conectado a la red, disponemos de una minicentral eléctrica que inyecta kWh verdes a la red, para que se consumen allí dónde los demanden.

Para que estas instalaciones sean técnicamente viables se requiere:

• La existencia de una línea de distribución eléctrica próxima, con capaci-dad para admitir la energía generada por la instalación fotovoltaica. • La determinación del punto de conexión con la compañía distribuidora. • Proyectar un sistema que incluya equipos de generación y transforma-ción de primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente garantizados y verificados por los fabricantes, de acuerdo a la legislación vigente.

• Una instalación realizada por un instalador especializado.

En las instalaciones conectadas a red, el tamaño de la instalación no está su-jeto al consumo de electricidad de la vivienda o edificio, lo que facilita consi-derablemente el diseño. Para dimensionar la instalación es obligatorio cono-cer la inversión inicial, el espacio disponible y la rentabilidad que se quiere lograr, puesto que el consumo de electricidad es totalmente independiente de la energía producida por los paneles FV.

4.2 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

CONECTADAS A RED ELÉCTRICA

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Algunas de las aplicaciones de estos sistemas son las siguientes:

Figura 4.7: Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos conectados a red

- Integración en edificios: Consiste en la sustitu-ción de elementos arquitectónicos convencio-nales por nuevos elementos arquitectónicos que incluyen el sistema de captación fotovoltaico, y que por lo tanto son generadores de energía. - Instalaciones en terrazas, tejados, etc.: Para

vi-viendas que dispongan de conexión a la red de distribución eléctrica. Se aprovecha la superficie del tejado para colocar los sistemas modulares de fácil instalación.

- Plantas de producción: Son aplicaciones de ca-rácter industrial que pueden instalarse en zonas rurales no aprovechadas para otros usos (huertos solares y cooperativas energéticas) o sobrepues-tas en grandes cubiersobrepues-tas de zonas urbanas (apar-camientos, zonas comerciales, edificios de la ad-ministración pública, etc.).

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En este caso práctico se justifica el diseño,

cálculo y dimensionado de una instalación fotovoltaica

conectada a la red de distribución, de tal manera

que esta instalación fotovoltaica está capacitada

para inyectar energía en la red eléctrica de distribución

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5. CASO PRÁCTICO

Debido al nivel de complejidad y de fundamentos teóricos que exigirían el desarrollo de un diseño y cálculo completo con alto nivel de detalle, con todos los elementos y equipamiento necesario para la instalación de este tipo, se resuelve este caso práctico basándonos en los métodos de di-mensionamiento fácilmente resolubles mediante cálculos manuales.

El diseño completo de una instalación, incluyen-do la selección de componentes, se llevará a cabo generalmente con programas informáticos de cál-culo, cómo es el caso de este curso apoyándonos en CYPELEC REBT. Con ayuda del programa, el di-seño y los cálculos serán más precisos y estarán justificados en todo momento.

En este caso trataremos de justificar el diseño, cál-culo y dimensionado de una instalación FV conec-tada a la red de distribución, de tal manera que

5.1 INTRODUCCIÓN

esta instalación FV está capacitada para inyectar energía en la red eléctrica de distribución, y tiene como misión principal la de abastecer a una vi-vienda unifamiliar aislada que existe en el mismo terreno dónde se encuentra el campo o generador FV. El diseño no incluye la etapa de acumulación de la energía producida.

Se supone que la parcela es lo suficientemente extensa, en cuanto a superficie se refiere, para al-bergar sin interferencia alguna el generador FV y la vivienda unifamiliar aislada. Tampoco existen obstáculos próximos al generador FV que provo-quen sombras sobre los módulos.

El terreno es llano, permitiendo una instalación de los módulos FV en horizontal sobre soportes fijos. La instalación trabajará en condiciones de orientación e inclinación de los módulos FV con valores óptimos, considerando el diseño para todo el periodo anual de producción energética.

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El emplazamiento de la instalación es la localidad de Rueda, en la provincia de Valladolid, España. La latitud del lugar es 41,66º y la longitud de -4,75º. El periodo de diseño para el que se proyecta la instalación FV es anual, aprove-chamiento energético durante todo el año.

Los datos de la irradiación del lugar según AEMET son los siguientes:

5.2 DATOS DE PROYECTO

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La estimación de la energía entregada a la red se realizará de acuerdo con la siguiente ecuación:

En cuanto al tipo de módulos del generador FV y el tipo de inversor, se utilizan los siguientes:

• Módulos fotovoltaicos:

Fabricante Eurener - Modelo PEPV-235 • Inversor:

Fabricante Ingecon Sun – Modelo 4,6 TL Se pretende instalar un generador FV de aproxi-madamente 5.500 Wp (5,50 kWp), conectando los módulos de tal manera que se encuentren dentro del rango de funcionamiento del inversor escogi-do para esta instalación.

El consumo de energía eléctrica promedio men-sual en la vivienda es de 275 kWh. Se estima que con la implantación del generador FV se puede ahorrar un 80% de consumo de la energía de red, que aproximadamente será una media de 220 kWh/mes.

Dónde:

G_dm (α,β) = Valor medio de la irradiación diaria sobre el plano del generador, a partir de los datos de irradiación sobre superficie ho-rizontal. En kWh/m2_{·día. Para obtener este}

dato se utiliza la siguiente ecuación:

(

)

₍

₎

día

kWh

G

PR

P

G

E

CEM m p dm p

,

/

,

⋅

=

α

β

P_mp = Potencia pico del generador solar en kWp. Dependerá del número de módulos de la instalación.

PR = Rendimiento energético, donde se estiman: perdidas cableados, transformadores, tem-peraturas módulos, disponibilidad instala-ción, suciedades, rendimientos equipos, etc. Se establece como valor medio 75 %.

G_cem = 1 kW/m2_{(Irradiación sobre los paneles en}

Condiciones Estándar de Medida).

(0)

G

1,15

)

,

(

G

dm

α

β

=

⋅

dm

El precio de la energía de consumo pagada a la compañía eléctrica distribuidora es de aproxima-damente 0,20 €/kWh, incluyendo impuestos y tér-minos fijos. La energía vertida a la red eléctrica en este caso no contempla remuneración alguna, ni tampoco está sometida al nuevo “Impuesto al sol” aprobado en el RD 900/2015 por tratarse de una instalación menor de 10 kWp. Sin embargo, debe registrarse la instalación y realizar todos los demás exigencias que exige el RD, incluyendo control de consumos.

Las comprobaciones que se pretenden realizar en este proyecto son las siguientes:

• Calcular la orientación e inclinación óptima de los módulos, así como la distancia entre ellos.

• Calcular el número de módulos necesarios para el equipamiento seleccionada

• Configuración de conexión del generador FV que sea compatible con inversor. Se facilitan los datos de la temperatura ambiente del em-plazamiento de la instalación para realizar las comprobaciones pertinentes. (Figura 3.5) • Calcular la potencia del generador FV

instala-do y la producción energética estimada entre-gada a la red y al autoconsumo (por día, por mes y anual).

• Valorar el rendimiento económico con núme-ros aproximados. Se estima que la inversión de esta instalación FV es de 2,0 €/Wp. Para el autoconsumo de la vivienda se ha estimado, según histórico de facturas y los tipos de car-gas de consumo dentro de la vivienda, que la energía promedio mensual consumida en el periodo de producción energético (periodo diario en el que existe radiación solar). (Figu-ra 3.6)

(28)

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Figura 5.4: Características técnicas inversor: modelo 4,6 TL

(30)

En nuestro caso, según el apartado 4.1.2. “Orien-tación e inclinación y sombras” del Pliego de Con-diciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red del IDAE, como se comenta en el enunciado no hay restricción para la orientación e inclina-ción de los módulos, y además no existe posibili-dad de sombras.

Como se comenta en los contenidos del temario, en nuestras latitudes, la orientación óptima de los módulos fotovoltaicos es hacia el Sur, por lo que como no tenemos limitación los colocaremos ha-cia el Sur (α = 0º).

Del mismo modo, la inclinación óptima (β) de los módulos fotovoltaicos depende de la latitud del lugar (ϕ) donde se van a instalar y del período de producción escogido, empleando una inclinación comprendida entre los +10º y -20º, más o menos respecto la latitud. El criterio según el período de producción escogido es:

• Invierno: ϕ + 10º • Verano: ϕ – 20º • Anual: ϕ – 10º

Como tenemos los paneles orientados hacia el Sur y no tenemos limitaciones, buscaremos el ángu-lo de inclinación óptimo que no suponga pérdida alguna. De esta forma, siguiendo los pasos que se indican en el Anexo II del PCT del IDAE, para una latitud de ϕ = 41,66º como en nuestro caso, tene-mos que:

β = ϕ – 10º = 41,66º - 10º = 31,66º

5.3 COMPROBACIONES

5.3.1 CALCULAR LA ORIENTACIÓN E

INCLINACIÓN ÓPTIMA Y LA DISTANCIA ENTRE MÓDULOS

De esta forma llegamos a la conclusión de que la orientación e inclinación óptima de los módulos fotovoltaicos es:

α_opt = 0º β_opt = 31,66 º

La distancia entre módulos se realiza según el método especificado en el Anexo III del PCT del IDAE. Para ello debemos realizar unos cálculos iniciales partiendo de los datos que tenemos de antemano: inclinación de los módulos β = 31,66º y altura de los módulos 1676 mm (dimensiones se-gún Figura 3.3).

Para calcular h del Anexo III, tenemos que:

h = Largo panel (l) · sen β = 1676 · sen (31,66º) = = 1676 x 0,5248 = 880 mm

La distancia mínima entre los módulos, para que no generan sombras entre sí, será de esta forma tal que:

d = h / tan (61º - Latitud) = 880 mm / tan (61º - 41,66º) = 2507,27 mm

d_min = 2,50 m

(31)

Para estimar el número de módulos, hay que recordar que la potencia no-minal del inversor debe ser aproximadamente el 80% de la generada por los módulos. La cifra de 5,50 kWp es una primera estimación, y resulta conve-niente ceñirse a la potencia de los inversores y módulos para conseguir una configuración equilibrada.

Para la instalación se ha seleccionado un inversor con una potencia nomi-nal inferior a 5 kW, con lo cual se podrá realizar la conexión de salida en modo monofásico.

Según los datos facilitados por el enunciado de esta práctica, debemos te-ner en cuenta que debemos dimensionar un gete-nerador fotovoltaico de 5,50 kWp aproximadamente. Según los datos de la ficha técnica de los módulos a instalar, la potencia de cada módulo es de 235 Wp, y teniendo en cuenta que la potencia nominal del inversor debe ser aproximadamente el 80% de la generada por los módulos tenemos que:

Potencia nominal inversor = 0,8 x Potencia módulos (P_n = 0,8 x P_mp) P_mp = P_n / 0,8 = 4.600 / 0,8 = 5.750

Wp del campo de módulos por inversor P_mp = 5.750 Wp del Generador FV

Como sabemos que potencia de cada módulo es de 235 Wp: 5.750 Wp / 235 Wp módulo = 24,46 módulos

Debemos redondear a un número entero inferior de la parte decimal (si re-dondeamos a un número entero superior no cumpliríamos la condición de potencia nominal mínima del inversor seleccionado), por lo que debemos colocar 24 módulos.

La solución sería de 24 módulos con una potencia total del generador fotovltaico de:

24 x 235 Wp = 5.640 Wp = 5,64 kWp

5.3.2 CALCULAR EL NÚMERO DE MÓDULOS NECESARIOS

(32)

Para plantear una solución con la configuración de los módulos que forman el generador FV, debemos recordar que las agrupaciones en serie suman tensión y trabajan con la misma intensidad, mientras que en paralelo se suma intensidad y se trabaja con la misma tensión.

Para la conexión de entrada al inversor, lo recomendable sería diseñar la combinación de serie – paralelo de módulos con la que podemos entrar al inversor dentro del intervalo de tensión permitida al igual que la intensidad máxima de funcionamiento.

Se plantea una solución en la que se instala un único inversor para el gene-rador FV, es decir, tenemos una potencia total de 5.640 Wp formada por 24 módulos para ese inversor. Ahora buscamos la configuración más adecuada para no sobrepasar la tensión e intensidad máxima de entrada del modelo de inversor seleccionado.

La configuración de 24 módulos (serie – paralelo) no debe sobrepasar los límites establecidos por el inversor:

• Mínima tensión - Máxima tensión: 125 - 450 V • Máxima intensidad: 33 A

Sabiendo que por módulo tenemos un voltaje máximo de 30,07 V e una in-tensidad máxima de 7,83 A, a priori, a la espera de realizar todas las com-probaciones, podríamos plantear las siguientes configuraciones posibles:

• Opción 1:

2 filas o ramas (ramas conectadas en paralelo) de 12 módulos (en serie) = 24 módulos

• Opción 2:

3 filas o ramas (ramas conectadas en paralelo) de 8 módulos (en serie) = 24 módulos

Debemos verificar las siguientes comprobaciones para cada una de las op-ciones propuestas:

• Tensión y corriente en el punto de máxima potencia (PMP). • Corrección de tensión y corriente debido a la temperatura. 5.3.3 CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN

(33)

Tensión máxima pico del módulo (V_pmp):

12 módulos en serie (se suma la tensión) 12 x 30,7 V = 360,84 V < 450 V (inversor)

Intensidad máxima potencia del módulo (I_pmp):

2 filas o ramas (12 módulos en serie cada fila) conectadas en paralelo: se suma la intensidad correspondiente a cada fila de 12 módulos 2 filas x 7,83 A = 15,66 A < 33 A (inversor)

Opción 1

Tensión y corriente en el punto de máxima potencia (PMP)

cumple cumple

(34)

En la Figura 3.5 se pueden consultar los valores de la temperatura ambiente para cada uno de los meses, dónde encontramos los valores pésimos para verano en el mes de Julio con 21,64 ºC y para invierno en el mes de Enero con 4,24 ºC. Con estas temperaturas ambiente, la temperatura de célula será distinta a 25 ºC, valor considerado como condición estándar de medida y para el cual se muestran los parámetros fundamentales de los paneles o módulos solares.

En cuanto a la temperatura ambiente para verano, apenas existe diferen-cia con la temperatura ambiente de 20 ºC de las condiciones estándar. Para inverno la diferencia de temperaturas es más notable. Las temperaturas ambiente de invierno y de verano apenas modificarán los valores estándar de medida, ya que no se trata de condiciones extremas, y además los coefi-cientes correctores de temperatura (tensión a circuito abierto y corriente de cortocircuito) para los módulos seleccionadas son muy bajos, por lo que las variaciones son poco notables como se demuestra a continuación.

Temperatura ambiente de 21,64 ºC en Julio:

T_c= T_amb+ ( (T_ONC- 20) / 800 ) · E T_c= 21,64 + ( (44 - 20) / 800 ) · 1000 = 51,64 ºC V_{oc (X ºC)}= V_oc (25 ºC) · [1 + (ΔT · β_V_oc)] V_{oc (51,64 ºC)} = 37,32 · [ 1 + (51,64 - 25) · (- 0,00312)] = 34,21 V I_{sc (X ºC)} = I_{sc (25 ºC)} · [1 + (ΔT · α_I_sc)] I_{(sc (51,64 ºC)} = 8,40 · [1 + (51,64 - 25) · (0,00075)] = 8,56 A

Temperatura ambiente de 4,24 ºC en Enero:

T_c = T_amb + ( (TONC - 20) / 800 ) . E T_c = 4,24 + ( (44 - 20) / 800 ) . 100 = 7,24 ºC V_{oc (X ºC)} = V_{oc (25 ºC)} . [ 1 + (ΔT.β_V_oc) ] V_{oc (7,24 ºC)} = 37,32 . [ 1 + (7,24 - 25) . (-0,00312) ] = 39,38 V I_{sc (X ºC)} =I_{sc (25 ºC)} . [ 1 + (ΔT . α_I_sc) ] I_{sc (7,24 ºC)} = 8,40 . [ 1 + (7,24 - 25) . (0,00075) ] = 8,29 A Tensión máxima a circuito abierto del módulo (V_oc),

valor más desfavorable para Enero:

12 módulos en serie (se suma tensión) 12 x 39,38 V = 472,56 V > 450 V (inversor)

Intensidad máxima de cortocircuito del módulo (I_sc), valor más desfavorable para Julio:

Opción 1

Corrección de tensión y corriente debido a la temperatura

no cumple

(35)

Tensión máxima pico del módulo (V_pmp):

8 módulos en serie (se suma tensión) 8 x 30,7 V = 245,6 V < 450 V (inversor)

Intensidad máxima potencia del módulo (I_pmp): 3 filas o ramas

(8 módulos en serie cada fila) conectadas en paralelo:

se suma la intensidad correspondiente a cada fila de 8 módulos 3 filas x 7,83 A = 23,49 A < 33 A (inversor)

Nota: Consultar los valores calculados para la Opción 1, son los mismos valores.

Tensión máxima a circuito abierto del módulo (V_oc), valor más desfavorable para Enero:

8 módulos en serie (se suma tensión) 8 x 39,38 V = 315,04 V < 450 V (inversor)

Intensidad máxima de cortocircuito del módulo (I_sc), valor más desfavorable para Julio:

Opción 2

Tensión y corriente en el punto de máxima potencia (PMP)

Opción 2

Corrección de tensión y corriente debido a la temperatura

Solución

La Opción 2 es la correcta para el diseño de la instalación ya que cumple

con todas las limitaciones impuestas por normativa.

cumple

(36)

Con la configuración de la Opción 2 de diseño, tenemos un total de 24 pane-les (3 ramas de 8 panepane-les en serie: 24 módulos), por lo que la potencia pico de la instalación para el modelo escogido es de 5.640 Wp (5,46 kWp).

La estimación de la energía entregada a la red se realizará de acuerdo con la siguiente ecuación:

Dónde:

G_dm (α,β) = valor medio de la irradiación diaria sobre el plano del generador, a partir de los datos de irradiación sobre superficie horizontal. En kWh / m2 _{·día . Para obtener este dato se utiliza la siguiente ecuación:}

P_mp = Potencia pico del generador solar en kWp. Dependerá del número de módulos de la instalación.

PR = Rendimiento energético, donde se estiman: perdidas cableados, trans-formadores, temperaturas módulos, disponibilidad instalación, sucie-dades, rendimientos equipos, etc. Se establece como valor medio 75 %. G_cem = 1 kW/m2_{(Irradiación sobre los paneles en Condiciones Estándar de}

Medida).

Teniendo en cuenta que para la estimación de estos resultados se establece un valor promedio aceptable para el rendimiento energético (PR = 0,75) de la instalación, los resultados de cálculo son los siguientes:

5.3.4 POTENCIA Y PRODUCCIÓN ENERGÉTICA ESTIMADA DEL GENERADOR FV

(

)

₍

₎

día

kWh

G

PR

P

G

E

CEM mp dm p

,

/

,

⋅

=

α

β

(0)

G

1,15

)

,

(

G

dm

α

β

=

⋅

dm

(37)

Se estima una inversión de 2,0 €/Wp instalación FV totalmente ejecutada y funcionando, aunque se podría considerar un coste económico menor. Los precios de los paneles FV han bajado estos últimos años drásticamente, au-mentando el rendimiento energético de los mismos y todos los demás facto-res que contribuyen a una mayor eficiencia.

Para la valoración económica comparamos el precio total de la instalación con lo que nos produce anualmente. Dentro del total de producción anual nos fijamos en la cantidad de energía solar aprovechada para autoconsumo. De esta manera podemos deducir cuántos años necesitamos para amorti-zarla.

Suponemos el caso en el cual no se necesita financiación alguna de la insta-lación para su ejecución y puesta en marcha, de esta forma quedan los cál-culos como se refleja en los siguientes pasos. Tampoco se tienen en cuenta los costes de mantenimiento anuales de la instalación FV.

Coste de la instalación:

2,0 €/ Wp x 5.640 Wp (instalados) = 11.280 €

En la siguiente tabla se pueden extraer datos de la producción energética total de generador FV, la producción destinada a autoconsumo y la produc-ción inyectada a red:

5.3.5 VALORACIÓN DEL RENDIMIENTO ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN

(38)

Aprovechamiento para autoconsumo de la Producción anual – Rendimiento económico: Para todos los meses se produce energía (Ep FV) por encima del valor estimado de consumo diario en periodo de radiación solar (Consumos facturas), excepto para el mes de Diciembre.

Suponiendo un precio medio de la energía de 0,20 €/kWh (con impuestos incluidos), en función de la energía estimada consumida anual, se obtiene un ahorro total mensual y anual de:

43,62 €/mes x 12 meses = 523,44 €/año

Finalmente se obtienen los años necesarios para amortizar la inversión:

(39)

Video 3: Resolución del caso práctico mediante CYPELEC REBT

5.4 CÁLCULO CON EL PROGRAMA CYPELEC REBT

CYPELEC REBT es un programa basado en la aplicación del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, creado para asistir al proyectista de instala-ciones eléctricas en el diseño, cálculo y dimensionamiento de las líneas en BT para cualquier tipo de proyecto eléctrico.

Este software realiza de forma rápida y eficaz el cálculo, comprobación y di-mensionado de instalaciones eléctricas en baja tensión para viviendas, loca-les comercialoca-les, oficinas, instalaciones generaloca-les de edificación e industrias. El programa genera automáticamente el Proyecto de la Instalación, la Me-moria Técnica de Diseño y el Certificado de la Instalación con el formato proporcionado por diferentes comunidades autónomas, además permite dibujar esquemas de la instalación y realizar el diseño de los cuadros de mando y protección.

A continuación se realiza el cálculo del caso práctico analizado anterior-mente mediante el programa CYPELEC REBT de Cype Ingenieros. Al realizar el cálculo con un software específico se obtiene de una manera sencilla y fia-ble la justificación de los cálculos correspondientes a la normativa relativa a instalaciones fotovoltaicas.

(40)

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