La importancia de los estudios fotovoltaicos para determinar cuál es la instalación más óptima

Jorge García Ramírez, Técnico Especialista en Energía Solar Fotovoltaica de Chint Electrics

La transición energética y el proceso de descarbonización han ayudado a que tecnologías como la energía solar fotovoltaica tengan cada vez mayor protagonismo. Su proceso se basa en la conversión de la energía que proviene del sol en forma de radiación a energía eléctrica a través del efecto fotovoltaico, lo que nos permite aprovechar la energía solar para producir y consumir energía limpia. Inicialmente, el coste de los paneles solares hacía casi inviable su instalación pero, con los años, se ha reducido y ha mejorado la eficiencia de las células fotovoltaicas hasta lograr que la energía solar sea una de las opciones más recomendables para reducir la dependencia de fuentes no renovables.

Además de coste y eficiencia, los paneles solares han evolucionado en tamaño, potencia y materiales. Los más comunes en el mercado ahora suelen tener potencias por encima de los 400W y llegan hasta los 700W, con dimensiones que suelen estar por encima de los dos metros de largo y el metro de ancho. El tipo de célula que predomina es la de cilicio monocristalino.

En una instalación fotovoltaica, la energía eléctrica generada en los paneles solares es de tipo corriente continua (C.C.) que debe transformarse generalmente a corriente alterna (C.A.) para ser consumida en el entorno residencial. En los parques solares, también se produce C.A., gracias al uso de inversores solares que la transforman y que varían en cuanto a tipología, potencia y otros parámetros. Los más utilizados son los de conexión a red y los híbridos.

Los primeros se emplean en aplicaciones residenciales, industriales y parques solares, mientras los segundos suelen usarse sólo en aplicaciones residenciales, ya que permiten la conexión directa de baterías y ofrecen la ventaja de almacenar la energía cuando no hay producción solar.

En este punto, cabría preguntarnos: ¿cuántos paneles y qué tipo de inversor debería poner en mi instalación? En autoconsumo, la respuesta es muy variable porque depende de las particularidades de cada instalación y las demandas de cada consumidor. El estudio fotovoltaico tiene con fin determinar qué instalación es más apropiada para cada consumidor. En Chint llevamos alrededor de dos años haciendo este tipo de estudios y dimensionando sistemas ajustados a las necesidades de cada cliente. A continuación explicamos cómo se realizan.

Análisis del consumo

En instalaciones de autoconsumo, el consumo es la base para el dimensionado de la instalación. Dependiendo de cuando se consuma más, en tramo llano, valle o punta, y teniendo en cuenta que este último es el que coincide con el mayor coste y las horas de mayor demanda.

El primer paso es determinar cuánta energía se necesita durante las horas diurnas, que coinciden eh parte con las tarifas pico y valle y es el periodo en el que se puede consumir energía solar de forma directa.

Otro aspecto importante para el diseño de la instalación está relacionado con la modalidad de autoconsumo, que puede ser: sin excedentes, con excedentes sin compensación y con excedentes con compensación.

Una vez determinado el consumo diurno, se dimensiona la instalación, tratando siempre de satisfacer el gasto diurno al 100 % y minimizar los excedentes dependiendo de la modalidad que tendrá la instalación. Lo recomendable es acogerse a la compensación con excedentes, ya que los excedentes vertidos a la red podrán compensar el consumo nocturno, cuando no hay producción solar.

Por otro lado, el consumo suele ser regular o variable durante todo el año, mayor en invierno o mayor en verano, aspecto que interferirá en la inclinación óptima de los paneles.

Dimensionado de la instalación

Una vez caracterizado el consumo, nos centraremos en el dimensionado de la instalación, es decir, el número de paneles a instalar y la potencia del inversor. El primero suele estar condicionado por el espacio disponible. El conjunto de paneles e inversor marcarán la cantidad de energía que podrá producir la instalación, aunque hay otros factores secundarios que pueden limitar la producción de energía.

• Inclinación

La inclinación, en cierta medida, va relacionada con el lugar donde se instalarán los paneles. En tejados inclinados, su posición estará marcada por la inclinación de éste, ya que, en estos casos, se suelen utilizar estructuras coplanares para la fijación de los paneles, y, por tanto, la inclinación de los paneles será la misma que la del tejado. En techos planos o terrenos, el tipo de estructura que se utiliza permite variar la inclinación de los paneles, por lo que se puede optimizar el sistema en relación con la inclinación.

Posición del sol dependiendo de la época del año

La curva de consumo influirá en la inclinación que deben tener los paneles. La más óptima será aquella en la que los rayos del sol caigan perpendicularmente a la superficie del panel. Así, para instalaciones cuyos consumidores demandan más energía en invierno, habrá que dar una inclinación mayor a los paneles, puesto que el sol en invierno está más bajo. Lo contrario ocurre en verano, con el sol más elevado, y en cuyo caso será necesaria una menor inclinación para maximizar la producción de los paneles.

Para conseguir una producción regular a lo largo del año, habrá que dar una inclinación intermedia a los paneles siempre sin perder de vista que la producción es mayor en verano, con más horas de sol.

• Orientación

La orientación óptima será al sur (lo habitual en el hemisferio norte en el que se ubica España), aunque condicionada por la orientación de los tejados inclinados, mientras que para techos planos y terrenos habrá un poco más de margen de maniobra.

• Sombras

Lo ideal es evitar las sombras porque afectan a la producción de energía pero, a veces, los paneles se ven afectados por la penumbra ocasional de obstáculos como chimeneas o elementos naturales. Con los paneles montados sobre estructuras con ángulo de inclinación variable hay que cuidar que no se produzca sombreado entre filas. Una clave que ayuda a evitar el problema es el uso de paneles de célula partida, que reducen el impacto de las sombras por cómo se conectan las  celdas solares.

Cálculo de la producción de energía

Una vez seleccionados los paneles e inversores, lo que sigue es determinar cuánta energía producirá el sistema y si éste se ajusta a las necesidades de consumo. En nuestros estudios, trazamos una curva denominada cobertura solar, que representa el consumo de energía durante las horas diurnas y la producción que conseguirá la instalación propuesta. Esta gráfica nos ofrece una visión rápida de la adecuación del proyecto atendiendo al consumo previsto.

Cobertura solar de la instalación

En la Gráfica 1 se muestra un ejemplo de la curva de un sistema que cubre el 100 % de la demanda diurna. En este caso se produce un excedente considerable, sobre todo en los meses de verano. Es en este momento en el que hay que revisar la modalidad de autoconsumo, y dependiendo del resultado, se podrá rediseñar o no el sistema.

Retorno económico

Es uno de los puntos clave de un estudio fotovoltaico, ya que puede marcar la viabilidad o no de la instalación. En las instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo no hay ingresos económicos propiamente dichos, sino que la aportación económica se produce por el ahorro de energía que el usuario deja de comprar a la red.

Para estimar el aporte económico de una instalación, se hace una proyección a 25 años de la energía que producirá el sistema, teniendo en cuenta el aumento de los precios de la energía. En instalaciones en modalidad de excedentes con compensación se nota una mayor aportación económica, ya que los excesos de producción son aprovechados.

El retorno económico está condicionado por diversos factores, entre los que destaca el hábito de consumo. Un consumidor de energía cuya demanda se produce mayoritariamente durante las horas diurnas, verá un mayor retorno económico, ya que producirá él mismo toda la energía demandada durante el día. Esto indica que, aunque siempre habrá un beneficio económico considerable, un cambio de hábito de consumo de energía hacia las horas de mayor producción solar, tendrá un impacto positivo en cuanto a la aportación económica de la instalación.

Características de la instalación

Una vez dimensionada es presentada en una imagen tridimensional que nos dará una idea de cómo quedarán los paneles una vez que sean instalados, así como del impacto de las sombras.

– String: se refiere a un número determinado de paneles conectados en serie.

– MPPT:  hace referencia al rastreador del punto de máxima potencia (Maximum Power Point Tracker). Cada inversor tiene un número determinado de rastreadores MPPT y estos a su vez tienen una capacidad de strings determinada.

– STC o condiciones estándar de medida (Standard Technical Conditions): se refiere a las condiciones en las que se prueban los paneles solares para medir sus características técnicas, véase tensión (V) e intensidad (I).

Todos estos términos son utilizados para describir la instalación.

Una de las características de la instalación fotovoltaica es cómo estarán configuradas las conexiones entre paneles e inversor. De ahí que escuchemos cuántos string de paneles se conectan a cada MPPT y cuántos paneles en serie tendrá cada string.

Otro aspecto importante en una instalación fotovoltaica son las protecciones eléctricas. En general, se suele poner un cuadro de protecciones para la parte de CC y otro para la parte de CA y estas dependerán de las características técnicas tanto de los paneles como del inversor.

1. Cuadro CC

El cuadro de CC está situado entre los paneles y el inversor y tiene unas protecciones eléctricas para cada string. Usualmente se utilizan interruptores magnetotérmicos, o seccionadores más fusibles, y descargadores de sobretensiones. Los componentes seleccionados y sus características dependerán de los parámetros técnicos de la instalación.

1. Cuadro CA

El cuadro de CA está situado entre el inversor y el cuadro general de mando y protección (CGMP) y los componentes seleccionados en su configuración dependerán de los parámetros técnicos del inversor.

Todos los componentes de la instalación, tanto paneles, como cuadros de protecciones y el inversor, son presentados en un esquema eléctrico que sirve como referencia al instalador.

Conclusiones

Hemos tratado de ofrecer una visión general de todos los factores a considerar a la hora de determinar qué instalación fotovoltaica se ajusta más a las necesidades de cada cliente. Hay un gran número de aspectos que afectan al diseño de la instalación, desde el espacio disponible, que limita el número de paneles a instalar, a la forma en la que se colocarán los paneles. Por ello, es aconsejable hacer un estudio fotovoltaico que determine la instalación óptima. Todos los estudios fotovoltaicos de Chint están enfocados en ofrecer una solución completa.