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

Por Jack Smith

Al final de una tarde de domingo, el departamento de bomberos del condado de Kern respondió a una llamada de una tienda situada en Rosedale Highway, en Bakersfield (California). Los equipos de bomberos descubrieron que una fila de paneles solares en el tejado se había incendiado. Algunos paneles todavía estaban en llamas cuando llegó el equipo, por lo que los bomberos tuvieron que tomar precauciones añadidas hasta que pudo desconectarse la energía eléctrica.

Dicho de una forma sencilla, una instalación de energía solar comienza con los paneles fotovoltaicos que recojan la luz solar. Los paneles fotovoltaicos suministran tensión CC a un inversor, que convierte la CC en CA. Algunas instalaciones tienen baterías, interruptores de transferencia automática, equipo de supervisión y medida, y dispositivos que permiten reintroducir la electricidad en la red eléctrica.

Por suerte, los equipos extinguieron el fuego con tal rapidez, que no penetró en la cubierta de metal del tejado. Los agentes evacuaron la tienda, que reabrió cerca de cuatro horas después de la llamada. La lección que se debe aprender de este ejemplo no es que la energía solar es poco segura o peligrosa, sino concienciar sobre la seguridad cuando se trabaja con paneles y sistemas fotovoltaicos. Si bien los bomberos y el personal de primeros auxilios necesitan conocer cómo desconectar la electricidad para garantizar la seguridad del personal de emergencia y permitir la salida de las instalaciones, los técnicos de mantenimiento necesitan saber cómo mantener la electricidad en marcha con seguridad y fiabilidad.

Configuraciones de sistemas fotovoltaicos típicos

Una célula fotovoltaica comercial típica con una superficie de 160 cm2 produce cerca de 2 W bajo condiciones de luz solar en su pico más alto. Si la intensidad de luz solar es del 40% del pico, la célula produce cerca de 0,8 W. Para ser útil como fuente de energía eléctrica, las células fotovoltaicas deben conectarse en configuraciones de circuitos en serie y en paralelo para producir tensiones y corrientes más altas. Conectar módulos en serie para producir "cadenas" aumenta la tensión; conectar las cadenas juntas en paralelo aumenta la corriente. 30 módulos fotovoltaicos puede producir 4 kW.

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 de generación de energía fotovoltaica. Los paneles fotovoltaicos incluyen varios módulos fotovoltaicos montados y preconectados para ser instalados. Una matriz fotovoltaica es una unidad completa de generación de energía que puede incluir un número indefinido de módulos y paneles fotovoltaicos.

Los sistemas fotovoltaicos pueden proporcionar energía suplementaria a hogares, empresas, municipios, instalaciones militares o a cualquiera que desee comprometerse y hacer la inversión. Los sistemas fotovoltaicos pueden ser la fuente de energía primaria para sistemas remotos, por ejemplo, en industrias con procesos en conductos, además de en situaciones temporales de trabajo en campo. Si bien la mayor parte de la información en este artículo puede aplicarse a instalaciones fotovoltaicas tanto comerciales como residenciales, se centra en instalaciones comerciales. Por lo general, los sistemas residenciales difieren solo en tamaño. Los principios y las configuraciones de funcionamiento son muy similares. Los sistemas comerciales tienden a ser más complejos, pero no siempre es así.

Las matrices fotovoltaicas pueden colocarse en el tejado de una instalación (como en el de la tienda de Bakersfield) o en un terreno contiguo a la instalación. Habitualmente, los paneles solares requieren alrededor de una a dos hectáreas (tres a cinco acres) por megavatio. Las matrices de montaje en tejados y edificios maximizan la luz solar recogida en una instalación. Sin embargo, debe tenerse en cuenta la posibilidad de que haya penetraciones en el tejado y la carga que este habrá de soportar, además de las consecuencias que pueden derivarse.

La base conceptual de casi cualquier instalación útil de energía solar comienza con los paneles fotovoltaicos que recogen luz solar. La matriz de montaje fotovoltaico alimenta tensión de CC a un inversor, el cual convierte la CC en CA de 60 Hz. La CA procedente del inversor es la que suministra energía a las instalaciones comerciales o a los hogares.

Obviamente, faltan algunos elementos importantes que son necesarios para que el sistema del ejemplo resulte útil y seguro. Dependiendo de los requisitos de la instalación, un sistema también puede incluir cierta cantidad de dispositivos de protección y conmutación de CC, como cajas de conexiones de CC, disyuntores, interruptores de desconexión y contactores. Los convertidores están disponibles en muchas configuraciones y rangos de potencia. (Una caja de conexiones se usa como el punto de conexión en paralelo para dos o más circuitos). Algunas instalaciones grandes emplean varios convertidores. 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 tienen baterías, interruptores de transferencia automática, equipo de supervisión y medida, y dispositivos que permiten reintroducir la electricidad en la red eléctrica. Los requisitos funcionales y operativos, las configuraciones de los componentes y la forma en la 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 a la red eléctrica. Además de la matriz fotovoltaica en sí, el componente principal de un sistema conectado a la red eléctrica es el convertidor. El sistema fotovoltaico, en concreto el convertidor, interactúa bidireccionalmente con la red eléctrica; por lo general, en un cuadro de distribución en las propias instalaciones o en una acometida de servicio.

Los sistemas fotovoltaicos autónomos operan de manera independiente a la red eléctrica. Las instalaciones que usan un sistema fotovoltaico autónomo, por lo general, usan baterías para el almacenamiento de energía. Durante el día, las baterías almacenan energía procedente de la matriz fotovoltaica y proporcionan energía a las cargas eléctricas durante la noche o en los días nublados. Las baterías también ayudan a estabilizar la tensión del sistema y, si es necesario, suministran corriente a las cargas eléctricas. Habitualmente, los controladores de carga evitan que las baterías sufran sobrecargas o que se descarguen en exceso.

En qué son diferentes los sistemas fotovoltaicos

La diferencia obvia entre los sistemas eléctricos fotovoltaicos y la electricidad que proporcionan las compañías es que las matrices fotovoltaicas generan CC. La electricidad generada no se convierte en CA hasta que la procesa 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 CC a la matriz fotovoltaica y evitan que se produzca una sobrecorriente de acuerdo con los requisitos del Código Eléctrico Nacional estadounidense (NEC). Las entradas individuales se conectan a los soportes de fusibles. Las secciones de carga 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 bien combinaciones de diferentes fuentes o de matrices. Las combinaciones de diferentes fuentes se ubican más cerca de los paneles fotovoltaicos. Los combinadores de matrices (o recombinadores) suman las salidas de varias cajas de conexiones de fuentes en un solo circuito y se encuentran en instalaciones grandes. Las cajas de conexiones de matrices tienen soportes de fusibles de entrada más alta y una corriente de salida mayor.

Los sistemas fotovoltaicos suelen generar una tensión de 400 V CC a 600 V CC, muy superior a la que se encuentra en la mayoría de los edificios. La combinación de esta mayor tensión con la falta de una onda senoidal 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 con cruce a corriente cero, interrumpir circuitos de CC de mayor tensión requiere un espacio de aire también mayor 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.

Puesto 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, igual que el neutro de un sistema de CA. El fabricante del panel solar es quien especifica cuál de estos cables es el de puesta a tierra. La puesta a tierra negativa es la configuración más habitual. Esta conexión, por lo general, se realiza en el inversor. De acuerdo con el NEC, solo el conductor que no se ha conectado a tierra y que transporta corriente debe contener un interruptor.

Problemas fotovoltaicos potenciales

La mayoría de los sistemas fotovoltaicos que instalan profesionales respetables y cualificados ofrecen seguridad y fiabilidad. Sin embargo, tener un sistema de alimentación eléctrica fotovoltaico instalado por personas no formadas puede dar lugar a problemas. Entre algunos de los problemas habituales asociados con el diseño, la instalación y el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos se encuentran:

  • Sombreado extenso de la matriz fotovoltaica
  • Montaje estructural inseguro en tejados y otras estructuras
  • Sellado inadecuado frente al entorno para el tejado y otras filtraciones
  • Cableado no seguro
  • Instalación no segura de la batería o mantenimiento o uso inadecuados de esta
  • Corriente máxima del conductor o tipo de aislamiento insuficiente
  • 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 desconexión
  • Documentación inadecuada de los requisitos de mantenimiento, funcionamiento y diseño del sistema
  • Protección inadecuada de ciertos componentes del sistema para el entorno

Pruebas y resolución de problemas

Cualquier paquete de diseño de un sistema fotovoltaico debe incluir documentación de asistencia, que debería, como mínimo, 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, formación del usuario y del operador, requisitos de mantenimiento, guías de resolución de problemas, y especificar los instrumentos y el equipo que se requieren para realizar estas tareas.

Los requisitos para las instalaciones fotovoltaicas dependen del tipo de diseño del sistema y del equipo utilizado. 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 la sustitución de componentes (generalmente baterías) a lo largo de la vida útil del sistema. Entre el mantenimiento habitual que pueden requerir las instalaciones fotovoltaicas se incluyen:

  • Inspección de conexiones y terminaciones de cableado para detectar holgura y corrosión
  • Inspección del cableado para garantizar que están protegidos y agrupados ordenadamente
  • Inspección de la matriz fotovoltaica para asegurar la limpieza, la ausencia de daños y la integridad estructural
  • Inspección de penetraciones en el tejado y del sellado contra las condiciones ambientales
  • Mantenimiento de las baterías, lo cual puede incluir limpieza, agregar electrolitos, compensación de la carga, y sustituciones si es necesario

Use los instrumentos apropiados para la tarea

Independientemente de si está instalando o haciendo el mantenimiento de un sistema fotovoltaico, use los instrumentos más apropiados para la tarea. Normalmente, puede realizar la mayoría de las tareas relacionadas con los módulos fotovoltaicos y sus circuitos de CC asociados con un multímetro digital de alta calidad con una pinza amperimétrica o una pinza amperimétrica capaz de medir la tensión.

Use un multímetro digital con pinza amperimétrica o una pinza amperimétrica para comprobar módulos al recibirlos y de nuevo tras instalación. Use cualquiera de estos instrumentos para verificar la corriente y la tensión de salida de la matriz fotovoltaica. Durante la instalación, compruebe que las unidades apropiadas se conectan en serie para suministrar la tensión correcta. Asegúrese de que las secciones de la matriz apropiadas se conectan en paralelo para proporcionar la tensión correcta.

Use un multímetro digital 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. Estos instrumentos pueden ayudarle a solucionar los problemas del resto de la instalación, justo como lo haría con cualquier otro sistema de CA.

Algunos problemas de inversores requieren el uso de un osciloscopio o la combinación de osciloscopio y multímetro. Por ejemplo, use un osciloscopio para detectar e identificar problemas de ruido en el devanado del circuito de control o para comprobar el funcionamiento del transistor IGBT observando sus formas de onda. Se puede detectar un transistor con un cortocircuito tomando las medidas 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 flanco delantero. Asimismo, asegúrese de que la forma de onda a la salida del inversor se aproxima a una onda senoidal.

Puesto que prácticamente cualquier instalación fotovoltaica usa inversores para convertir la CC de la matriz fotovoltaica en CA, podría haber cierto contenido de armónicos en la CA procedente del sistema fotovoltaico. Los variadores de frecuencia suelen ser los responsables de la mayoría de los armónicos generados. Los circuitos que los inversores usan para convertir CC en CA son notablemente parecidos 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.

Conocer los posibles problemas, hacer pruebas y solucionarlos con instrumentos adecuados para la tarea en cuestión, le ayudará a conseguir y mantener un sistema fotovoltaico que funcione de manera segura y fiable.

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