La seguridad como objetivo en la instalación y el mantenimiento de sistemas fotovoltaicos

06-27-2013 | Seguridad

Por Jack Smith

Al final de una tarde de domingo, el Departamento de Bomberos del condado de Kern respondió a una llamada en una tienda en Rosedale Highway en Bakersfield, California. Los escuadrones de bomberos descubrieron una fila de paneles solares en el techo que se habían incendiado. Algunos de los paneles todavía estaban encendidos cuando el escuadrón llegó, por lo que los bomberos tuvieron que tomar precauciones extra hasta que la energía eléctrica pudo desconectarse.

Dicho de una forma sencilla, una instalación de energía solar comienza con los paneles fotovoltaicos que recolectan energía solar. El arreglo fotovoltaico alimenta tensión de CC a un inversor, que convierte la CC en CA. Algunas instalaciones tienen baterías, unidades de cambios de transferencia automáticas, equipo de monitoreo y medición, y dispositivos que permiten que la electricidad se retroalimente a la red eléctrica.

Por suerte, los escuadrones extinguieron con rapidez el fuego, que no penetró la cubierta de metal del techo. Los oficiales evacuaron la tienda, que reabrió cerca de cuatro horas después de la llamada. La lección por aprender de este ejemplo no es que la energía solar es poco segura o peligrosa, sino crear consciencia sobre la seguridad cuando se trabaja con arreglos y sistemas fotovoltaicos. Si bien los bomberos y el personal de auxilio necesitan conocer cómo desconectar de manera segura la electricidad para garantizar la seguridad del personal de emergencia y permitir la salida, los técnicos de mantenimiento de la instalación necesitan saber cómo mantener la electricidad fluyendo con seguridad y confiabilidad.

Configuraciones de sistemas fotovoltaicos típicos

Una célula fotovoltaica comercial típica con una superficie de 160 cm2 (25 pulgadas cuadradas) produce cerca de 2 watts de energía bajo condiciones de luz solar pico. Si la intensidad de luz solar es de 40 % del pico, la célula produce cerca de 0.8 vatios. Para ser útil como una fuente de energía eléctrica, las células fotovoltaicas deben conectarse en configuraciones de circuitos en serie y en paralelo para producir tensiones y corriente más altas. Conectar módulos en serie para producir "cadenas" aumenta la tensión; conectar las cadenas juntas en paralelo aumenta la corriente. Un arreglo de 30 módulos puede producir 4 kilovatios.

Los fabricantes combinan circuitos de células fotovoltaicas en láminas selladas que las protegen del entorno para construir módulos fotovoltaicos, los bloques fundamentales de los sistemas fotovoltaicos de generación. Los paneles fotovoltaicos incluyen varios módulos fotovoltaicos ensamblados y preconectados para ser instalados en el campo. Un arreglo de PV es una unidad de generación de energía completa, la cual puede incluir cualquier número de módulos y paneles fotovoltaicos.

Los sistemas fotovoltaicos pueden proporcionar energía suplementaria a hogares, negocios, municipios, instalaciones militares o a cualquiera que desee comprometerse e investigar. Los sistemas fotovoltaicos pueden ser la fuente de energía primaria para sistemas remotos, por ejemplo, en industrias con procesos en conductos, además de situaciones temporales de trabajo en el campo. Si bien la mayoría de la información en este artículo se aplica tanto a instalaciones fotovoltaicas comerciales como residenciales, el enfoque primario se encuentra en las comerciales. Por lo general, los sistemas residenciales difieren solo en tamaño. Los principios de funcionamiento y las configuraciones son muy similares. Los sistemas comerciales tienden a ser más complejos, pero este no siempre es el caso.

Los arreglos fotovoltaicos pueden colocarse en el techo de una instalación (como en la tienda de Bakersfield) o en un terreno contiguo a la instalación. Habitualmente, los arreglos solares requieren alrededor de una a dos hectáreas (tres a cinco acres) por megavatio. El techo y los arreglos montados en un edificio maximizan la huella de recolección total de luz solar disponible para un sitio. Sin embargo, la posibilidad de penetraciones en el techo y la carga en el techo, además de sus consecuencias, debe considerarse.

La base conceptual de casi cualquier instalación útil de energía solar comienza con los paneles fotovoltaicos recolectando luz solar. El arreglo fotovoltaico alimenta tensión de CC a un inversor, que convierte la CC en CA de 60 Hz. La CA del inversor proporciona energía a la instalación o al hogar.

Obviamente, hay algunos elementos importantes que faltan para hacer que el sistema del ejemplo sea útil y seguro. Dependiendo de los requisitos de la instalación, un sistema también puede incluir cierta cantidad de dispositivos de protección e interrupción de CC, como cajas de conexiones de CC, disyuntores, interruptores de desconexión y contactores. Los inversores están disponibles en muchas configuraciones y rangos de alimentación. (Una caja de conexiones se usa como el punto de conexión en paralelo para dos o más circuitos). Algunas instalaciones grandes emplean varios inversores. Un sistema del "mundo real" también incluye interruptores de CA y dispositivos de protección como tableros y conmutadores, interruptores de desconexión, disyuntores, conjuntos de interruptores de baja y media tensión, y transformadores de baja y media tensión. Algunas instalaciones también tienen baterías, unidades de cambios de transferencia automáticas, equipo de monitoreo y medición, y dispositivos que permiten que la electricidad se retroalimente a la red eléctrica. Los requisitos funcionales y operativos, las configuraciones de los componentes y la forma en que el equipo se conecta a otras fuentes de energía y cargas eléctricas determina las clasificaciones del sistema de energía fotovoltaica. Las dos clasificaciones principales son sistemas conectados a la red eléctrica (o que interactúan con el servicio público) y sistemas autónomos.

Los sistemas conectados a la red eléctrica funcionan mientras están conectados con la red eléctrica del servicio público. Además del arreglo fotovoltaico en sí, el componente principal en un sistema conectado a la red eléctrica es el inversor. El sistema fotovoltaico, en específico el inversor, interactúa de forma bidireccional con la red eléctrica del servicio público, por lo general en un panel de distribución en el sitio o en una entrada de servicio.

Los sistemas fotovoltaicos autónomos operan de manera independiente a la red eléctrica del servicio público. Las instalaciones que usan un sistema fotovoltaico autónomo por lo general usan baterías para el almacenamiento de energía. Las baterías almacenan energía del arreglo fotovoltaico durante el día y proporcionan energía a las cargas eléctricas durante la noche o los días nublados. Las baterías también ayudan a estabilizar la tensión del sistema y proporcionan corriente de activación a las cargas eléctricas si es necesario. Habitualmente, los controladores de carga de batería protegen las baterías de sobrecargas y de descargarse en exceso.

Qué diferencia a los sistemas fotovoltaicos

La diferencia obvia entre los sistemas eléctricos fotovoltaicos y la electricidad proporcionada por el servicio público es que los arreglos fotovoltaicos generan CC. La electricidad generada no se convierte en CA hasta que es procesada por el inversor. Parte de una instalación fotovoltaica es necesariamente CC, lo que requiere tipos de componentes diferentes a los de las instalaciones de CA. Los componentes en los sistemas fotovoltaicos que no se encuentran en sistemas de CA incluyen cajas de conexiones e interruptores de desconexión de CC.

Las cajas de conexiones solares agregan la energía de CC al arreglo fotovoltaico y proporcionan protección de sobrecorriente de acuerdo con los requisitos del National Electrical Code (NEC). Las entradas individuales se conectan a los soportes de fusibles. Los lados de las cargas de los soportes de fusibles se conectan juntos para formar un bus común, que se conecta a las lengüetas de salida. Las cajas de conexiones son de fuente o de arreglos. Las cajas de conexiones de fuente se ubican más cerca de los paneles fotovoltaicos. Las cajas de conexiones de arreglos (o recombinadores) suman las salidas de varias cajas de conexiones de fuente en un solo circuito y se encuentran en instalaciones grandes. Las cajas de conexiones de arreglos tienen soportes de fusibles de entrada más alta y una corriente de salida mayor.

Generalmente, los sistemas fotovoltaicos generan tensión en el rango de 400 V CC a 600 V CC, una tensión mucho mayor que la encontrada en los sistemas de la mayoría de los edificios. La combinación de esta tensión mayor con la falta de una onda sinusoidal de corriente con cero cruces crea diversos desafíos de cableado, componentes y diseño del sistema, en especial cuando se encienden y se apagan estos circuitos de CC. En comparación con los sistemas de CA con una onda sinusoidal de corriente de cero cruces, interrumpir circuitos de CC de tensión mayor requiere un espacio de aire aumentado para interrumpir y romper el arco con rapidez y seguridad. El cableado en serie de múltiples polos de un solo interruptor crea el espacio de aire aumentado para la interrupción segura del arco.

Ya que los circuitos de CC consisten en dos cables, uno positivo y uno negativo, uno de ellos debe servir como tierra en la mayoría de los sistemas fotovoltaicos, como el neutro en un sistema de CA. El fabricante del panel solar especifica cuál de estos cables es el puesto a tierra. La puesta a tierra negativa es la configuración más común. Esta conexión por lo general se realiza en el inversor. De acuerdo con el NEC, solo el conductor no puesto a tierra que transporta corriente debería tener interruptor.

Problemas fotovoltaicos potenciales

La mayoría de los sistemas fotovoltaicos que instalan profesionales respetables y calificados se realizan con seguridad y confiabilidad. Sin embargo, tener un sistema de energía eléctrica fotovoltaico instalado por personas no capacitadas puede llevar a problemas. Algunos de los problemas comunes asociados con el diseño, la instalación y la operación de los sistemas fotovoltaicos incluyen:

  • Sombreado extenso del arreglo fotovoltaico
  • Montaje estructural inseguro en techos y otras estructuras
  • Sellado contra las condiciones climáticas inadecuado para el techo y otras penetraciones
  • Cableado inseguro
  • Instalación insegura de la batería o mantenimiento o uso inadecuado de la batería
  • Corriente máxima del conductor o tipo de aislamiento insuficientes
  • Uso de equipo no certificado
  • Aplicación inadecuada de equipo certificado o no certificado
  • Colocación inadecuada de protección de sobrecorriente y dispositivos de desconexión
  • Puesta a tierra inadecuada
  • Etiquetado inadecuado en los componentes principales del sistema y los dispositivos de conexión
  • Documentación inadecuada de los requisitos de mantenimiento, funcionamiento y diseño del sistema
  • Protección inadecuada de ciertos componentes del sistema para el entorno

Pruebas y solución de problemas

Cualquier paquete de diseño del sistema fotovoltaico debe incluir documentación de soporte, que debería, como mínimo, incluir las especificaciones del sistema, esquemas eléctricos, planos mecánicos, listas de piezas, listas de materiales y listas de fuentes. La documentación también debería incluir los procedimientos de instalación y comprobación, capacitación del usuario y del operador, requisitos de mantenimiento, guías de resolución de problemas, y especificar las herramientas y el equipo requerido para realizar estas tareas.

Los requisitos de las instalaciones fotovoltaicas dependen del tipo de diseño del sistema y del equipo usado. Algunas instalaciones requieren muy poca atención, quizá solo inspecciones anuales. Otras, en especial aquellas con baterías, pueden requerir intervalos de mantenimiento de cuatro a seis meses, o incluso reemplazos de componentes (usualmente baterías) a lo largo de la vida útil del sistema. Las acciones de mantenimiento habituales que las instalaciones fotovoltaicas podrían requerir incluyen:

  • Inspección de conexiones y terminaciones de cableado para detectar holgura y corrosión
  • Inspección de arneses de cableado para garantizar que están protegidos y agrupados ordenadamente
  • Inspección del arreglo fotovoltaico para asegurar la limpieza, la ausencia de daño e integridad estructural
  • Inspección de penetraciones en el techo y de sellado contra las condiciones climáticas
  • Mantenimiento de las baterías, lo cual puede incluir limpieza, agregar electrolitos, ecualización de la carga y reemplazo si es necesario

Use las herramientas apropiadas para la tarea

Sin importar si está instalando o dándole mantenimiento a un sistema fotovoltaico, use las herramientas apropiadas para la tarea. Por lo general, puede realizar la mayoría de las tareas que involucran módulos fotovoltaicos y sus circuitos de CC asociados con un multímetro digital (DMM) de alta calidad con una pinza amperimétrica o una pinza amperimétrica con capacidad de medición de tensión.

Use un DDM con pinza amperimétrica o una pinza amperimétrica para probar módulos cuando se reciben y de nuevo después de la instalación. Use cualquiera de estos instrumentos para verificar la corriente y la tensión de salida del arreglo. Durante la instalación, asegúrese de que las unidades apropiadas se conectan en serie para proporcionar la tensión correcta. Asegúrese de que las secciones del arreglo apropiadas se conectan en paralelo para proporcionar la tensión correcta.

Use un DMM y una pinza amperimétrica para garantizar las conexiones apropiadas con el inversor, además de la corriente y las tensiones de salida y de entrada del inversor correctas. Estas herramientas pueden ayudarlo a solucionar los problemas del resto de la instalación, justo como lo haría con cualquier otro sistema de energía de CA.

Algunos problemas de inversores requieren el uso de un osciloscopio o la combinación de un osciloscopio y un medidor. Por ejemplo, use un osciloscopio para detectar e identificar problemas de ruido en el devanado del circuito de control, o para comprobar la operación apropiada del transistor bipolar de puerta aislada mediante la observación de sus formas de onda. Puede detectar un transistor con cortocircuito midiendo a lo largo del transistor con un osciloscopio. Un buen transistor tiene una forma de onda cuadrada y bien definida con bordes nítidos, mientras que un mal transistor tiene una forma de onda redondeada en el pico del borde delantero. Asimismo, asegúrese de que la forma de onda en la salida del inversor se aproxima a una onda sinusoidal.

Ya que virtualmente cualquier instalación fotovoltaica usa inversores para convertir la CC del arreglo fotovoltaico en CA, podría haber cierto contenido de armónicos presente en la CA que proviene del sistema fotovoltaico. Los variadores de frecuencia (VFD) son responsables de la mayoría de la generación de armónicos. Los circuitos que los inversores usan para convertir CC en CA son notablemente similares a los circuitos que son responsables de generar corrientes de armónicos. Generalmente, los diseños de los sistemas fotovoltaicos deberían minimizar los armónicos. Sin embargo, si sospecha que hay problemas de armónicos en su instalación, puede usar un analizador de calidad eléctrica para solucionar el problema del sistema.

Estar consciente de los problemas potenciales, hacer pruebas y solucionar los problemas con herramientas adecuadas para la tarea en cuestión, lo ayudará a conseguir y mantener un sistema fotovoltaico que funcione con seguridad y confiabilidad.