Enginyeria Tècnica Superior en Tecnologies Industrials
Abastiment d’energia fotovoltaica en una nau industrial
MEMÒRIA
Autor: Gerard Sánchez Gómez Director: Marc Cheah Mañe
Convocatòria: Gener 2022
Escola Tècnica Superior
d’Enginyeria Industrial de Barcelona
Resum
El progrés tecnològic governat al llarg dels últims temps, ha generat implícitament una gran demanda energètica precisament per poder dur-lo a terme. Durant aquest temps aquesta demanda ha sigut coberta a partir d’energies fòssils Les energies fòssils ens faciliten una gran quantitat d’energia però al mateix temps, generen un gran impacte sobre la societat.
Per aquest motiu, s’està intentant promoure l’ús les energies renovables, una font d’energia amb millor petjada i més econòmica.
Una de les fonts energètiques renovables més abundants és la solar. L’energia solar, encara amb un gran marge de millora, no només ens permet cobrir la demanda elèctrica a partir de l’energia fotovoltaica sinó, ens permet cobrir demandes com pot ser la tèrmica.
En l’actual projecte realitzarem un estudi exhaustiu, sota els punts de vista energètic i econòmic, sobre com cobrir la màxima demanda elèctrica possible d’una nau industrial, particularment d’Estampados Jiménez S.A., a partir d’energia solar fotovoltaica, dissenyant la seva coberta a partir de panells fotovoltaics .
Al projecte podrem observar un estudi íntegre de com haurà de ser el disseny de la coberta, com haurà de ser tota la instal·lació, el manteniment que haurà de tenir, un balanç energètic per veure el rendiment i un estudi econòmic per veure la seva viabilitat.
Sumari
SUMARI _____________________________________________________ 5
1. INTRODUCCIÓ ____________________________________________ 9
1.1. Origen del projecte ... 9
1.2. Objectius del projecte ... 10
1.3. Abast del projecte ... 10
2. EMPRESA _______________________________________________ 11 2.1. Estudi climatològic ... 11
2.2. Estructura ... 13
2.3. Ocupació ... 14
2.4. Demanda energètica ... 14
2.5. Tarifa elèctrica ... 16
3. ENERGIA SOLAR ________________________________________ 18 3.1. Situació actual ... 18
3.2. Panell solars ... 19
3.2.1. Principi de funcionament ... 19
3.2.2. Tipus de cel·les ... 20
3.2.3. Especificacions ... 21
3.3. Suports ... 23
3.3.1. Sòl inclinat ... 23
3.3.2. Sòl pla ... 24
3.4. Inversors ... 25
3.4.1. Principi de funcionament ... 25
3.4.2. Tipus d’inversors ... 26
3.4.3. Especificacions ... 28
3.5. Bateries ... 29
3.6. Dispositius de seguretat ... 30
3.6.1. EVA ... 30
3.6.2. Fusibles ... 31
3.6.3. Interruptor magnetotèrmic ... 31
3.6.4. Interruptor diferencial ... 32
3.7. Cablejat ... 32
3.8. Eficiència ... 33
4. DISSENY ________________________________________________ 35
4.1. Modalitat d’instal·lació ... 35
4.2. Panells solars ... 36
4.2.1. Potència màxima ... 36
4.2.2. Número de panells ... 36
4.2.3. Placa solar ... 37
4.2.4. Eficiència... 38
4.3. Suports ... 43
4.4. Inversor ... 44
4.5. Dimensionament ... 45
4.5.1. Agrupament de plaques fotovoltaiques ... 45
4.5.2. Ombres ... 48
4.5.3. Disseny de la instal·lació ... 48
4.6. Bateries ... 49
4.7. Cablejat ... 50
4.7.1. Cablejat Corrent Continu ... 50
4.7.2. Cablejat Corrent Alterna ... 54
4.7.3. Dimensionament del cablejat ... 57
4.8. Dispositius de protecció ... 58
4.8.1. Fusibles ... 58
4.8.2. Quadre Proteccions Alterna ... 58
4.9. Simulació ... 59
4.9.1. Programació ... 59
4.9.2. Balanç energètic ... 62
4.9.3. Eficiència simulada ... 66
4.9.4. Balanç econòmic ... 67
5.9.4.1 Pressupost ... 71
4.9.5. Petjada Ecològica ... 72
CONCLUSIONS ______________________________________________ 73
AGRAÏMENTS _______________________________________________ 75
BIBLIOGRAFIA_______________________________________________ 76
Referències bibliogràfiques ... 76
1. Introducció
1.1. Origen del projecte
L’origen de l’actual projecte es basa en dos principals motius els quals no estan relacionats entre si mateixos. Els dos motius són el gran augment del preu de l’electricitat durant aquest últim període de temps i el segon, promoure l’abastiment d’energia elèctrica a partir de fonts renovables per tenir el menor impacte mediambiental.
El gran augment del preu de l’electricitat s’ha donat lloc sobretot en aquest últim any, justament tot seguit d’estar superant la pandèmia. Per aquest motiu, ser el més auto suficient possible a partir d’una energia renovable, milloraria la situació econòmica de l’empresa.
Més a més, cada cop hem d’estar més conscienciats amb el medi ambient i podem veure que si no el respectem, l’únic que fem és empitjorar la nostre qualitat de vida. Per tant, busquem la manera de reduir l’abast d’energia a partir de combustibles fòssils.
Donada la nostre situació geogràfica i climatològica, Espanya té la possibilitat d’explotar al màxim l’energia solar. És per aquesta raó, que basarem aquest projecte en abastir el màxim possible de la demanda elèctrica a partir de l’energia solar fotovoltaica.
Figura 1. Irradiació solar a Europa [1]
1.2. Objectius del projecte
Aquest projecte té com a finalitat profunditzar sobre les energies renovables, en aquest cas, ens centrarem en l’energia fotovoltaica. Encara que ja no és una energia del tot emergent, la població no fa gaire us del seu gran potencial, és per aquest motiu que volem intentar donar a conèixer la gran aportació que pot arribar a prestar a partir d’aquest projecte, que té com a objectius:
• Realitzar un estudi tècnic i teòric.
• Realitzar el dimensionament d’una coberta.
• Realitzar un estudi energètic.
• Realitzar un balanç econòmic.
1.3. Abast del projecte
En aquest projecte, abans d’exposar la solució suggerida, es realitzarà una breu introducció al sector de l’energia solar.
Tractarem de realitzar l’òptim disseny de la instal·lació, investigant els seus components i els seus respectius manteniments.
A més a més, tractarem l’àmbit econòmic per donar lloc als primers indicadors els quals comporten la decisió de si es realitza el projecte dissenyat.
Per finalitzar, s’elaborarà un estudi mediambiental per veure com hem millorat la petjada ecològica després de realitzar la instal·lació.
2. Empresa
2.1. Estudi climatològic
Per realitzar aquest projecte, primer de tot hem de fer un estudi climatològic de la localització on es troba situada la nau industrial d’Estampados Jiménez S.A., ja que depenent de la seva situació cobrarà o deixarà de tenir sentit.
La nau es troba situada a Pineda de Mar, província de Barcelona. Amb una latitud de 41.626º i una longitud de 2.667º. Per tant, ens trobem davant un clima mediterrani. Com podem veure a la Figura 2, els hiverns no són molt freds, arribant a temperatures mínimes mitjanes de 12 ºC. En quant a l’estiu, assoleixen unes temperatures mitjanes de 24 ºC, encara que a les hores de màxima radiació superem normalment els 27ºC. Al llarg de l’any es presenta un gran valor d’humitat relativa
Figura 2. Gràfic de temperatures al 2020. [2]
El factor més determinant per conèixer el rendiment que hi haurà, és la irradiació solar que n’hi ha durant l’any. Com podem veure a la imatge posterior extreta del programa Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), programa oficial de la Comissió Europea, observem a la Figura 3 que la irradiació mitja per cada mes exactament a l’empresa, oscil·la entre una mínima en els mesos més freds de 117 KWh/m2 i una màxima de 210 KWh/m2 a l’estiu.
Figura 3. Gràfic d’irradiància solar mensual [2]
Introduint la latitud, la longitud, la inclinació i la orientació al PVGIS, podem obtenir informació sobre la irradiància global, la temperatura i la velocitat del vent horàriament en el lloc exacte on volem col·locar les plaques.
A més a més, ens permet saber quina seria la inclinació òptima, que en aquest cas seria de 37º. Per una altre banda, l’angle d’azimut obtingut, que és qui marca l’orientació de les plaques, ha sigut de -9º. Posteriorment, comentarem si respectarem les dades obtingudes a partir de la simulació o decidirem realitzar un altre disseny que s’apropi al màxim a l’optimització.
2.2. Estructura
L’empresa on es realitzarà el disseny de les plaques solars, es va construir al 1980.
Aquesta, està formada per 3 naus industrials contigües entre elles. Les tres naus tenen unes dimensions bastant similars. Segons la Sede Electrónica del Catastro, cada nau té una superfície de 1.860 m2, 1.012 m2 i 1.225 m2 respectivament, fent un total de superfície construïda de 4.097 m2.
Figura 4. Imatge nau industrial.
Al ser tres naus contigües, la tractarem com una sola nau conjunta, però cada nau té una coberta a dos aigües (dues inclinacions), amb una inclinació de 13º amb la mateixa orientació, la qual és 45º a l’oest (sud-oest). Al ser una nau industrial, podem observar que la coberta té moltes xemeneies que dificultaran la instal·lació òptima donat que eliminen superfície útil per col·locar plaques i generaran ombres que reduiran el rendiment d’aquestes.
2.3. Ocupació
Estampados Jiménez és una empresa que està en el sector industrial tèxtil, es dedica a partir de la compra de matèria prima semielaborada en forma d’extenses bobines de diferents teixits, a estampar el disseny proporcionat pel majorista. Per aquesta raó, és una empresa que té una gran demanda energètica, donat que per poder realitzar la seva activitat, necessiten l’ús de gran maquinària com poden ser vaporitzadors, calderes, estampadores digitals etc..
Com s’ha esmentat anteriorment, l’empresa està composta per tres naus conjuntes i de similars dimensions. La distribució d’aquesta és bastant similar, donat que les dues més grans estan compostes majoritàriament només per maquinaria i la de menor mida, està més focalitzada en l’emmagatzematge però també té certa maquinària. Per una altre banda, com es podrà observar posteriorment, tindrem accés al consum total de tota l’empresa, per tant, no diferenciarem entre naus i el dimensionament dissenyat serà orientat per abastir tota l’empresa.
2.4. Demanda energètica
Al ser una empresa que treballa amb una maquinaria tan pesada i amb una necessitat energètica tan gran, seguidament podrem veure l’elevat consum horari que genera aquesta nau industrial.
Per fer l’estudi de la demanda energètica, ens hem basat a partir de les dades de consum horari que ens ha proporcionat l’empresa de tot l’any 2019, el previ a la pandèmia, perquè sigui representatiu. Cal puntualitzar que l’empresa treballa les 24 hores del dia.
Figura 5. Corba de consum jornada laboral.
En la Figura 5, podem observar la corba de consum durant les jornades laborals.
L’he realitzat a partir del promig de consum per hores i per cada mes de l’any a partir d eles dades que m’ha proporcionat l’empresa. Analitzant la corba, es pot percebre que les hores de màxim consum són aproximadament de 7:30 hores fins les 20:00 hores, amb un consum pic de 0,2572 MWh. És degut a que, encara que la fàbrica treballi les 24 hores del dia, l’empresa es reparteix en 3 torns. Els torns de màxima producció són els dels matins i tardes, els de la nit realitzen senzills treballls de producció en sèrie e higienització de les màquines. El seu consum mínim és de 0,1343 MWh.
Figura 6. Corba de consum díes no laborals.
En aquesta corba, es contempla com els díes no laborals, que són els cap de setmana, el consum és notòriament més baix que durant la setmana, excepte les primeres hores del dia, que és quan acaba de treballar el torn de nit, observant que el seu consum màxim i mínim són de 0,08646 MWh i 0,02734 MWh. Durant els caps de setmana, ho més sovint és que es realitzin tasques de manteniment. Poques vegades es realitzen tasques de producció.
2.5. Tarifa elèctrica
L’empresa on dimensionarem la nostre instal·lació fotovoltaica, al necessitar una gran quantitat d’energia, està sota unes tarifes elèctriques regulades per l’Estat, que divideix segons les hores del dia i del mes en períodes. Estampados Jiménez té contractada la tarifa 6.1TD, on a la taula següent veurem com s’organitza horàriament durant l’any.
Figura 7. Taula tarifa elèctrica 6.1TD [3]
Posteriorment, podem observar el preu per cada període de la tarifa 6.1TD:
Període Preu (€/kWh)
P1 0,096999
P2 0,083679
P3 0,073309
P4 0,065414
P5 0,063312
P6 0,054533
Taula 1. Preu per període tarifa 6.1TD
3. Energia solar
3.1. Situació actual
Avui en dia, degut a diversos factors com el conscienciament de la societat per la obvietat del canvi climàtic, l’augment continu del preu de la llum a les subministradores de llum, l’emergent ajuda que van prestant les forces polítiques i altres factors, originen que les energies renovables vagin tenint cada cop més pes a l’hora de cobrir la demanda energètica sol·licitada per la societat.
A Espanya l’energia solar és la tercera energia renovable més aprofitada, tot seguit de l’energia hidràulica, que genera una gran quantitat d’energia elèctrica amb les centrals hidroelèctriques, i l’energia eòlica.
Com és una energia renovable que té un impacte mediambiental menor que l’energia hidroelèctrica i el seu recurs, el Sol, és una font inexhaurible i es pot aprofitar a qualsevol emplaçament, està previst que per 2050, constitueixi la segona font d’energia renovable més utilitzada, la primera seria la eòlica. [4]
Més a més, l’energia solar no només es pot aprofitar com ho veurem en aquesta memòria a partir de l’energia fotovoltaica, sinó que és molt utilitzada també com font d’energia tèrmica. Mitjançant uns captadors tèrmics, la idea és escalfar un fluid i que permeti generar una gran quantitat de calor i així, es pugui transformar en energia elèctrica a partir de turbines o en sí mateix aprofitar el propi calor del fluid per algun determinat interès.
3.2. Panell solars
3.2.1. Principi de funcionament
Els panells solars, són els principals autors de la conversió de l’energia solar, a partir de la radiació pròpia del sol, a energia elèctrica i així poder fer us d’ella per l’autoconsum o enviar-la a la pròpia xarxa elèctrica.
Els panells estan formats per un conjunt de cel·les fotovoltaiques que en sí estan formades per dues capes de dos semiconductors diferents. La capa superior que té contacte amb el sol és de tipus N i la inferior es de tipus P. És a dir, la superior és dopada perquè estigui carregada negativament amb excés d’electrons (Tipus N), i la inferior és dopada perquè estigui carregada positivament amb excés de forats portadors (Tipus N). Per tant, quan s’ajunten aquests dos materials formen una junta denominada PN on es generarà un camp elèctric. [5]
Figura 8. Funcionament cel·la fotovoltaica. [6]
La conversió d’energia solar a elèctrica es s’origina a partir de l’efecte fotovoltaic. Aquest es basa en la incidència dels fotons provinents de la radiació solar sobre el silici, extraient-li un electró, tot així generant un forat portador i un electró lliure. Aleshores, la funció de la cel·la és reorganitzar aquests electrons en el semiconductor tipus N i els forats en el P, originant la major diferència de potencial possible.
Una cel·la independent, generaria molt poca tensió, és per aquest motiu, que es creen els panells solars. Estan composats d’una agrupació de cel·les fotovoltaiques que es connecten entre elles en sèrie, organitzades en files i en paral·lel organitzant-se en agrupacions de files.
Més a més, en un panell solar torbarem diferents components en que la seva finalitat no és més que augmentar el rendiment del panell i protegir-lo dels possibles agents exteriors a les que es trobarà exposat, com són vidres i marcs.
3.2.2. Tipus de cel·les
En l’actualitat existeixen varis tipus de cel·les fotovoltaiques però nosaltres només estudiarem aquelles que poden tenir possibilitat en el nostre projecte. Ens basarem en les de silici i bàsicament les diferenciarem per la seva estructura cristal·lina.
Monocristal·lí
És el tipus amb més longevitat al mercat, però a diferència dels altres, comporta un alt temps de producció i un major cost donat que requereix gran quantitat d’energia la seva producció. Són elaborades, a partir de silici pur fos dopat amb algun material com el bor, per un sol cristall de silici originant que tingui una estructura uniforme. Presenten un alt rendiment i major vida útil. Per una altre part, són sensibles a les ombres.
Policristal·lí
És un material que es forma a partir del reciclatge d’altres elements electrònics sense vida útil. La seva estructura està composta per multi cristalls i no té un gran ordre però no és totalment desordenada com podem veure amb l’amorfa. Al ser elaborat d’aquesta manera, presenta un menor cost que les cel·les monocristal·lines però també té un menor rendiment.
Amorf
Aquest material presenta una estructura no cristal·lina totalment desordenada. La seva elaboració necessita molt poca demanda energètica degut a que es realitza a baixes temperatures. Això també ocasiona que es creïn cèl·lules primes, flexibles i complexes. Tenen un rendiment baix pel que probablement es descartin però són molt respectuoses amb el medi ambient, és per aquest motiu que es tenen en compte.
3.2.3. Especificacions
És important, a l’hora d’elegir les plaques solars, conèixer quines són les propietats tècniques que podem trobar a les fitxes tècniques i saber si s’adapta a les nostres necessitats o no.
Aquests paràmetres estan estandarditzats a partir de dues circumstàncies perquè les fitxes tècniques proporcionin les mateixes dades. La primera (STC) estima que rep una irradiància de 1000 W/m2, una temperatura de la cel·la de 25ºC i una distribució espectral de AM 1,5G. La segona (NOCT), estima que rep una irradiància de 800 W/m2, una temperatura ambient de 20ºC, una distribució espectral AM 1,5G i una velocitat del vent de 1 m/s.
Les especificacions més importants a tenir en compte que trobarem en una fitxa tècnica són aquestes:
• Potència màxima (Pmax): Determina la potència màxima que pot assolir la placa solar en aquelles condicions. Es mesura en Watts per pic (Wp)
• Voltatge en situació de màxima potència (Vmp): És la tensió que proporcionarà en el moment en que la placa subministri la potència màxima.
• Intensitat en situació de màxima potència (Imp): És la intensitat que proporcionarà en el moment en que la placa subministri la potència màxima.
• Intensitat de curtcircuit (Icc): Indica la màxima intensitat possible que pot oferir la placa solar, donat que es mesura des dels propis borns de la placa sense que hi hagi resistència. Es produeix quan la tensió de la cel·la és a 0 Volts.
• Voltatge en circuit obert (Vca): Indica la màxima tensió possible que pot oferir la placa solar. Com el Icc s’ha de mesurar sense ninguna càrrega connectada.
• Eficiència: Aquest paràmetre indica el rendiment de la placa solar. És a dir, indica la quantitat de potència radiant transforma en elèctrica.
• Tolerància: Aquest valor pot ser positiu o negatiu i indica la dispersió de la potència que presenten els seus panells solars degut a que el procés de fabricació no és idèntic.
Més a més, a la fitxa tècnica observarem que ens proporcionen aquests paràmetres a partir d’un gràfic com l’adjuntat posteriorment.
Figura 9. Corba I-V i P-V. [7]
3.3. Suports
Tota instal·lació de plaques solars necessita l’assistència d’un suport, per aquest, proveir-li la inclinació i la orientació dissenyada a la solució, buscant sempre el màxim rendiment. Més a més, també ha d’aportar una subjecció per poder afrontar qualsevol situació climatològica adversa que se li presenti.
El més important a l’hora d’elegir el material del suport que t’ha de fixar la instal·lació, és que tingui una gran resistència a la corrosió, donat que volem que tingui una gran durabilitat i al estar en contacte amb l’exterior, la humitat i les pluges no resistiria. Per una altre part, és necessari que tingui una bona residència mecànica perquè dongui seguretat a la instal·lació i no pugui patir alteracions en la inclinació i orientació. Per tant, el material més utilitzat és l’alumini i per algunes petites components, l’acer galvanitzat per donar major resistència.
La raó principal d’escollir quin tipus de suport s’utilitzarà, és el tipus de sòl on es dissenyi la instal·lació. Principalment ens trobarem davant aquestes dues situacions: sòl inclinat i sòl pla.
3.3.1. Sòl inclinat
Generalment, en un sòl inclinat l’únic suport que s’utilitza és el de fixació. S’aprofita directament la inclinació de la coberta en aquest cas, és a dir, la instal·lació fotovoltaica seria coplanar. Això provoca una reducció del rendiment de les plaques, ja que no t’apropes a la inclinació òptima.
Les cobertes més comuns que trobem en el dia a dia són: Cobertes de teula, cobertes de pissarra i cobertes de xapa.
En les cobertes de teula el més comú és que s’utilitzi el mètode de la vareta roscada.
Consisteix en perforar les teules fins arribar a la coberta i introduir unes varetes que fixaran la placa solar amb la coberta.
En les cobertes de pissarra, com és un material fràgil, s’utilitza una estructura amb ganxos. Aquest mètode evita les teules i es fixa directament amb la coberta sense realitzar cap foradat. Un cop fixat el suport, les plaques solars es fixarien sobre els ganxos sortints.
Per finalitzar, les cobertes de xapa, depèn de la forma que tingui instal·larem un suport o un altre, més a més, hem de tenir en compte les propietats mecàniques per veure el que pot suportar i sigui tot segur. Bàsicament el que buscarem és fixar directament els rails sobre la xapa i així evitar estructures extres, més senzill i econòmic.
Figura 10. Imatge suport en sòl inclinat [8]
3.3.2. Sòl pla
Quan es presenta un sòl pla, hem de donar la millor inclinació i orientació possible perquè aquesta tingui el màxim rendiment. El problema és que quant més inclinació, més patirà l’efecte del vent, provocant que la coberta hagi de suportar un major esforç.
Una gran diferència amb el sòl inclinat és que hem de tindre en compte la distància entre plaques donat que es generaran ombres, que podrien causar una disminució del rendiment de la instal·lació.
Depenent del tipus de coberta que tinguem podem escollir entre suports metàl·lics llastats amb formigó o tot sencer de formigó.
Els suports metàl·lics llastats amb formigó, tenen una gran avantatja i és que es pot adquirir l’angle d’inclinació que desitgis fins a 30º. L’inconvenient és que adquireix un cost superior. Per altre banda, les estructures senceres de formigó aporten major seguretat però ofereixen menys gama d’angles desitjats.
Figura 11. Imatge suport en sòl pla. [9]
3.4. Inversors
3.4.1. Principi de funcionament
Com la majoria de maquinària d’avui dia funciona amb corrent altern, necessitem l’ajuda d’un inversor per poder passar de corrent contínua, produïda per la placa solar com hem esmentat anteriorment o per les bateries, a corrent alterna amb una precisa freqüència i valor de tensió.
Un inversor inclou, normalment, un regulador amb modulació per ampli de polsos (PWM), permet fer treballar al panell solar a la mateixa tensió que la teva instal·lació, originant que generi la potència que pertoca segons la corba P-V vista anteriorment. Per tant, no utilitzaríem la màxima potència que pot oferir el panell. A més a més, és qui s’encarrega de controlar l’electricitat que rep la instal·lació o la bateria, limita el pas d’electricitat tant si hi ha una sobrecàrrega o si n’hi ha una sobredescàrrega, en aquest cas a la bateria, encara que la bateria pot anar directament connectada a la instal·lació fotovoltaica.
En canvi, per treure el màxim rendiment a la instal·lació i a l’inversor, també està comport a partir del seguidor del punt de màxima potència (MPPT), permet fer treballar al panell a la màxima potència possible encara que la teva instal·lació no estigui treballant en aquella tensió. [10]
Per seguretat, s’hauria de tenir en un lloc amb poca interacció amb agents climatològics externs, no només la pluja pot provocar problemes sinó la radiació també, donat que aquests components electrònics dissipen calor i es pot generar un sobreescalfament.
Figura 12. Imatge d’un inversor [10]
3.4.2. Tipus d’inversors
Depenent del context i de l’objectiu de la teva instal·lació fotovoltaica, buscaràs un tipus d’inversor o un altre. Bàsicament, hi ha tres tipus: Inversors de connexió a la xarxa elèctrica, inversors d’instal·lacions aïllades amb bateries i mixtos.
Els inversors de connexió a la xarxa han de transformar la corrent contínua generada per les plaques a alterna i tractar d’aconseguir un valor de tensió per sobre
de la de la xarxa per així poder fusionar-les i que es consumeixi l’energia generada per les plaques.
Els inversors d’instal·lacions aïllades amb bateries han d’estar destinats més per controlar i monitoritzar la capacitat de les bateries i així evitar sobrecàrregues i sobredescàrregues de la bateria, donat que totes dos coses són perjudicials.
Més a més, dintre de cada tipus hi ha diferents models destinats a tindre una funció o una altre. Degut a que la nostre fàbrica consumeix molta energia i el més segur és que utilitzem inversors del tipus connexió a la xarxa parlarem només d’ells.
Inversors en cadena
Aquests inversors s’utilitzen quan la instal·lació es troba composta per diferents línies de plaques solars. És per tant, que es necessita un inversor per cada línia de plaques solars.
Més a més, són els inversors més econòmics i més utilitzats al mercat industrial.
Però aquests inversors tenen uns certs inconvenients i es que la potència mínima de cada línia queda determinada per la mínima potència d’un de tots els panells que n’hi ha, és a dir, si per algun motiu com per exemple una ombra en un panell origina que aquest treballi amb la meitat de rendiment, tota la línia treballarà amb el mateix rendiment. Per una altre part, aquest inversor no té monitorització, per tant, no sabrem quin és el panell que està afectant a la línia. És per aquest motiu que aquests inversors s’utilitzen en cobertes on no hi haurà ombres com les cobertes inclinades. [11]
Microinversors
Són inversors de mesura més reduïda. Aquests inversors es col·loquen sota cada placa solar. Això origina que proporcioni millors prestacions com bastir-se de major potència per cada una de les plaques solars i reduir les conseqüències de les ombres que s’originava en els inversors en cadena.
Per altre banda, aquests si que ens concedeixen la possibilitat de monitoritzar els panells solars. Al ser una instal·lació més individualitzada, tenen un cost major als altres inversors.
Optimitzadors de potència
Aquests inversors tracten d’associar les millors prestacions dels inversors en cadena i microinversors. Intenta obtenir la màxima potència possible de totes les plaques a la vegada a partir d’un sol inversor. Per tant, tenen un major rendiment que els inversors en cadena i al ser menys individualitzat, tenen un menor cost que els microinversors.
3.4.3. Especificacions
Com hem vist amb les plaques solars, amb els inversors també és important conèixer les especificacions que trobarem a la seva fitxa tècnica, ja que dependrà d’ella l’elecció d’un o d’un altre.
Anteriorment hem comentat que avui dia estan compostos de diferents reguladors com el PMW i el MPPT i la seva funció era rebre uns valors d’entrada i enviar uns altres valors de sortida. És per aquest motiu que normalment les fitxes tècniques es diferencien per la part de les entrades (Input side) i per la part de les sortides (Output side). A més de proporcionar- te informació sobre els dispositius de seguretat que inclouen i les seves característiques dimensionals. [10]
Input side (CC)
• Màxima tensió d’entrada en CC: El valor màxim de la tensió que pot rebre per l’entrada de l’inversor.
• Rang de tensió MPTT: És el rang de valors de tensió on el MPTT buscarà trobar assolir la màxima potència possible de les plaques solars (gràfica P-V).
• Número de MPPTs: Número de reguladors per trobar el punt de màxima potència.
• Número d’entrades per cada MPTT: Número d’entrades que té cada MPPT, és a dir, el número de components que es poden connectar a l’entrada.
• Intensitat màxima d’entrada de curtcircuit (Iscmax): És la intensitat màxima que pot rebre de les plaques solars, ha d’estar per sota del seu Icc.
• Intensitat màxima: És la intensitat màxima d’entrada a la que pot treballar l’inversor,
ha d’estar per sota del Iscmax.
Outside side (CA)
• Potència màxima activa (W): Potència màxima activa que proporcionarà l’inversor a la instal·lació, amb un factor de potència de 1 (tot resistiu).
• Potència màxima aparent (VA): Potència màxima aparent que proporcionarà l’inversor a la instal·lació, ha de ser el més proper a la potència activa màxima.
• Intensitat màxima: Intensitat màxima que proporcionarà l’inversor.
• Rang de tensió en CA: El rang de valors de tensió que pot proporcionar l’inversor.
• Freqüència de sortida: Valor de freqüència de l’electricitat que proporcionarà l’inversor a la nostre instal·lació.
3.5. Bateries
Com ja sabem, les bateries són el mitjà que ens permet emmagatzemar energia, i en aquest cas seria la produïda per les plaques solars. La finalitat de les bateries són emmagatzemar aquesta energia per aquells moments del dia on no hi ha irradiància solar ja sigui perquè està ennuvolat o perquè és de nit.
Les bateries es troben al final de la instal·lació, justament després de l’inversor i és perquè com ja hem explicat anteriorment, aquests permeten la monitoritzar tant de les plaques com de la bateria. Per tant, després de convertir l’energia elèctrica de CC a AC, una part aniria destinada a la xarxa i una altre a carregar la bateria.
Segons la finalitat de la teva instal·lació, es poden diferenciar diferents tipus de bateries:
• Bateries de cicle baix: La seva finalitat és aportar energia elèctrica quan la demanda energètica és alta i les pròpies plaques solars no poden abastir-la tota.
L’inconvenient d’aquest tipus és que no és aconsellable descarregar-les molt perquè perden vida útil.
• Bateries de cicle profund: La seva finalitat és la mateixa que l’anterior, però la gran diferència és que aquestes permeten una gran descàrrega sense ningun tipus de deteriorament.
Com la nau on instal·larem la coberta fotovoltaica té una gran demanda energètica tot el dia, descartem l’ús de bateries donat que tota l’energia que generaran aquestes plaques seran consumides a l’instant, per tant, això generaria un sobre cost i una ocupació a la nau que ens la evitarem. [12]
3.6. Dispositius de seguretat
3.6.1. EVA
EVA són les sigles d’ etilè vinil acetat i com s’ha esmentat en l’apartat de suports , en les cel·les fotovoltaiques hi ha components en que la seva finalitat es proporcionar protecció i millorar el rendiment de la conversió.
L’EVA és un encapsulant de les cel·les fotovoltaiques i la seva funció és segellar aquestes i aïllar-les de l’aire i de l’aigua, ja que si entra aigua o oxigen, aquestes s’oxidaran i es faran mal bé, reduint la seva vida útil i el seu rendiment.
Encara que hi ha més encapsulants al mercat, és el més utilitzat degut a que aquest termoplàstic té una gran transmissivitat de la irradiació i pateix poca degradació sota la influència solar.
Figura 13. Il·lustració de la composició cel·la fotovoltaica. [14]
3.6.2. Fusibles
És un aparell que tal com indica el seu propi nom, per tal de protegir la xarxa elèctrica, on estan connectats els diferents dispositius, es fon a una temperatura determinada per tal de no deixar passar la corrent.
Estan compostos per un filament o una làmina d’un cert material que tingui un punt de fusió baix, protegint així la xarxa d’una sobrecàrrega o un curtcircuit. Depenent de la intensitat màxima que es pugui permetre en la instal·lació, s’escollirà un fusible o un altre.
Els fusibles s’utilitzen als trams de la instal·lació que treballa amb corrent contínua, ja que la seva connexió només cobreix una fase. Per tant, protegeix els panells solars, el cablejat i a l’inversor.
3.6.3. Interruptor magnetotèrmic
Aquests aparells també serveixen per protegir a la xarxa elèctrica. Estan compostos per un electroimant o una làmina bimetàl·lica. A diferència dels fusibles aquests no es fonen i no cal canviar-los en cas que saltin.
Podem observar que aquest dispositiu de seguretat té dos formes d’actuar. El primer cas és quan es produeix una sobrecàrrega en la instal·lació, al igual que els fusibles la sobrecàrrega origina un sobrecalentament i la làmina bimetàl·lica es deforma ocasionant el no pas de corrent.
En el segon cas el veiem quan es produeix un curtcircuit. El corrent que circula per l’electroimant és major al límit i aquest genera una força que obre un interruptor tallant el pas de corrent.
Aquest dispositiu de seguretat s’utilitza en la part de corrent alterna de la nostre instal·lació per protegir la instal·lació i l’inversor.
3.6.4. Interruptor diferencial
Aquest aparell té la funció de no deixar passar la corrent en cas de que hi hagi una fuga, és a dir, que la fase tingui contacte amb un altre component com podria ser una persona.
El seu funcionament tal com el seu nom indica en detectar si n’hi ha una diferència de corrent entre la fase i el neutre. La incorporació d’un electroimant fa que quan detecta una fuga, talli el pas de corrent.
3.7. Cablejat
En el dimensionament d’una instal·lació, s’ha de tenir en compte el disseny del cablejat donat que és l’encarregat de transportar l’electricitat des de les plaques solars a la instal·lació, i tot aquest procés l’ha de dur a terme complint unes especificacions perquè tingui el mínim de pèrdues i garanteixi una seguretat.
Per dissenyar el cablejat seguirem les recomanacions de la IDAE, i esmenta que dos factors fonamentals que s’han de tindre en compte són: la màxima caiguda de tensió entre 2 punts i no superar la màxima intensitat admissible. [2]
Si mirem la connexió entre les plaques solars i l’inversor, veiem que la màxima caiguda de tensió admissible és de 1,5% entre els dos punts i la màxima intensitat permesa la marcarà la intensitat màxima que pot admetre l’inversor com hem pogut veure anteriorment. Per una altre part, si mirem la que n’hi ha entre l’inversor i la instal·lació elèctrica, veurem que la màxima caiguda de tensió admissible és també de 1,5% entre els dos punts i la màxima intensitat permesa la marcarà la intensitat màxima que pot emetre l’inversor.
Posteriorment, quan dimensionem la solució al nostre projecte podrem observar les fórmules utilitzades pel dimensionament del cable, però resumint, segons diferents paràmetres a partir d’una vegada ja tindre dissenyada la nostre coberta fotovoltaica, com la longitud, la intensitat màxima admissible, la caiguda de tensió etc., podrem saber quina secció és necessària per cada tram i quin material és l’idoni per utilitzar.
3.8. Eficiència
En consideració a l’eficiència de la nostre instal·lació, hem de tenir en compte tots els agents que intervindran a l’hora de proporcionar l’electricitat generada per les plaques a la nostre xarxa.
Les elements que tindrem en compte respecte la possible pèrdua d’energia elèctrica són tots els components elèctrics, és a dir, les plaques solars, el cablejat i l’inversor.
En quant a les plaques solars, com s’ha esmentat anteriorment, sabem que encara dels seguidors MPPT, si tenim un conjunt de plaques la que marcarà la màxima potència produïda serà la que menys estigui proporcionant. És per aquest motiu que treballarem amb el mateix tipus de plaques perquè la seva eficiència sigui ho més semblant possible i no ocasioni grans pèrdues. Més a més, evitarem qualsevol tipus d’ombra que pugui afectar a qualsevol panell. Per una altre part, també hem de tenir en compte que aquests panells estan en contacte amb tot tipus d’agents externs ja que està en contacte amb l’aire exterior, per tant, amb el temps es generarà una certa brutícia sobre les cel·les ocasionant una disminució del rendiment donat que dificulta l’impacte de la radiació. Totes aquestes pèrdues s’anomenen pèrdues de Mismatch.
Un agent extern que influeix amb rellevància a l’hora de generar pèrdues a les plaques, és la temperatura. Depenent de a quina temperatura estiguin treballant les plaques tindrà una eficiència o una altre. Quanta més temperatura, el silici es calenta i això fa que la tensió generada sigui menor. Quan dimensionem la nostre instal·lació podrem veure com calcular-ho i com afectarà.
En quant a l’inversor, com hem pogut observar anteriorment, la seva eficiència ve donada pel propi fabricant i la podrem veure a la fitxa tècnica. Normalment, aquesta eficiència no baixa del 90%.
Per finalitzar, el cablejat també ocasiona pèrdues, encara que normalment siguin molt petites, s’han de tenir en compte a l’hora de calcular l’eficiència de la instal·lació.
4. Disseny
4.1. Modalitat d’instal·lació
En el moment de realitzar el dimensionament d’una instal·lació fotovoltaica, has de tenir en compte quin tipus de modalitat és la que millor s’adapta a les teves necessitats. Aquestes modalitats es basen en: Sense excedents, amb excedents amb compensació o sense.
La modalitat sense excedents es basa en dissenyar una instal·lació on tota l’energia generada s’autoconsumeix i no permet vendre l’energia elèctrica generada excedent a la xarxa, per tant, un exemple amb referència a la nostre empresa és que els caps de setmana, quan l’empresa no està en funcionament, tota l’energia excedent de les plaques solars, seria inutilitzada. Per aquest motiu s’hauria de considerar la instal·lació de bateries.
Per una altre banda, la modalitat amb excedents inclou amb compensació o sense. Amb excedents es basa en consumir l’energia generada per les plaques i consumir de la xarxa en els moments que no abasteixi tota la demanda. Però en els moments on generi més del que gasta l’empresa, aquesta energia es proporcionarà a la subministradora de la xarxa i aquesta t’ho compensarà de la factura de la llum al preu que ella determini. És important saber que mai podrem arribar a guanyar diners venent electricitat a la xarxa, sinó que com a molt la factura de la llum serà de 0 € i que la màxima energia que es pot produir són 100 kW.
En canvi, si és amb excedents però sense compensació es diferencia en que la instal·lació pot tenir qualsevol potència, més a més, a l’hora de vendre aquesta energia excedent la vens al preu del mercat i la subministradora de la xarxa no t’ho compensa a la factura de la llum. El problema resideix que l’empresa li aplicaran uns impostos i s’haurà de donar d’alta com productor d’energia renovable ja que suposa una activitat econòmica addicional.
En conclusió, la modalitat que assolirà el nostre projecte de la instal·lació serà la modalitat amb excedents amb compensació, donat que hi haurà moments del mes com els caps de setmana que sobrarà energia. Més a més, com son pocs moments en els que hi haurà excedent, no la vendrem perquè no surt més rentable ja que la superfície hàbil per instal·lar les plaques no és tan gran i generarà més problemes burocràtics a l’empresa. [2]
4.2. Panells solars
Per poder calcular la potència necessària i el número de panells solars que ha de requerir la nostre instal·lació, ens basarem en el rati de potència nominal, comunament conegut en el sector de la fotovoltaica, que oscil·la entre el valor de 1,2 i 1,25. [15]
Aquest rati és el coeficient entre la potència que han de subministrar les plaques i la potència nominal a la que treballarà l’inversor. S’utilitza per sobredimensionar la instal·lació ja que aquesta tindrà pèrdues pel seu rendiment que el calcularem posteriorment.
4.2.1. Potència màxima
Per saber la potència màxima que ha de proporcionar la nostre instal·lació aïllarem la fórmula establerta anteriorment de la proporció nominal:
On:
• PV [kW]: Potència instal·lació fotovoltaica.
• PInv.[kW]: Potència de l’inversor.
Com per llei el nostre inversor com a màxim ha de ser de 100 kW, si aïllem, observem que la potencia de la nostre instal·lació ha d’oscil·lar entre aquests valors:
4.2.2. Número de panells
El número de panells que s’establirà a la nostre instal·lació, es podrà veure posteriorment en l’apartat 5.5.3 Disseny de la instal·lació, però s’ha de remarcar que s’ha fet gràficament i sense cap càlcul, i és que, s’ha volgut dimensionar el màxim d’àrea possible perquè la potència de les plaques fos el menor possible.
Seguint aquesta metodologia a partir del programa HelioScope, un programa per dimensionar cobertes fotovoltaiques com es pot observar a la Figura17, s’ha pogut instal·lar 400 panells en tota la coberta. Degut al coneixement del número de panells, s’ha pogut establir quina és la potència de cada placa que busquem.
Per tant, la placa que escollirem tindrà una potència de 300 W.
4.2.3. Placa solar
En quant a la elecció de la placa solar, s’ha tingut en compte diferents condicionants que determinarà la producció i la eficiència de la instal·lació, com per exemple la seva potència, la seva eficiència i la temperatura de treball nominal que veurem com afecta al rendiment de la instal·lació.
La placa solar escollida és de la marca Canadian Solar, model KuPower CS3K-300P.
S’ha escollit aquesta marca perquè està en el llistat Bloomberg Tier 1 [16], la qual publica les marques de panells solars més importants al mercat. Les seves característiques principals les podem veure a la imatge posterior, extreta de la seva fitxa tècnica.
Figura 14. Fitxa tècnica placa solar [17]
4.2.4. Eficiència
Per determinar l’eficiència de la instal·lació, com hem explicat anteriorment ens hem basat en els factors que intervenen principalment. Segons el llibre ‘Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas’, hem assolit algunes de les seves aproximacions que intervindran a la nostre instal·lació. Ho podem veure a la següent taula.
Tolerància potència nominal del mòdul 3%
Mismatch 3%
Brutícia de les plaques 3%
Cablejat 1,5%
Inversor 1,2%
Taula 2. Percentatge de pèrdues. [18]
Per una altre part, com s’ha esmentat anteriorment hem de calcular com afecta la temperatura a les nostres plaques. A la fitxa tècnica adjuntada anteriorment, podem observar que la seva temperatura de treball nominal és de 42 ºC, mentre que pateix una reducció de la seva eficiència del -0,36%/ºC respecte la temperatura de treball nominal.
Per saber la temperatura de treball de la placa utilitzarem la fórmula següent [19]:
Donat:
TT [ºC]: Temperatura de treball TA [ºC]: Temperatura ambient
TON [ºC]: Temperatura d’operació nominal GR [W/m2]: Irradiació
Per calcular la temperatura ambient i la irradiació hem utilitzat el programa de PVGIS i com cada més té diferents situacions climatològiques s’ha calculat per cada mes.
Posteriorment, s’adjunta un exemple del mes d’agost que és un dels mesos que més irradiació n’hi ha.
HORA
IRRADIACIÓ [W/m2]
T. AMBIENT [ºC]
0 0,00 23,24
1 0,00 22,98
2 0,00 22,72
3 0,00 22,46
4 0,00 22,40
5 8,71 22,35
6 207,47 22,30
7 405,16 22,80
8 599,23 23,32
9 765,33 23,82
10 872,42 24,26
11 894,51 24,69
12 849,15 25,13
13 751,95 25,12
14 575,32 25,11
15 435,34 25,10
16 277,20 24,92
17 125,29 24,73
18 29,26 24,55
19 0,00 24,30
20 0,00 24,04
21 0,00 23,79
22 0,00 23,60
23 0,00 23,41
Taula 3. Dades climatològiques horàries al mes d’agost.
La mitja de temperatura i la irradiació a les hores de màxima demanda són de TA=24,69ºC i GR= 894,52 W/m2.
Per tant obtenim que la temperatura de treball a l’agost és de:
Fent cas a la fitxa tècnica obtenim que el rendiment de la placa és de:
Per tant, el percentatge de pèrdues de la instal·lació en els diferents mesos de l’any són els següents:
Mes Rendiment [%] TT [ºC] GR [W/m2]
Gener 0,09 24,74 447,17
Febrer 0,88 27,52 557,38
Març 1,36 28,89 605,24
Abril 2,75 32,86 670,79
Maig 4,17 36,92 733,4
Juny 6,43 43,37 807,53
Juliol 8,27 48,63 883,66
Agost 8,50 49,29 894,62
Setembre 7,27 45,76 800,79
Octubre 3,28 34,37 537,98
Novembre 1,10 28,15 465,1
Desembre 0,43 26,24 467,38
Taula 4. Percentatges de pèrdua per temperatura durant tot l’any.
Per finalitzar, mostrarem una taula amb l’eficiència de la instal·lació durant tot l’any:
Mes Eficiència [%]
Gener 88,7396
Febrer 88,036
Març 87,610
Abril 86,376
Maig 85,114
Juny 83,109
Juliol 81,474
Agost 81,269
Setembre 82,366
Octubre 85,907
Novembre 87,840
Desembre 88,434
Taula 5. Eficiència per mesos de la instal·lació.
Com podem observar, ens els mesos de l’any on el clima és més calorós, l’eficiència de la instal·lació es minimitza, per tant, el pensament generalitzat de que quanta més calor millor, és fals. L’únic que aquest rendiment es veu compensat amb que la irradiació és major, per tant a l’hora de buscar localitzacions per instal·lar plaques fotovoltaiques hem de mirar que tingui la major radiació possible i la menor temperatura possible.
L’eficiència que s’utilitzarà per calcular el número de panells, és la mitjana de totes elles:
85,523%.
4.3. Suports
Com s’ha esmentat anteriorment, bàsicament hi havia dos tipus de suports, un que s’instal·la quan el sòl és inclinat i l’altre quan és pla. La nostre instal·lació tindrà lloc a la coberta de la nau, per tant, sabem que aquesta coberta té una inclinació de 13º i és de xapa metàl·lica.
Al ser una coberta inclinada, utilitzarem directament la pròpia inclinació d’aquesta i només instal·larem uns rails que fixin adequadament les plaques sobre la coberta. La coberta d’aquesta nau, té una forma trapezoidal, per tant hem de buscar un tipus de suport que s’adeqüi sobre aquesta forma.
Per la nostre instal·lació s’ha decidit utilitzar un suport que es basi en un sistema ho més senzill possible perquè estigui segur, sigui més econòmic i generi una càrrega ho menor possible sobre la nostra coberta. Per tant, utilitzarem el suport SingleFix-Vario de la casa Schletter GmbH, donat que investigant s’ha vist que és una de les marques més utilitzades i econòmiques.
Figura 15. Imatge del suport seleccionat. [20]
Com es pot veure, el suport es basarà en un rail que reculli totes les plaques i aquest, serà fixat a la coberta a partir d’uns cargols que es poden fixar de les dues maneres
possibles que es poden veure a la imatge.
Cal destacar que les avantatges més importants són el preu més econòmic, una càrrega menor i que l’aire no realitzarà el que és conegut com efecte vela donat que l’aire que passa per sota no l’afectarà. Per contra, la desavantatge principal és que no podem fixar la inclinació òptima calculada anteriorment i s’ha d’utilitzar l’angle de 13º de la coberta.
4.4. Inversor
Per seleccionar l’inversor, el paràmetre més important que he tingut en compte, és la potència màxima a la que pot treballar aquest a partir de la font, que són les plaques solars.
La potència màxima que l’estableix la llei, ha determinat que l’inversor tingui una potència màxima de treball de 100 kW.
S’ha determinat que l’inversor escollit sigui el SUN2000-100KTL-M1 de la marca Huawei, ja que prové d’una marca reconeguda i el producte ofert és relativament semblant al dels seus competidors. Les seves característiques principals les podem veure a la imatge posterior, extreta de la seva fitxa tècnica.
Figura 16. Imatge de la fitxa tècnica de l’inversor [21]
4.5. Dimensionament
4.5.1. Agrupament de plaques fotovoltaiques
A partir de les plaques i de l’inversor escollit, podem calcular i saber com organitzar la nostre instal·lació donat que les plaques s’agrupen en distribucions en sèrie i paral·lel.
Aquestes diferents agrupacions aniran connectades a l’inversor.
S’ha de calcular el número màxim de plaques que es poden connectar en sèrie, donat que en sèrie les intensitats són les mateixes però els potencials es sumen. Per tant, s’ha de tenir en compte no sobrepassar el voltatge ni la potència màxima que permet l’entrada de l’inversor, per una altre part, el mateix concepte s’aplica amb el número mínim ja que l’inversor requereix un mínim valor de voltatge. En quant al càlcul del número de plaques en paral·lel, segueix el mateix raonament l’únic que el potencial en paral·lel és el mateix i el que es suma és la intensitat.
Per calcular el nombre màxim de plaques fotovoltaiques en sèrie, es farà a partir del quocient entre el valor màxim del voltatge permès a l’inversor i el VOC màxim de les plaques.
El de l’inversor el podem trobar a partir de la fitxa tècnica i el de les plaques s’ha d’utilitzar el mateix procés que el de l’eficiència per temperatura.
El VOC màxim es troba quan la temperatura és mínima donat que el quocient vist a la fitxa tècnica és negatiu: -0,26%/ ºC. Per tant, hem de tornar a trobar un altre cop la temperatura de treball en aquelles condicions.
La temperatura mínima obtinguda a partir del programa PVGIS, quan hi ha irradiació, és de 5,92 ºC i amb una irradiació de 106,19 W/m2. A partir de la fórmula de la temperatura de treball obtenim el valor de:
A partir de la temperatura de treball, podem calcular el valor que proporcionarà la placa en aquelles condicions, donat que ens especifiquen el coeficient de variació de VOC
que és de -0,28%/ ºC.
Ja podem calcular el valor màxim de VOC:
Com s’ha esmentat anteriorment, procedirem a calcular el nombre màxim de plaques fotovoltaiques en sèrie:
En canvi, per calcular el mínim de nombre de plaques fotovoltaiques, es realitza a partir del quocient entre el voltatge mínim d’entrada que permet l’inversor i el valor de VMP.
Les sèries de plaques fotovoltaiques també s’associen en paral·lel, per tant, com en paral·lel les intensitats es sumen, hem de tindre en compte que l’inversor sigui capaç de treballar amb el màxim de plaques possibles.
Per trobar el nombre màxim de sèries de plaques, es realitzarà a partir del quocient de màxima intensitat per MPPT de l’inversor i la ISC màxima que pot proporcionar una placa.
Per trobar aquest màxim, com la fitxa tècnica estableix que té un coeficient positiu respecte el ISC de 0,05%/ ºC, buscarem la temperatura màxima a la que treballa la placa.
A partir del PVGIS, d’igual manera que hem trobat el valor mínim, ara hem pogut obtenir un valor màxim de TA de 27,58 ºC i una GR de 896,27 W/m2. Per tant, la temperatura de treball de la placa és la següent:
A partir, del coeficient esmentat anteriorment procedim a calcular la ISC màxima:
Per tant, si dividim la intensitat màxima permesa per MPPT i la ISC màxima que pot proporcionar la placa, obtindrem el nombre màxim de plaques en paral·lel.
Segons les condicions establertes en els càlculs anteriors, ja podem decidir la organització de les plaques fotovoltaiques que seguirà la nostre instal·lació. Hem de tindre en compte, que com s’ha explicat a l’apartat 4.4.1 Principi de funcionament dels inversors el seguidor del punt de màxima potència (MPPT) busca trobar la millor situació a la agrupació de plaques per poder treure màxima potència, per tant, els hem d’agrupar ho més harmònicament possible perquè no hi hagi grans descompensacions entre plaques. Tenint en compte això, s’ha considerat la següent distribució de plaques:
• 18 sèries de 21 plaques cadascuna
• 1 sèrie de 22 plaques.
4.5.2. Ombres
En la nostre instal·lació al ser una coberta inclinada i de xapa, hem establert que les nostres plaques s’instal·lin de forma adjacent a la coberta, és per aquest motiu que no hem de tindre en compte les ombres generades entre si les pròpies plaques.
Per una altre part, el que si que s’ha hagut de tindre en compte són les ombres generades per les xemeneies i elements de refrigeració instal·lats en la pròpia coberta, ja que si una ombra tingués contacte amb una sola placa, aquesta afectaria a la eficiència de totes les plaques connectades en sèrie ja que treballen totes a la mateixa potència.
En el següent apartat es podrà veure visualment com s’han establert les ombres i com afecten a la pròpia distribució.
4.5.3. Disseny de la instal·lació
Seguidament, s’adjunta la imatge del dimensionament de la instal·lació dissenyada.
S’ha utilitzat el programa d’HelioScope com a eina per poder dimensionar gràficament i distribuir adientment les plaques, segons les necessitats i les ombres de les pròpies xemeneies de la nau.
Més a més, s’ha de tindre en compte que no es pot cobrir tota la coberta de plaques, donat que, mensualment, les plaques han de tindre un cert manteniment per fer que les plaques funcionin correctament i no es redueixi el seu rendiment per brutícia. També s’ha de considerar que per alguna possible averia s’ha d’accedir a la coberta i són per aquests motius que s’han establert passadissos per la accessibilitat del personal. Aquests es poden veure remarcats de color taronja.
Per finalitzar, es vol recordar que la instal·lació, té una orientació de 45º cap a l’oest i l’angle d’azimut és el mateix que el de la coberta per tant, un angle de 13º.
Figura 17. Dimensionament de la instal·lació. [22]
4.6. Bateries
En quant a la consideració en aquest projecte de l’ús de bateries, ha sigut descartada, donat que al tindre un consum per hora tan elevat no és possible que emmagatzemi energia durant els dies laborals. En canvi, els caps de setmana podria generar excedents però no té gaire sentit donat que ningú l’utilitzarà, més a més, ocuparia una gran quantitat d’espai a més que faria elevar el pressupost sense ningun sentit. És per això que s’ha decidit no utilitzar bateries i escollir la modalitat amb compensació.
4.7. Cablejat
En quant al cablejat, s’ha de diferenciar en dues parts. La primera és la zona que hi ha corrent continu, que va des de les plaques fins l’inversor, la segona, és la zona on hi ha corrent altern, que va des de l’inversor fins la instal·lació.
4.7.1. Cablejat Corrent Continu
La part de corrent contínua està legislada segons la norma europea EN 50618 que forma part de la norma sobre sistemes d’alimentació solar fotovoltaica UNE-HD 60364-7- 712. El cable que s’utilitzarà és el PRYSUN H1Z2Z2-K, un cable de coure aïllat per un termoestable, especialitzat en aquesta norma i instal·lacions fotovoltaiques.
El cablejat serà organitzat i aïllat entre els positius i negatius, a través de canalitzacions cap als fusibles que es trobaran a l’interior de la nau, més a més, s’utilitzarà el mateix cable des dels fusibles fins a l’inversor. La distància màxima de cable serà aproximadament de 80 metres.
Per poder dimensionar el cablejat, hem de tindre en compte dos factors: la intensitat màxima que pot permetre el cable i la seva caiguda de tensió, com s’ha esmentat a la part teòrica.
Intensitat admissible del cable
Per poder calcular la intensitat admissible del cable, primer de tot hem de saber els factors correctors que intervenen al càlcul depenent de la seva classificació, posteriorment, aquests factors correctors se li aplicaran a la ISC.
Figura 18. Classificació de factors correctors.[23]
Segons la taula superior, com la nostre canalització (B1) agruparà 20 cables el seu factor corrector serà de 0,40.
Figura 19. Classificació de factors correctors.[23]
Un altre factor corrector que podem veure a la taula superior, és la temperatura ambient que pot assolir el cablejat, en aquest cas escollirem la de 40ºC per donar un marge bastant gran i no tindre cap problema. Més a més, el cable escollit té un aïllament termoestable (XLPE), per tant si fem la combinació trobem que el factor corrector obtingut és de 1.
Per finalitzar, hi ha dos factors correctors estandaritzats que tenen un valor fix. El primer el marca la norma UNE 20435 punt 3.1.2.1.4 que fixa el factor corrector en 0,9 per estar en contacte directe amb el sol. El segon està legislat per la norma IEC 62548 que fixa el factor corrector en 1,4 per ser una instal·lació fotovoltaica.
Per tant, si apliquem el càlcul, obtenim que la intensitat admissible del cable ha de ser:
Segons la fitxa tècnica la secció mínima per aquesta condició ha de ser de 4 mm2.
Figura 20. Fitxa tècnica del cable [23]
Però, s’ha de tindre en compte que segons la Taula C.52-1 bis provinent de la norma UNE-HD 60364-5-52: 2014, estableix que la secció mínima del cable per una intensitat de 37,53 A, amb un aïllant termoestable (XLPE) amb dos conductors i formant part del grup B1, si ens de fixem en la columna 10b, ratificarem que aquest ha de tenir una secció de 4 mm2.
Figura 21. Taula C.52-1 bis [24]
Caiguda de tensió
Per calcular la secció mínima a partir de la caiguda de tensió, utilitzarem la fórmula següent:
• L: Longitud del cable. 80 metres
• : Conductivitat del coure mesurat a partir d’una temperatura de valor 90ºC per
tractar-se d’un termoestable. 45,5 m/( /mm2)
• : Caiguda de tensió
La caiguda de tensió la calcularem a partir de la sèrie amb un VMP major, per tant:
La caiguda de tensió, com es va esmentar al punt 4.7 Cablejat, com a molt pot ser del 1,5% del VMP.
A partir de totes les dades, es procedeix a calcular la secció:
A partir de les dues seccions calculades, ens hem de quedar amb la més gran, per tant, el nostre cablejat per la part de corrent contínua serà de 4 mm2.
4.7.2. Cablejat Corrent Alterna
En quant a la part de corrent alterna, aquesta involucra el tram des de la sortida de l’inversor fins el quadre general de la nau. Com aquests dos es situaran molt pròxim l’un de l’altre, suposarem una allargada de 7 metres.
El cablejat que s’emprarà en aquesta part és el Afumex Class 1000 V (AS). Aquest és un cable unipolar i té un aïllament termoestable (XLPE). S’utilitzarà aquest cable per la fase, el neutre i el terra i serà canalitzat tot el tram fixada sobre la paret (B1).
Igual que amb el cablejat de corrent continu, per dimensionar el cablejat, és necessari tenir en compte la intensitat admissible del cable i la seva caiguda de tensió.
Intensitat admissible del cable
En aquesta situació, l’únic coeficient corrector que té lloc en aquest tram, el marca la norma ITC-BT 40. Aquesta norma, estableix un coeficient de 1,25 a la intensitat nominal que surt de l’inversor.
Per tant, la intensitat admissible que ha de suportar el cable es basa en:
Segons la taula de la fitxa tècnica podem veure quin és la secció mínima del cable.
Figura 22. Fitxa tècnica del cable [23]
Si ens fixem en la columna Intensidad admisible al aire (2) observem que la secció mínima necessària és de 50 mm2.
Caiguda de tensió
Per calcular la secció mínima a partir de la caiguda de tensió, utilitzarem la fórmula següent:
• L: Longitud del cable. 10 metres
• I: Intensitat nominal inversor.
• : Conductivitat del coure mesurat a partir d’una temperatura de valor 90ºC per
tractar-se d’un termoestable. 45,5 m/( /mm2)
• : Caiguda de tensió.
• : FP= 1
La caiguda de tensió, com la part de corrent contínua, com a molt pot ser del 1,5% de la tensió de sortida de l’inversor.
A partir de totes les dades, es procedeix a calcular la secció:
Per tant, si ens quedem amb la secció mínima, obtenim que la secció mínima ha de ser de 50 mm2.
4.7.3. Dimensionament del cablejat
Tram Corrent Cablejat Quantitat S [mm2] L [m]
Plaques – Fusibles Contínua PRYSUN H1Z2Z2-K (Pol Positiu)
19 4 80
Plaques – Fusibles Contínua PRYSUN H1Z2Z2-K (Pol Negatiu)
19 4 80
Plaques – Terra Contínua PRYSUN H1Z2Z2-K (Toma de terra)
19 4 80
Fusibles – Inversor Contínua PRYSUN H1Z2Z2-K (Pol Positiu)
19 4 5
Fusibles – Inversor Contínua PRYSUN H1Z2Z2-K (Pol Negatiu)
19 4 5
Inversor – Quadre Proteccions
Alterna Afumex Class 1000 V (AS)
3 Fases i 1 Toma de terra
50 2
Quadre Proteccions – Quadre General
Alterna Afumex Class 1000 V (AS)
3 Fases i 1 Toma de terra
50 5
Taula 6. Dimensionament del cablejat.
4.8. Dispositius de protecció
4.8.1. Fusibles
La instal·lació dels fusibles tindrà lloc al tram entre les plaques solars i l’inversor, el qual circula corrent continu. S’integrarà un fusible per cada pol provinent de les plaques, és a dir, s’instal·larà tant en el positiu com el negatiu.
La funció del fusible és garantir que no hi hagi ni sobrecàrregues ni curtcircuits, per tant, s’ha escollit un fusible que estigui per sota de la intensitat màxima que pot admetre el cable (46 A) i un valor similar a la màxima intensitat permesa a l’entrada de l’inversor (40 A).
Aquest fusible és el XEV10-40-1P de la marca Eaton, el qual té una intensitat nominal de 40A i una potència de tall de.
4.8.2. Quadre Proteccions Alterna
Aquest quadre es trobarà tot seguit a l’inversor. Com la sortida de l’inversor treballa amb corrent alterna, les proteccions que utilitzarem seran interruptors magnetotèrmics i diferencials.
Pel dimensionament de l’interruptor magnetotèrmic, ens fixarem en la intensitat admissible calculada en l’apartat 5.7.2, amb un valor de 180,5 A, i amb la intensitat màxima que pot suportar el cable segons la fitxa tècnica que és de 188 A. Per tant, l’interruptor magnetotèrmic escollit és LC1F185 de Schneider Electric, té 3 pols i la seva intensitat nominal és de 185A.
Per una altre banda, seguirem els mateixos passos per dimensionar l’interruptor diferencial. L’interruptor diferencial escollit serà el HGC185-22NSF DE LA MARCA Hyundai, el qual també té una intensitat nominal de 185 A.
