PHOTOCAMPA: SISTEMA FOTOVOLTAICO INTEGRADO EN

ESTRUCTURA DE APARCAMIENTO

O.Perpiñan1p, S. Izquierdo2, L. Méndez1, S. Salat2, R. Eyras1

1ISOFOTON, S.A.,Montalbán 9, 1º Dcha. 28014 Madrid, España,

e-mail: o.perpinan@isofoton.es 2ICAEN,Av. Diagonal 453 Bis, Àtic 08036 Barcelona, España,

e-mail: renovables.icaen@menta.net

RESUMEN

El proyecto Photocampa consiste en una instalación fotovoltaica de 317 kWp para

conexión a red. El sistema generador está integrado en una estructura de aparca-

miento situada en una gran área de almacenamiento y distribución de vehículos. El

proyecto ha sido parcialmente financiado con fondos del V Programa Marco de la

Unión Europea, con el principal objetivo de desarrollar condiciones técnicas y eco-

nómicas para impulsar la instalación de sistemas fotovoltaicos en estructuras de

aparcamiento.

ABSTRACT

Photocampa Project is a grid connected PV installation of 317 kWp. The generator is

integrated in a parking structure in a large area of storing and distribution of vehicles.

The project is partly funded by the V Framework programme of the European Union.

Its main aim is to develop technical and economical solutions and enforce the use of

PV systems in parking structures.

1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas fotovoltaicos de conexión a red (SFCR) constituyen actualmente la

principal aplicación de la ESF a nivel mundial. A finales del año 2000 existían 12,1

MWp en funcionamiento en España, de los cuales 2,8 MWp correspondían a siste-

mas de conexión a red1. En la Fig. 1 se puede observar la progresión de los EFCR

sobre el total de sistemas instalados a nivel mundial (datos reales hasta el año

1998).

1367

Mercado Mundial: EFCR

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1990 1993 1996 1997 1998 2000 2005 2010

%E

FC

R s

ob

re e

l to

tal d

e si

stem

as

Fig. 1.- Porcentaje de EFCR sobre sistemas FV instalados a nivel mundial

Sus características principales son:

• Descentralización: Se reducen pérdidas de conversión y transporte.

• Cercanía al consumo: Se favorece la relación del consumidor con el método de generación.

• Contribución al aplanamiento de la curva de demanda: uno de los picos de demanda diarios coinciden aproximadamente con el máximo de producción solar de un sistema correctamente orientado. En las siguientes figuras se re-presenta la curva de producción de energía del sistema FV Photocampa y la curva de demanda según datos de la empresa Red Eléctrica de España. En ambas gráficas se utiliza la hora legal.

Fig. 2 Monitorización del sistema FV “Photocam-pa”. Se muestran las curvas de radiación, poten-cia, corriente y tensión.

Fig. 3.- Curva real de demanda eléctrica según datos de la Red Eléctrica de España (www.ree.es).

1368

Los SFCR pueden ser instalados como centrales independientes (p.ej. 1 MW de To-

ledo) o como sistemas integrados en elementos de construcción de diversa catego-

ría (edificios, aparcamientos, barreras de ruido). Las centrales fotovoltaicas repre-

sentan un método de generación centralizada (aunque en menor medida que las

centrales convencionales), siendo necesaria la compra o alquiler del terreno, y la

realización de estructura y obra civil exclusivamente dedicadas a la central. Sin em-

bargo, la integración arquitectónica de SFCR constituye un método de generación

descentralizado (y por tanto más fácilmente reproducible por adaptarse a las carac-

terísticas del recurso solar) que no precisa terreno, estructura ni obra civil exclusi-

vamente dedicados2.

En el caso de EFCR el equipo de arquitectos Kiss Cathcart señalan los si-

guientes aspectos de simbiosis entre el sistema FV y el edificio:3

• Ya que el módulo PV reemplaza un componente de construcción, hay que

descontar el coste de este componente del coste total del SFCR.

• La superficie necesaria y la estructura para el PV ya está pagada por el edifi-

cio.

• Por sombras, un PV reduce la carga térmica del edificio, y por tanto el con-

sumo energético para refrigeración.

Potencialidad de los EFCR

La potencialidad de los EFCR se ve reflejado en el informe de la European Photovol-

taic Industry Association (EPIA), “Photovoltaics in 2010”4, donde se recoge una pre-

visión de la energía que se podría generar en el año 2010 utilizando las superficies

correspondientes sólo a cubiertas de edificios. Esta previsión se resume en las si-

guientes tablas:

1369

Tabla 1.- Previsión de generación de energía eléctrica en el año 2010 mediante SFCR en cubiertas de edificios

Total

Superficie

neta en cu-

biertas

(km2)

Potencia ins-

talable (MWp)

Energía produ-

cible

(MWh/año)

Consumo de elec-

tricidad

(MWh/año)

Porcentaje

Electricidad

FV

Europa 3.723 617.662 494.194.649 3.376.264.633 14,64%

EEUU 4.563 757.039 903.579.106 4.623.186.067 19,54%

Japón 1.050 174.179 158.503.338 1.373.048.233 11,54%

Resto de OCDE 1.273 211.231 230.435.051 1.146.311.883 20,10%

Sobre la Tabla 1 merece la pena señalar que en el año 2000, la generación de elec-

tricidad mediante sistemas fotovoltaicos (de cualquier tipo, no sólo de conexión a

red) en España fue de 21,7 GWh, correspondiente al 0,00965% del total de la gene-

ración de electricidad en ese año.

Dentro del proyecto Photocampa, se realizaron estudios socioeconómicos con el

objetivo doble de promocionar el uso de de sistemas FV en estructuras de aparca-

miento y averiguar la disposición de diferentes clientes potenciales (p.ej. empresas

de distribución de vehículos, hipermercados, etc.) a adoptar esta solución en sus

empresas. Entre los resultados que se obtuvieron merece la pena destacar la cifra

de 40 MWp como potencia FV que se podría instalar en Europa utilizando aparca-

mientos FV. Esta cifra se debe considerar como bastante positiva teniendo en cuen-

ta que los supuestos de los que parte el estudio son bastante pesimistas (no obstan-

te, bastante cercanos a la situación actual).

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PHOTOCAMPA

Características básicas

El proyecto Photocampa se encuadra dentro del V Programa Marco de la Unión Eu-

ropea. Se concibe como un proyecto de demostración con el objetivo básico de im-

pulsar a nivel europeo el uso de los sistemas FV integrados en estructuras de apar-

camiento. El proyecto Photocampa ha sido desarrollado con la participación de

diferentes socios comunitarios: la española ISOFOTON (coordinador del proyecto),

la alemana BIOHAUS y la francesa SUNWATT France; el centro de investigación

Newcastle Photovoltaics Applications Centre (NPAC) de la Universidad de

Northumbria, en el Reino Unido, y el Institut Català d’Energia (ICAEN). El proyecto,

1370

con una inversión total de 2.612.600 €, ha sido financiado en su mayor parte por

Bergé y Cía (44%), la Unión Europea (35%) y los socios participantes.

Se trata de la planta solar fotovoltaica privada más grande de España ocupando una

superficie efectiva de captación solar de 2.600 m2.

Generador FV

El campo fotovoltaico de la instalación Photocampa alimenta a tres tipologías

diferentes de inversores (central, de rama y de módulo), y tiene una potencia

máxima de 317,2 kWp. En total, se han instalado 2.992 módulos fotovoltaicos

ISOFOTON I-106 de 106 Wp de potencia unitaria.

En la siguiente tabla se resumen las características eléctricas de los generadores FV

asociados a cada inversor. La tensión y corriente que se proporcionan están

refereridas a condiciones estándar (I=1000 W/m2, Tc=25ºC).

Tabla 2.- Características eléctricas del generador FV ACEF SB NKF

Nº Inversores 3 6 13 Potencia Inversor (kW) 100 2.2 0.1

Ramas por inversor 27 1 1 Módulos por rama 35 24 1

Voc 756 518,4 43,2 Vmax 609 417,6 34,8

Isc 164,7 6,54 3,27 Imax 176,6 6,1 3,05

Dado el gran número de paneles a instalar, y tras el control de calidad de módulos

realizado por el Instituto de Energía Solar, se realizo una clasificación en tres

categorías atendiendo al valor de su corriente de cortocircuito. Con este

procedimiento se reducen las pérdidas por dispersión desde un 6,3% (sin

clasificación) hasta un 3,3% (clasificación en tres categorías)5.

Inversor

El equipo inversor transforma la corriente continua que proporcionan los módulos en

corriente alterna que se inyecta en la red. Un inversor suele estar compuesto de los

1371

siguientes bloques: filtro de entrada (atenúa el rizado que produce la conmutación en

la corriente de entrada), puente de transistores de potencia (realizan el troceado de

la señal continua para convertirla en alterna), filtro de salida (elimina o atenúa los

armónicos no deseados), transformador (adecua el valor de tensión de salida del

puente al de la red y proporciona aislamiento galvánico entre la parte DC y AC).

Actualmente, la tecnología más usada en inversores de conexión a red es la modu-

lación por ancho de pulsos (PWM). Consiste en trocear la señal de corriente conti-

nua en pulsos cuya anchura se regula para conseguir un determinado valor de co-

rriente y una distorsión armónica aceptable. Además, el inversor incorpora distintas

protecciones tanto para su buen funcionamiento como para prevenir posibles acci-

dentes eléctricos (se describen en el subapartado sobre seguridad eléctrica).

Dado la potencia FV instalada, lo recomendable es utilizar inversores centrales6. Sin

embargo, en el contexto de un cierto debate a nivel europeo sobre esta aspecto, se

ha optado por utilizar tres filosofías distintas para estudiar el funcionamiento en

términos de eficiencia, fiabilidad, mantenimiento, etc. En la tabla siguiente se

muestran las características básicas de los tres inversores.

Tabla 3.- Características básicas de los inversores utilizados ENTRADA ACEF SB NKF

Tensión Mínima en MPP (Vdc) 450 250 24

Tensión máxima en MPP (Vdc) 606 550 50

Tensión maxima en Circuito abierto (Vdc) 756 600

SALIDA ACEF SB NKF

Potencia (kW) 100 2.2 0.1

Tensión (Vac) 400 (III) 220/230 230

Variaciones ±10% 196-253 V

Frecuencia (Hz) 50 49,8 – 50,2 50

Distorsión armónica total de onda de corriente <5% <4% <3%

Factor de potencia >0.98

Eficiencia a plena carga >94% >94% 94%

La calidad de un inversor se mide, entre otros parámetros, por su curva de eficiencia

para distintas potencias de funcionamiento, por su fiabilidad, y por su capacidad para

localizar adecuadamente el punto de máxima potencia del campo FV. La siguiente

1372

figura muestra la curva de eficiencia de un inversor ACEF. Se puede observar como,

a partir de cierto nivel de carga, la curva se aplana.

Fig. 4.- Curva de eficiencia de un inversor ACEF

Dado que las condiciones de trabajo del generador FV son cambiantes a lo largo del

día, se debe conseguir que el generador FV entregue la potencia necesaria para que

el inversor trabaje en esa zona durante la mayor parte del tiempo posible. Por eso,

en algunas instalaciones se sobredimensiona el tamaño del generador FV respecto

de la potencia de salida del inversor.

Fig. 5.- Resultados de monitorización de un inversor de 100 kW en la instalación Photocampa (13/04/02)

Para calcular el rendimiento global del sistema (PR, performance ratio) es preferible

utilizar la eficiencia energética del inversor (los valores anteriores hacen referencia a

1373

eficiencia instantánea, en términos de potencia), que, para latitudes europeas puede

calcularse con7:

?promedio=0.03?(5%)+0.06?(10%)+0.13?(20%)+0.1?(30%)+0.48?(50%)+0.2?(100%)

Con la curva mostrada, resulta una eficiencia “europea” para el inversor de 94%.

Adicionalmente, existen pérdidas debidas a caída de tensión en cableado, dispersión

de parámetros en el generador, suciedad de módulos, incidencia no perpendicular,

transmitancia del vidrio, orientación e inclinación no óptimas, temperatura de módulo

superior a 25ºC, etc. que deben ser contabilizadas para calcular el rendimiento glo-

bal del sistema. Para esta instalación, los datos obtenidos de la monitorización pro-

porcionan un valor de PR entre 70% y 75% (ver Fig. 6).

Con este valor de PR, se estima que la energía anual generada por el sistema será

superior a 370MWh (1175 kWh/kWp)8,9.

Fig. 6.- Resultados de monitorización de un inversor de 100 kW en la instalación Photocampa (Abril)

Cableado

El diseño del cableado se realiza normalmente mediante el criterio de caída de ten-

sión (la intensidad admisible de los conductores suele ser mayor que la que impone

el generador). En sistemas de gran tamaño, es importante prestar atención al hecho

de que el cableado puede crear un gran bucle que funciona como antena en caso de

descargas atmosféricas. Por tanto, para prevenir problemas debidos a sobretensio-

1374

nes inducidas, el diseño del cableado debe cuidarse realizando bucles de pequeño

tamaño cruzando cables de distinta polaridad cada cierta distancia.

Por otra parte, en el diseño de la estructura que integrará el generador FV a un edifi-

cio se ha dotado de un camino adecuado que debe recorrer el cableado entre módu-

los y de módulos a cajas de protección. Sin caer en la obsesión por ocultar totalmen-

te los cables (al fin y al cabo se trata de una instalación eléctrica), se debe cuidar el

aspecto estético para no estropear lo que de otra forma puede ser una instalación de

imagen atractiva. La Fig. 7 muestra un detalle de cableado de la instalación donde

se puede apreciar como los cables quedan protegidos y disimulados en las correas

de la estructura.

Fig. 7.- Detalle de cableado

En esta instalación se han eliminado los compuestos halogenados de las especifica-

ciones técnicas tanto de los conductores como de los tubos de protección. Se ha

instalado el tipo de cable Afumex, de la casa Pirelli, de doble aislamiento a base de

poliolefinas. En cuanto a las tuberías de protección eléctrica se han utilizado tubos

Decaplast de doble pared en polietileno. De esta forma se evitan posibles acciones

contaminantes en la fabricación y se descarta el peligro de la formación de ácido

clorhídrico o compuestos organohalogenados tóxicos que se producen en caso de

incendio si se utilizan materiales convencionales.

3. SEGURIDAD ELÉCTRICA

Todo el sistema de protección se puede concebir en tres niveles10:

1375

• Nivel 1: Refuerzo del aislamiento de las partes activas.

o Configuración flotante del generador: mediante esta configuración, en la que am-

bos polos del generador están aislados de tierra, de forma que ninguna tensión

queda referenciada a tierra. Así se imposibilitan los accidentes por la aparición de

contactos indirectos de primer contacto.

o Cableado con aislamiento de protección: Las líneas están formadas por cables

unipolares con conductores de cobre, de doble aislamiento (0.6/1KV). Estos ais-

lamientos refuerzan la protección contra contactos indirectos.

o Aislamiento galvánico entre lados de AC y DC del sistema: Mediante transforma-

dores de devanados independientes en los inversores se imposibilita el cierre de

corriente de fallo a través del inversor.

• Nivel 2: Sistema de detección de aislamiento.

Mediante un vigilante de aislamiento son comprobadas constantemente todas y cada

una de las líneas del generador. De esta forma la planta cuenta con un sistema de

vigilancia de pérdidas de aislamiento, reforzando la protección contra contactos indi-

rectos. Este elemento genera una señal que inyecta en un polo activo y mide las po-

sibles fugas a tierra producidas. Esta señal es baja frecuencia (2 a 5 Hz) para evitar

las fugas capacitivas del cableado y dar una correcta medida para el régimen conti-

nuo. En caso de pérdida de aislamiento, derivaciones, o faltas a tierra, el vigilante

detecta la anomalía y se encargará de ordenar el disparo de los interruptores aislan-

do el campo fotovoltaico afectado. La orden provoca el cortocircuito del campo y la

puesta a tierra del mismo. Además, esta protección tiene la importante función de

proteger a las personas de contactos directos. De esta forma si se produjese el cie-

rre de la corriente a través de un hombre, el vigilante detectaría una resistencia de

aislamiento que sería la que la persona proporcionase, que al ser reducida originaría

la orden de disparo.

• Nivel 3: Protección en caso de fallo de los niveles 1 y 2:

En caso de fallo de los niveles anteriores aún queda la protección proporcionada por

la puesta a tierra directa de todas las masas de la planta. Gracias a ella se limitaría

la tensión que con respecto a tierra puedan adquirir las masas en caso de derivación

para evitar diferencias de potencial peligrosas.

Cabe señalar los siguientes componentes adicionales que contribuyen a proteger los

equipos (módulos e inversores), personas y calidad de la red.

1376

• Un interruptor general manual, que será un interruptor magnetotérmico con capa-

cidad de corte de la intensidad de cortocircuito indicada por la empresa distribui-

dora en el punto de conexión. Dado que la instalación se conecta en Media Ten-

sión (potencia superior a 100 kW), existe un interruptor general de MT y otro de

BT.

• Protección contra máxima tensión homopolar para actuar en caso de derivación a

tierra.

• Protecciones internas de los inversores frente a sobretensiones tanto en el lado

DC como en el lado AC, así como dispositivos de desconexión automática del

campo ante fallo de sincronismo, tensión de red fuera de rango y funcionamiento

en isla. Algunas de estas protecciones están también instaladas en las celdas de

MT.

• Protecciones contra sobretensiones inducidas por descargas atmosféricas (para-

rrayos y varistores). Estas protecciones se suman a la mencionada minimización

de las espiras de cableado y a la puesta a tierra.11,12

• Instalación de fusibles en cada rama. Hay que señalar la ausencia de diodos de

bloqueo en las instalaciones de conexión a red diseñadas por ISOFOTON. En al-

gunos manuales se recomienda el uso de diodos en serie con las ramas del ge-

nerador a modo de protección de los módulos fotovoltaicos para evitar el paso de

corrientes elevadas a través de ramas con tensión de trabajo significativamente

inferior al resto de las del generador. Sin embargo, el uso de estos diodos implica

una pérdida inevitable de potencia por disipación en el diodo, pérdida que se

puede evitar utilizando fusibles dimensionados para abrir la rama afectada a par-

tir de un nivel de corriente equivalente a 3-5 ramas. Por otra parte, estos fusibles

permiten el seccionamiento de todas las ramas para tareas de mantenimiento y

reparación.

4. CONCLUSIONES

Se han presentado las características fundamentales del proyecto Photocampa co-

mo aplicación de la energía solar FV en estructuras de aparcamientos. Este proyecto

se realiza en el contexto de una progresión acelerada de los sistemas FV de co-

nexión a red a nivel mundial. El diseño e instalación de este sistema, atendiendo a

criterios de calidad, seguridad eléctrica e integración arquitectónica, contribuye a

1377

potenciar esta progresión para convertir en realidad la potencialidad de estos siste-

mas en su contribución al sistema energético.

5. REFERENCIAS

1 Boletín IDAE nº 3, pag.106, Octubre 2001. 2 E. Caamaño, “Edificios fotovoltaicos conectados a la red eléctrica”, Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, 1998. 3 Kiss Cathcart Anders Architects, P.C, “Building integrated Photovoltaics”, NREL, EEUU, 1993 4 EPIA, “Photovoltaics in 2010”, Vol. 3, Chapter 1, pag. 58 y ss., 1996. 5 E. Caamaño y otros , Informe de medida de módulos fotovoltaicos, , Junio 2001. 6 H. Wilk , C. Panhuber “Power Conditioners for Grid Interactive PV Systems, What is the Optimal Size: 50 W or 50 kW?”, , published in the 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference (October 1995) 7 I. Krampitz, M. Schmela, “Market survey on grid-connected inverters” Photon Inter-national, nº5, May 2002. 8 E.Lorenzo, “La energía que producen los sistemas fotovoltaicos conectados a la red”, Era Solar 9 E. Caamaño, “Edificios fotovoltaicos conectados a la red eléctrica”, Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, 1998. 10 P. Gómez Vidal “Contribución al desarrollo tecnológico de la seguridad y protec-ción a personas en aplicaciones fotovoltaicas conectadas a la red”. Tesis Doctoral., Universidad de Jaén, 2000 11 TÜV,DTI, “Lightning and Overvoltage Protection in Photovoltaic and Solar Thermal Systems”, European Commission, 2000 12 IEC 61173, “Overvoltage protection for photovoltaic (PV) power generating sys-tems”

CORRESPONDENCIA

Oscar Perpiñan, Gerente Departamento de Ingeniería ISOFOTON, S.A (Montalbán 9, 28014 Madrid, España Tel: +34 915312625; Fax: +34 91531107 E-mail: o.perpinan@isofoton.es

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