Estudio de la inclinación óptima de paneles solares bifaciales monocristalinos de silicio

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Eléctrica ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO Autor: Martín Benito, María Tutores: Miguel Ángel González Rebollo Cristian Terrados López Departamento de Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía Valladolid, Julio de 2022 ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 2/81 MARÍA MARTÍN BENITO ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 3/81 MARÍA MARTÍN BENITO AGRADECIMIENTOS A mi familia, por haber confiado siempre en mí y haberme motivado a conseguir lo que quiero desde el primer momento que comencé la carrera, sin dejar de hacerlo hasta hoy, que presento este Trabajo Fin de Grado. Al Grupo de Investigación GdS Optronlab por abrirme las puertas con su mejor sonrisa y haberme dado las herramientas necesarias para elaborar el proyecto. En especial a mi tutor Miguel Ángel González, por haber depositado su confianza para la realización de este proyecto y por la dedicación que esto ha supuesto; y también a mi segundo tutor, Cristian Terrados, por haberme ayudado en todo momento con gran interés. A mis amigos y a mi pareja, que siempre han estado en los mejores y peores momentos a lo largo de este periodo. A todos ellos, gracias por acompañarme. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 4/81 MARÍA MARTÍN BENITO ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 5/81 MARÍA MARTÍN BENITO RESUMEN La producción de energía eléctrica mediante radiación solar, o más conocida como fotovoltaica, está incrementándose exponencialmente. A menudo, nuevas tecnologías y materiales van surgiendo con el propósito de mejorar la calidad de esta energía, y aumentar el rendimiento de sus instalaciones. Hasta ahora, la mayoría de la producción solar se debía a los módulos monofaciales, introduciéndose paulatinamente los paneles bifaciales. Aunque es cierto que su funcionamiento es muy similar al de los primeros, es necesario el estudio de los factores que afectan a su cara trasera tales como el tipo de suelo y su reflexión además de vigilar también los ángulos de inclinación. En el siguiente trabajo de fin de carrera se va a hacer hincapié en el estudio de los módulos bifaciales; especialmente en las diferentes inclinaciones posibles para un panel, y se determinará el ángulo óptimo de producción mediante la comparación entre dos módulos bifaciales monitorizados. PALABRAS CLAVE: Fotovoltaica, Inclinación, Bifacial, Monitorización, Albedo. ASBTRACT The production of electrical energy through solar radiation, or better known as photovoltaics, is increasing exponentially. Often, new technologies and materials are emerging with the purpose of improving the quality of this energy and increasing the performance of your installations. Until now, most of the solar production is due to monofacial modules, gradually introducing bifacial panels. Although it is true that its operation is very similar to that of the former, it is necessary to study the factors that worsen its rear face, such as the type of soil and its reflection, and also studying the angles of inclination. In the following Final Degree Project, the study of bifacial modules will be made to reflect; especially the different possible inclinations for a panel, and the optimal production angle will be determined by comparing two monitored bifacial modules. KEY WORDS: Photovoltaics, Inclination, Bifacial, Monitoring, Albedo. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 6/81 MARÍA MARTÍN BENITO ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 7/81 MARÍA MARTÍN BENITO ÍNDICE 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................ 13 2 FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................................... 15 2.1 EVOLUCIÓN DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA EN LA ÚLTIMA DÉCADA ............. 15 2.2 TIPOS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ............................................................. 17 2.3 TECNOLOGÍA BIFACIAL ...................................................................................... 20 2.3.1 TIPOS DE CÉLULAS BIFACIALES .................................................................. 20 2.3.2 ALBEDO Y GANANCIA BIFACIAL................................................................. 24 2.4 DEFECTOS EN PANELES SOLARES Y TÉCNICAS DE DETECCIÓN ......................... 28 3 DISEÑO Y PUESTA EN MARCHA DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA ......................... 32 3.1 MÓDULOS BIFACIALES LG400NT-A5 (400Wp) .................................................. 32 3.2 INVERSOR Y ROUTER WIFI ................................................................................ 35 3.3 DISEÑO DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA ........................................................... 38 3.3.1 CÁLCULO DEL CABLEADO DE LOS PANELES AL INVERSOR ........................ 38 3.3.2 CÁLCULO DEL CABLEADO DEL INVERSOR AL CUADRO DE PROTECCIONES 41 3.3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LAS PROTECCIONES ......................................... 41 4 ESTUDIO DE MÓDULOS BIFACIALES ................................................................... 42 4.1 ANÁLISIS DE LOS PANELES CON LA MISMA INCLINACIÓN ................................ 43 4.2 ANÁLISIS DE LOS PANELES CON DIFERENTES INCLINACIONES ......................... 46 4.2.1 PROCEDIMIENTO ....................................................................................... 46 4.2.2 EJEMPLO DE TRATAMIENTO DE DATOS SEGÚN EL PROCEDIMIENTO EXPLICADO ................................................................................................................ 48 4.2.3 COMPARACIÓN DEL GRÁFICO DE PRODUCCIÓN CON LA IRRADIACIÓN DIARIA 51 4.2.4 COMPARACIÓN DE LA PRODUCCIÓN EN LOS DIFERENTES PERIODOS DIARIOS 54 4.2.5 CONCLUSIONES DEL PROCEDIMIENTO ..................................................... 56 4.3 ANÁLISIS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ALBEDO ............................................. 57 5 CONCLUSIONES GENERALES .............................................................................. 61 6 PRESUPUESTO ECONÓMICO .............................................................................. 63 6.1 GASTOS DE MATERIAL ...................................................................................... 63 6.2 GASTOS DE PERSONAL ...................................................................................... 64 6.3 OTROS GASTOS ................................................................................................. 65 ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 8/81 MARÍA MARTÍN BENITO 7 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 69 ANEXO A: APLICACIÓN PARA LA MONITORIZACIÓN DEL INVERSOR ........................... 71 ANEXO B: GRÁFICAS DE PRODUCCIÓN POR PERIODOS DIARIOS EN DIFERENTES INCLINACIONES ........................................................................................................ 78 ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 9/81 MARÍA MARTÍN BENITO ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Instalaciones fotovoltaicas: potencia instalada y producción de electricidad de 1998 a 2018. ...................................................................................................................... 15 Figura 2. Potencia instalada fotovoltaica desde el año 2007 hasta 2020. ........................ 16 Figura 3. Paneles de silicio monocristalino a la izquierda y policristalino a la derecha. ... 18 Figura 4. Estructura típica bifacial de célula PERC+. ......................................................... 21 Figura 5. Estructura típica bifacial de célula n-PERT. ........................................................ 22 Figura 6. Estructura típica bifacial de célula heterounión. ............................................... 23 Figura 7. Valores de albedo para diferentes superficies................................................... 25 Figura 8. Fotografía de un albedómetro. .......................................................................... 27 Figura 9. Pruebas de luminiscencia en la instalación. ....................................................... 29 Figura 10. Equipo de caracterización mediante PL. .......................................................... 29 Figura 11. Fotografía de los módulos utilizados en la instalación. ................................... 32 Figura 12. Características eléctricas del panel. ................................................................. 33 Figura 13. Características eléctricas del panel en condiciones normales de operación. .. 33 Figura 14. Curvas I-V características del panel ................................................................. 34 Figura 15. Imagen del inversor en la instalación. ............................................................. 35 Figura 16. Características técnicas del inversor. ............................................................... 36 Figura 17. Imagen del router ECU-R en la instalación. ..................................................... 37 Figura 18. Características técnicas del router ECU-R. ....................................................... 37 Figura 19. Esquema unifilar de la instalación eléctrica. .................................................... 38 Figura 20. Tabla A de la ITC-BT-19 del REBT. .................................................................... 40 Figura 21. Denominación de los módulos. ........................................................................ 42 Figura 22. Datos de energía en kWh obtenidos con ambos módulos a 35º. .................... 43 Figura 23. Prueba de fotoluminiscencia en el panel 1. Fuente: elaboración propia ........ 44 Figura 24. Prueba de fotoluminiscencia en el panel 2. Fuente: elaboración propia ........ 44 Figura 25. Prueba de fotoluminiscencia en la cara trasera de ambos paneles. ............... 45 Figura 26. Termografías realizadas a los paneles 2 y 1 respectivamente. ........................ 46 Figura 27. Datos de producción obtenidos por la aplicación APsystem. ......................... 48 Figura 28. Fichero EXCEL elaborado para tratamiento de los datos en cada periodo de inclinación. ........................................................................................................................ 49 Figura 29. Medias diarias y gráfico de producción energética diaria ............................... 50 Figura 30. Resumen de las medias diarias de producción. ............................................... 50 Figura 31. Gráfico de producción energética del día 25/05/2022. ................................... 51 Figura 32. Tablas de corrección de irradiancia para latitud de 42º. ................................. 52 Figura 33. Método de realización de curvas de irradiancia aplicando factores de corrección. ........................................................................................................................ 53 Figura 34. Curva de irradiación corregida del día 25/05/2022. ........................................ 53 Figura 35. Producción por periodos horarios para una inclinación de 21º. ..................... 54 Figura 36. Producción en periodos horarios para una inclinación de 24º. ....................... 55 Figura 37. Producción en periodos horarios para una inclinación de 28º. ....................... 56 Figura 38. Curva de irradiación corregida del día 14 de mayo. ........................................ 56 Figura 39. Tabla de producción media según inclinaciones ............................................. 57 Figura 40. Instalación con superficie oscura (superior) y blanca (inferior)....................... 58 ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 16/81 MARÍA MARTÍN BENITO A finales de julio de 2019, REE contabiliza 1104 MW más de producción que en diciembre del año anterior, incrementándose en una cuarta parte la capacidad de generación con energía fotovoltaica. Esto se produjo en gran parte gracias a las plantas de autoconsumo y las dedicadas a la producción para la comercialización. Un dato curioso es que el 70% de la energía fotovoltaica producida en ese periodo de tiempo proviene de Castilla-La Mancha, Andalucía, Extremadura, Castilla y León y Murcia, respectivamente en orden decreciente de potencia instalada. [1] A pesar de la crisis sanitaria y las dificultades sociales sobrevenidas sobrevenidas a comienzos del año 2020, la generación mediante energías renovables y, concretamente la fotovoltaica, impulsaron su crecimiento hasta batir un récord histórico. Debido a las subastas acontecidas en el año anterior y a los ambiciosos objetivos del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima, la energía fotovoltaica abandó abandonó su estancamiento para convertirse en la líder de la transición energética y de la descarbonización del sector eléctrico español, situándose como la segunda tecnología renovable de mayor generación solo por detrás de la eólica. [2] Figura 2. Potencia instalada fotovoltaica desde el año 2007 hasta 2020. Fuente: Aleasoft y REE Con el objetivo de seguir desarrollando la tecnología fotovoltaica y aumentando la potencia instalada en España, los diferentes gobiernos y el Parlamento Europeo han alcanzado un acuerdo reflejado en las medidas del “Horizonte 2020” de cara a los próximos 10 años con el objetivo claro de que en 2030 el 32% del consumo eléctrico en España sea de origen únicamente renovable. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 17/81 MARÍA MARTÍN BENITO Debido a la crisis energética causada por el incremento de los precios en los combustibles fósiles y, por otro lado, a la guerra en Ucrania que está afectando a gran parte del territorio europeo, las energías renovables se ven más solicitadas que de costumbre para gestionar el sistema energético español con la menor dependencia del gas posible. Esto no sólo contribuiría a la transformación del sector energético alejándose del gas, sino que disminuirían los precios de generación y por tanto, el gasto monetario del consumidor. 2.2 TIPOS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS La energía solar fotovoltaica se genera a través de células solares las cuales están formadas por materiales semiconductores que, cuando se ven afectados por la luz del sol, los electrones se excitan y generan una corriente eléctrica. Para la fabricación de estos módulos suele emplearse silicio, pero debido al gran desarrollo de la energía solar fotovoltaica, se están estudiando otros materiales semiconductores que puedan mejorar el rendimiento de los módulos. Por ejemplo, el seleniuro de sulfuro, cuyo coeficiente de absorción es más elevado, el arseniuro de indio-galio cuyo uso es casi exclusivo para la fabricación de células solares, el teluro de cadmio (CdTe) o el diseleniuro de indio-cobre (CIS), etc. Los módulos más habituales son aquellos fabricados con silicio, en el cual además se introducen impurezas en el que se denomina proceso de dopado y es necesario para que el silicio funcione como productor de energía. Existen dos tipos de átomos de dopado o impurezas: - Tipo N: aquellos que tienen un electrón más que el silicio en su capa de valencia más externa (por ejemplo, el fósforo). - Tipo P: aquellos que tienen un electrón menos que el silicio en su capa de valencia externa (por ejemplo, el boro). [3] Dentro de la producción a partir de células de silicio, se pueden fabricar dos tipos de paneles: DE TECNOLOGÍA CRISTALINA  Monocristalinos: células con una estructura perfectamente ordenada, de forma cuadrada y con las esquinas redondeadas. Esto se debe a que provienen de lingotes cilíndricos cortados en rebanadas. Su color es azul uniforme y su rendimiento oscila entre el 16% y algo más del 21. [4] ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 18/81 MARÍA MARTÍN BENITO  Policristalinos: también son de color azulado, pero se aprecian regiones diferentes compuestas por cristales distintos que hacen disminuir el rendimiento de las células, las cuales son completamente cuadradas. Su rendimiento oscila entre el 14% y el 16%, alcanzándose el 19,1% en algunos casos puntuales. [4] Figura 3. Paneles de silicio monocristalino a la izquierda y policristalino a la derecha. Fuente: Ecorienergiasolar DE CAPA DELGADA  Silicio amorfo: se cubre un sustrato formado por vidrio o plástico con una capa muy fina de un semiconductor sensible a la radiación, aunque menos sensible a la temperatura y por tanto menos eficientes que los de silicio cristalino. Su rendimiento ronda el 10% aunque disminuye durante las primeras horas de funcionamiento hasta llegar al 7-9%. [5]  CIS y CdTe [3] Por otro lado, existen dos tipos de paneles de acuerdo con la incidencia de la radiación solar sobre ellos: MÓDULOS MONOFACIALES Son aquellos que únicamente pueden generar energía a partir de la radiación solar por una cara. De esta manera, la única radiación que se aprovecha para producir electricidad es la directa. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 19/81 MARÍA MARTÍN BENITO MÓDULOS BIFACIALES Son los módulos que poseen dos capas de células fotovoltaicas generalmente con tecnología PERC. La célula situada en la cara superior o delantera tiene como objetivo la captación de la irradiación solar directa, mientras que la célula situada en la cara inferior o trasera aprovecha la radiación difusa que refleja sobre la superficie en la que están situados los módulos. Además, la tecnología bifacial también busca emplear células fotovoltaicas de alto rendimiento con el objetivo de aumentar al máximo el flujo de electrones. Al igual que para los módulos monofaciales, es importante tener en cuenta la inclinación y altura del montaje de la instalación, aunque en este caso será aún más relevante ya que la cara inferior también ha de tener las condiciones óptimas y la distancia necesaria al suelo para poder aprovechar la radiación. Por ejemplo, en aquellas zonas del planeta cercanas al ecuador donde los módulos fotovoltaicos han de colocarse horizontalmente a 0º o con un ángulo de inclinación mínimo no se podrá hacer uso de la tecnología bifacial. Por otro lado, es necesario que los módulos se encuentren inclinados no solo para favorecer la captación por la parte trasera del panel sino para mejorar la refrigeración del mismo, evitando pérdidas de rendimiento, al igual que en la tecnología monofacial. A mayor altura de la superficie, mayor capacidad de reflexión y por tanto mejor aprovechamiento de la radiación difusa. Como ya se ha comentado, la tecnología bifacial marca la gran diferencia mediante el aprovechamiento de la reflexión sobre la superficie de ocupación de los paneles. Por ello, uno de los factores más importantes a tener en cuenta es el albedo o color de las superficies sobre las que se sitúe la instalación. En superficies claras se reflejará mejor la radiación solar mientras que para superficies oscuras el rendimiento será menor. También es necesario tener en cuenta la distancia entre las filas y el sistema de montaje, puesto que las sombras son un inconveniente para la reflexión de la luz en la superficie. Además, es conveniente aumentar la distancia entre las filas para aumentar con ello la superficie de reflexión alrededor del módulo. Otro factor importante es la guía de sujeción del panel, la cual puede sombrear parcialmente las células en la cara inferior del panel. [6] ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 20/81 MARÍA MARTÍN BENITO 2.3 TECNOLOGÍA BIFACIAL 2.3.1 TIPOS DE CÉLULAS BIFACIALES Desde el inicio de la energía solar fotovoltaica, la mayoría de las células de silicio cristalino eran de tipo p, con un contacto de aluminio trasero opaco a la luz, permitiendo la producción exclusivamente por la cara frontal. Con el tiempo, el desarrollo de la tecnología fotovoltaica ha permitido la implementación de otros tipos de celda con diseños más avanzados, como el emisor pasivado y la celda trasera (PERC), el emisor pasivo trasero totalmente difuso (PERT) o el emisor pasivo trasero de difusión local y el silicio heterounión (HIT). Estos nuevos diseños son capaces de absorber la radiación por ambos lados de la célula; es entonces cuando aparecen los módulos bifaciales. La gran ventaja de las células bifaciales es el aumento del rendimiento del módulo hasta un 25% e incluso pudiendo llegar al 30%. A continuación, se exponen los diferentes diseños de células bifaciales y sus principales características: 2.3.1.1 CÉLULAS PERC Las células con contacto de aluminio trasero presentaban tres inconvenientes técnicos: la recombinación1 del lado posterior en el contacto posterior de aluminio, la absorción parcial de luz infrarroja en la cara trasera, y una vida útil muy reducida del portador en silicio tipo p. El diseño de células PERC (Passivated Emitter Rear Cell) resolvió los dos primeros introduciendo contactos metálicos localizados y pasivación (tratamiento químico aplicado a superficies) parcial en la parte posterior de las celdas. 1 La recombinación es lo opuesto a la generación. Cuando la energía de un electrón es débil, éste se empareja con el hueco dejado por otro electrón, sin llegar a abandonar nunca el cristal de silicio. En este proceso se libera calor o luz, en lugar de generar una corriente. [7] ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 21/81 MARÍA MARTÍN BENITO Hicieron falta 25 años para desarrollar este tipo de células y poder comercializarlas en masa, pudiendo así reemplazar rápidamente a las células con contacto de aluminio. Se convirtieron en el 50% de la industria fotovoltaica mundial en el año 2019 y su crecimiento imparable las sitúa alrededor del 80% en los próximos años. Por ello, se comenzaron a fabricar células PERC+ en las que la región del emisor n+ del lado frontal se produce con difusión de POCl3 y se pasiva con un dieléctrico SiNX que también actúa como revestimiento antirreflectante. La posibilidad de fabricar células PERC para paneles bifaciales supone un aumento de la potencia de salida, debido a la bifacialidad (ganancia de producción debido a la cara inferior del módulo), y además no se verían afectados notablemente los costes de producción. [8] Figura 4. Estructura típica bifacial de célula PERC+. Fuente: IEA-PVPS Las celdas tipo PERC permiten que el silicio capture más fotones, aumentando el rendimiento de cada célula. La eficiencia máxima en este tipo de células es de aproximadamente el 23%. VENTAJAS  Mayor eficiencia en la conversión de energía  Reducción de la temperatura en los módulos  Mejor funcionamiento de las células con luz baja  Facilidad en el proceso de fabricación ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 22/81 MARÍA MARTÍN BENITO DESVENTAJAS  Sensibles a la degradación inducida por la luz (efecto LID-Light Induced Degradation) Degradación inducida por potencial (efecto PID-Potential Induced Degradation) [9] 2.3.1.2 CÉLULAS N-PERT Debido a las limitaciones de las células tipo P se ha impulsado el desarrollo de las de tipo N de alta eficiencia, o más conocidas como N-PERT. Algunas de las ventajas son: - Su secuencia de procesos no requiere maquinaria distinta o incompatible con el modelo de producción actual de células solares, por lo que no aumentarían los costes económicos. - Las células n-PERT (passivated emitter rear totally diffused)permiten una bifacialidad más alta, pudiendo alcanzar el 95%. - No sufren el efecto de degradación inducida por la luz. Este tipo de células tiene una superficie trasera difusa. En las de tipo p, el emisor de la oblea se forma con difusión de fósforo, a diferencia de las PERC, que utilizaban boro. [10] Figura 5. Estructura típica bifacial de célula n-PERT. Fuente: IEA-PVPS ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 23/81 MARÍA MARTÍN BENITO Tras el primer desarrollo del primer modelo de celda n-PERT en 2002 se ha impulsado la investigación para mejorar la eficiencia y la compatibilidad con la producción industrial en masa. Actualmente, se están investigando nuevas líneas de producción de células n-PERT como la integración de los contactos de pasivación mediante diferentes técnicas para minimizar las pérdidas por recombinación y aumentar considerablemente la eficiencia de los módulos. 2.3.1.3 CÉLULAS DE HETEROUNIÓN Las células solares de heterounión reducen las pérdidas por recombinación en la energía fotovoltaica convencional utilizando estructuras de pasivación selectivas para el portador. Estas proporcionan la pasivación de la superficie y la selectividad del portador conjuntamente. Figura 6. Estructura típica bifacial de célula heterounión. Fuente: IEA-PVPS Las células HJT (Heterojunction technology) se basan en obleas de silicio monocristalino tipo n y su producción no incluye tratamiento con altas temperaturas para reducir impurezas. La pasivación de la superficie de estas células es proporcionada por el silicio amorfo intrínseco depositado con vapor químico y mejorado con plasma en ambos lados. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 24/81 MARÍA MARTÍN BENITO La selectividad por otro lado es proporcionada por las capas de a-Si dopadas en la cara superior. Las capas de a-Si dopadas de tipo n y p se aplican en ambos lados de la oblea para formar así los contactos eléctricos. Como la pasivación de la superficie de sus contactos puede degradarse con temperaturas por encima de los 250ºC se utilizan pastas de plata especiales. Además, debido a la pasivación química de alta calidad, la tecnología heterounión permite valores muy altos de tensión en circuito abierto, llegando a alcanzar valores de 750mV, los cuales son muy próximos a su límite teórico. [8] 2.3.2 ALBEDO Y GANANCIA BIFACIAL Uno de los factores más relevantes de la tecnología bifacial y que marca la gran diferencia frente a los módulos monofaciales es el albedo. Este se define como el porcentaje de luz solar incidente -por radiación principalmente difusaque refleja una superficie y determina a su vez la cantidad de radiación reflejada en el suelo disponible para ser aprovechada por la cara inferior del panel. Esta radiación supone en torno al 3% o menos de la irradiancia total efectiva para los sistemas monofaciales y puede ascender a menos del 1% cuando el ángulo de inclinación es inferior a 25º. Por el contrario, esta radiación supone el 10% de la productividad de un panel bifacial. A pesar de ello, esta contribución sigue siendo un porcentaje muy inferior con respecto a la radiación directa que incide sobre el panel, pero puede suponer una diferencia significativa de producción en comparación con los módulos monofaciales. El albedo varía en función del tipo de material que componga la superficie en la que se ubican los paneles, dependiendo de si este material es natural o sintético y de sus propiedades reflectantes como su color. Además, también puede variar el albedo con la longitud de onda de la luz solar incidente, más conocida como albedo o reflectancia espectral. Algunas de las primeras medidas y estudios del albedo se centraron en comprender el balance energético de la Tierra, las propiedades espectrales de las plantas y las masas de agua o nieve. No fue hasta 2016 cuando se empezaron a realizar estudios del albedo propiamente para la aplicación a las plantas fotovoltaicas, ya que sus propiedades no afectaban a la producción de las instalaciones con módulos monofaciales. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 25/81 MARÍA MARTÍN BENITO Partiendo de esos estudios, se ha considerado que la radiación recibida por un panel bifacial puede aumentar el rendimiento de este tipo de módulos hasta un 30% en comparación con la eficiencia de los monofaciales. Es importante remarcar que en el estudio del albedo influyen varios factores como las condiciones climáticas, las orientaciones de los módulos, la inclinación de los mismos y la naturaleza del material de la superficie. [11] El valor del coeficiente del albedo se encuentra en un rango de 0 a 1, siendo 0 un cuerpo negro y 1 un cuerpo blanco. Algunos de los valores más conocidos de coeficiente de albedo son los siguientes: Figura 7. Valores de albedo para diferentes superficies. Fuente: PVsyst Antes de comentar los diferentes tipos de albedo existentes es necesario hacer hincapié en las diferentes radiaciones que se obtienen: RADIACIÓN DIRECTA Es aquella que proviene directamente del sol y cuyo aprovechamiento supone la gran mayoría de la producción de un panel solar bifacial. RADIACIÓN DIFUSA Es la recibida de la atmósfera debido a la dispersión de parte de la radiación del sol en la misma. Supone en torno a un 15% de la radiación global en las mejores condiciones de sol, pero puede suponer un porcentaje mayor en días nublados, cuando la radiación directa es más baja. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 32/81 MARÍA MARTÍN BENITO 3 DISEÑO Y PUESTA EN MARCHA DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA 3.1 MÓDULOS BIFACIALES LG400NT-A5 (400WP) Para realizar el estudio se han utilizado dos módulos bifaciales monocristalinos de silicio tipo N, con 72 células cada uno y compuestos por doce filas con seis células cada una, dispuestas de manera horizontal. El marco es de aluminio y no obstaculiza la producción de energía en la cara delantera. Las medidas son 2,064 x 1,024 x 40 mm y su peso es de 22kg. Figura 11. Fotografía de los módulos utilizados en la instalación. Fuente: elaboración propia Para su protección el panel tiene un recubrimiento de vidrio templado de alta transmisión en ambas caras. Este material es un vidrio flotado de alta calidad que permite el 91% de transmisión de luz visible. Además, cuenta con un factor especial de protección anti-rayos UV. En comparación con el vidrio flotado normal, cuya transmisión se reduce al 80%. Uno de los inconvenientes del vidrio de alta transmisión es la alta transmisión de energía infrarroja solar, que produce un aumento de temperatura. Las características eléctricas se muestran a continuación, obtenidas de la ficha técnica del panel (Figura 1): ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 33/81 MARÍA MARTÍN BENITO Figura 12. Características eléctricas del panel. Además, también se adjuntan las características eléctricas del panel en condiciones normales de operación (Figura 2) (800W/m2 de irradiancia, temperatura ambiente de 20ºC y velocidad del viento de 1 m/s). Figura 13. Características eléctricas del panel en condiciones normales de operación. Adicionalmente, se conocen la temperatura de operación del sistema cuyo rango va de -40 a 90 grados Celsius, la tensión máxima que asciende a 1000 V, la corriente máxima de fusión de 20 A, y el coeficiente de potencia máxima de bifacialidad cuyo valor es de un 76%. Las curvas I-V características del panel para diferentes potencias se adjuntan a continuación (Figura 3): ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 34/81 MARÍA MARTÍN BENITO Figura 14. Curvas I-V características del panel Fuente: LG. Algunas de las ventajas de este tipo de módulos son: - Degradación máxima anual del -0,5%. Se garantiza un mínimo del 86% la potencia de operación incluso después de 25 años de operación. - Mejoras en el coeficiente de temperatura por lo que se aumenta la producción en días soleados. - La eficiencia de la celda en la parte trasera es mínimamente inferior que en el lado delantero gracias a la nueva tecnología CELLO de LG. - El efecto LID es prácticamente nulo gracias a la escasez de boro en las células. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 35/81 MARÍA MARTÍN BENITO 3.2 INVERSOR Y ROUTER WIFI Debido a que el proyecto se basa en el estudio de dos paneles fotovoltaicos bifaciales que han de gestionarse individualmente, se ha optado por un microinversor monofásico con dos canales de entrada, capaz de comprobar a su vez dos puntos MPPT (Maximum Power Point Tracking, seguidor de punto de máxima potencia). Esto resultará muy útil a la hora de comprobar el funcionamiento de ambos módulos en función de las diferentes inclinaciones y albedos propuestos. Concretamente, el inversor dual utilizado es el modelo DS3 de nueva generación fabricado por la casa APsystems. Figura 15. Imagen del inversor en la instalación. La potencia máxima de salida del inversor es de 880VA, suficiente para los dos módulos bifaciales a utilizar cuya potencia máxima es de 400Wp cada uno, y el rendimiento aumenta hasta el 97%. Por otro lado, cuenta con avances como el control de potencia reactiva, limitando así las pérdidas económicas debido a este factor, fiabilidad IP67 que permite la ubicación en exteriores y expuesto a la intemperie o incluso resistente al agua, y relé de protección y seguridad integrados. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 36/81 MARÍA MARTÍN BENITO El diseño compacto permite que el producto sea más ligero y los componentes encapsulados con silicona reducen la tensión de los componentes electrónicos, además, facilitan la disipación térmica, mejoran las propiedades a prueba de agua y garantizan la máxima fiabilidad del sistema. Su peso es de 2.6kg y las medidas son 262 x 218 x 41.2 mm, soportando unas temperaturas de -40 a 65ºC ambiental, y -40 a 85ºC de almacenamiento. Las características eléctricas se adjuntan a continuación en la Figura 16, obtenidas de la ficha técnica del inversor: Figura 16. Características técnicas del inversor. Además, cuenta con una función denominada RPC (Control de Potencia Reactiva) interactiva con las redes eléctricas, que se encarga de gestionar los picos de potencia fotovoltaica que puedan producirse. Una de las ventajas de este tipo de inversores es la posibilidad de comunicación inalámbrica con el protocolo ZigBee, a través de un router wifi. El propio inversor es capaz de almacenar los datos de producción y comunicarlos a la aplicación vía inalámbrica. Por un lado, hay la opción de registrar los datos y conectarse al router a través de un teléfono móvil, obteniendo los datos de los días anteriores. Aunque la mejor opción es mantener el router conectado a una red wifi externa que le permita ir volcando los datos a la aplicación, con una actualización cada 5 minutos. El router utilizado para el estudio es el ECU-R de la marca APsystems, cuya principal función es hacer de intermediario o puerta de enlace entre el inversor y la aplicación de registro de datos. Su tamaño es ideal y su peso es práctico. Además, para la comunicación con el inversor cuenta con dos antenas ubicadas en ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 37/81 MARÍA MARTÍN BENITO la parte trasera. Se puede conectar a Internet a través de una wifi externa o vía cable. Figura 17. Imagen del router ECU-R en la instalación. La principal desventaja del aparato es la imposibilidad de colocarlo a la intemperie debido a su grado de protección IP, por ello, ha de situarse en un recinto cerrado y/o estanco que lo proteja del agua y de la suciedad. Además, es necesario que la localización sea lo suficientemente cercana para mantener la señal de comunicación con el inversor. Algunas características del ECU-R son: Figura 18. Características técnicas del router ECU-R. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 38/81 MARÍA MARTÍN BENITO 3.3 DISEÑO DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA La instalación eléctrica se colocará aguas debajo de otra instalación fotovoltaica ya construida, de la cual se obtendrá un subcuadro para ubicar las protecciones y demás elementos que acompañen a la nueva instalación. El esquema de montaje es el siguiente, siendo la nueva instalación aquella en color azul. Figura 19. Esquema unifilar de la instalación eléctrica. 3.3.1 CÁLCULO DEL CABLEADO DE LOS PANELES AL INVERSOR Para el cálculo del cableado en el tramo de los paneles al inversor por caída de tensión se utilizará la siguiente expresión: 𝑆 = 2 ⋅ 𝐿 ⋅ 𝐼 𝛥𝑉 ⋅ 𝑘 ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 39/81 MARÍA MARTÍN BENITO Siendo los parámetros siguientes: L: longitud del cable (m) ISC: corriente de cortocircuito del panel (A) ΔV: caída de tensión máxima permitida K: conductividad del cobre a 20º (m/Ωmm2) De acuerdo con la Tabla 2 del Anexo II del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT), la conductividad del cobre a 20ºC es 56. Tabla 1. Conductividad de cobre y aluminio a diferentes temperaturas. Fuente: Nergiza Por otro lado, según la ficha técnica de los paneles solares la corriente de cortocircuito es de 10,22 A y la tensión nominal (Vmpp) es de 41,5 V. La longitud medida en la propia instalación desde el inversor hasta el panel es de 7 metros. Según IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), la caída de tensión máxima permitida es del 3%, aunque lo recomendable sería un 1,5%. Con todos estos datos, la expresión queda: 𝑆 = 2 ⋅ 𝐿 ⋅ 𝐼 𝛥𝑉 ⋅ 𝑘 =2 ⋅ 6 ⋅ 10,22 1,5% ⋅ 41,5 ⋅ 56 = 3,52 𝑚𝑚 Se ha de elegir la sección inmediatamente superior a 3,52 mm2 dentro de aquellas que se comercializan y que se pueden encontrar en la Tabla A de la ITC-BT-19 del REBT. Esta sección escogida será de 4 mm2. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 40/81 MARÍA MARTÍN BENITO Figura 20. Tabla A de la ITC-BT-19 del REBT. Fuente: Ministerio de Industria Puesto que la instalación se realiza con cables unipolares bajo canal protectora, según recoge la Guía de Aplicación de la ITC-BT-19 del REBT [19], la instalación pertenece a la categoría B. Por último, ha de comprobar si la sección elegida soporta la corriente que va a circular por el cable. Para ello se observa la intensidad máxima admisible en la tabla para una sección de cobre de 4 mm2 y de categoría B, siendo el cable unipolar de XLPE libre de halógenos. El cable escogido soporta una tensión de 38 A, suficiente para la producción con este tipo de paneles solares. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 41/81 MARÍA MARTÍN BENITO 3.3.2 CÁLCULO DEL CABLEADO DEL INVERSOR AL CUADRO DE PROTECCIONES Para este tramo ha de utilizarse el mismo procedimiento, pero con corriente alterna, por lo que la nueva expresión de cálculo por caída de tensión es: 𝑆 = 2 ⋅ 𝐿 ⋅ 𝐼 ⋅ cos 𝜑 𝛥𝑉 ⋅ 𝑘 Se tomará como factor de potencia 1. La corriente nominal de salida del inversor son 3,8 A. La tensión monofásica de la red son 230 V. La longitud sigue siendo 6 metros y la conductividad del cobre 56. Con los datos anteriores la expresión queda: 𝑆 = 2 ⋅ 𝐿 ⋅ 𝐼 ⋅ cos 𝜑 𝛥𝑉 ⋅ 𝑘 =2 ⋅ 3 ⋅ 3,8 ⋅ 1 1,5% ⋅ 230 ⋅ 56 = 0,118 𝑚𝑚 Puesto que la sección obtenida es muy pequeña y la norma establece que la mínima ha de ser de 2,5 mm2 será esta la sección escogida para la manguera utilizada del inversor al cuadro de protecciones. Concretamente, se ha escogido un cable LH RZ1-K con aislamiento de polietileno y cubierta ignifugada, de tensión 600/1000V. No es propagador de la llama ni del incendio, y tiene baja emisión de humos, baja emisión de gases tóxicos y nula emisión de gases corrosivos. 3.3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LAS PROTECCIONES El cuadro de protecciones se colocará a la salida del inversor, ya en corriente alterna. La corriente alterna de salida del inversor son 3,8 A por lo que cualquier interruptor diferencial o magnetotérmico de intensidad superior a esta será válido. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 48/81 MARÍA MARTÍN BENITO 4.2.2 EJEMPLO DE TRATAMIENTO DE DATOS SEGÚN EL PROCEDIMIENTO EXPLICADO Puesto que los datos a analizar corresponden a la media diaria y por periodo de 7 inclinaciones, con 4/5 días de estudio de cada una, a continuación sólo se mostrará un ejemplo para una inclinación, teniendo en cuenta que el procedimiento a seguir es exactamente el mismo para todas las demás inclinaciones y días. Concretamente, el ejemplo que se ha tomado para la explicación compara las inclinaciones de 21º y 35º. A partir de la aplicación web que proporciona el fabricante, se obtiene el fichero EXCEL con todos los datos de producción de toda la instalación en un día. Para realizar el estudio durante las horas más productivas, se ha decidido escoger la franja horaria entre las 10:00 horas de la mañana y hasta las 19:00 horas de la tarde. Figura 27. Datos de producción obtenidos por la aplicación APsystem. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 49/81 MARÍA MARTÍN BENITO Como se observa en las columnas sombreadas en azul, se obtienen los datos de potencia de ambas salidas. Las salidas 1 y 2 van conectadas respectivamente a los paneles 1 y 2. Para organizar la producción de cada periodo se ha elaborado un fichero EXCEL con los días en los que se va a realizar el muestreo, y una hoja para resultados promedios, con el siguiente aspecto: Figura 28. Fichero EXCEL elaborado para tratamiento de los datos en cada periodo de inclinación. Una vez organizado el fichero, se tienen las columnas de producción en términos de potencia (W), la diferencia de producción entre ambos como se ha explicado anteriormente, y el porcentaje de producción a mayores que el panel 1 supone frente al panel 2. Con estos datos, teniendo en cuenta que el inversor registra datos cada 5 minutos, se pueden obtener los términos de energía (Wh). Para conseguirlo, se multiplicará la potencia obtenida del inversor (W) por el tiempo de muestreo (5 minutos) pasado a horas (5 minutos = 5/60 horas). Esta energía en Wh se pasará posteriormente a kWh. Para la presentación de los datos, se ha comentado anteriormente que se realizará la diferencia de producción entre ambos paneles. Por ello, la última columna (Diferencia E) será la que se utilice para realizar las medias de cada periodo. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 50/81 MARÍA MARTÍN BENITO Figura 29. Medias diarias y gráfico de producción energética diaria Tras recopilar todos los datos de producción diaria en potencia (W) y obtenerlos también en unidades de energía (kWh), se procede a realizar la media de todas las diferencias de energía que se han ido obteniendo cada 5 minutos durante el día, ubicadas en la última columna. NOTA: También se puede obtener la media en unidades de potencia (W) aunque no será relevante para el estudio. Además, se puede observar un gráfico de la producción energética diaria según las horas que aporta información sobre los periodos de máxima y mínima producción, además de intervalos de crecimiento y decrecimiento de la producción para sacar diversas conclusiones. Más adelante se realizará una comparación de estos gráficos con la radiación diaria para observar su la relación. Una vez realizado este procedimiento para todos los días de muestreo, se obtiene un resumen de la media diaria para poder sacar la media de cada periodo. Figura 30. Resumen de las medias diarias de producción. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 51/81 MARÍA MARTÍN BENITO Para finalizar, se realiza la media de todo el periodo, obteniendo el dato más importante del estudio de muestreo que será el que se compare con otros periodos o inclinaciones para concluir cuál es el mayor, es decir, cual es la inclinación que produce con más diferencia de energía respecto al panel referencia y, por tanto, la más óptima para la generación. 4.2.3 COMPARACIÓN DEL GRÁFICO DE PRODUCCIÓN CON LA IRRADIACIÓN DIARIA Gracias a la estación meteorológica ubicada en el edificio LUCIA se pueden recopilar, entre otras muchas variables, los datos de irradiación diaria actualizados cada 10 minutos. Siguiendo el mismo ejemplo que el apartado 4.2.2. se quiere demostrar la proporcionalidad y relación entre la radiación del sol y la producción de los paneles fotovoltaicos. Para ello, se van a utilizar los datos de producción concretamente del día 25 de mayo de 2022, y se va a elaborar un gráfico como el de la Figura 31. Figura 31. Gráfico de producción energética del día 25/05/2022. Por otro lado, a partir de los datos recogidos de la estación meteorológica se realizará un gráfico de irradiancia diaria para el mismo día y durante el mismo periodo de tiempo que el anterior (Figura 34). Es importante conocer que la radiación cambia en función de la inclinación de los paneles. Para conocer la radiación exacta que le aplica a un panel en concreto se ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 52/81 MARÍA MARTÍN BENITO utilizan unas tablas de corrección de irradiancia (Figura 32). Estas tablas ofrecen un factor de corrección “k”, en función de la latitud del lugar donde se vaya a implantar la instalación fotovoltaica y del mes del año en el que se estudie, que hay que multiplicar a los valores de radiación obtenidos de la estación meteorológica. Figura 32. Tablas de corrección de irradiancia para latitud de 42º. Fuente: certificacionenergetica.info ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 53/81 MARÍA MARTÍN BENITO Figura 33. Método de realización de curvas de irradiancia aplicando factores de corrección. Como se puede observar, para cada inclinación (21º y 35º en este caso) se obtienen valores de irradiación corregida diferentes. Además, se obtiene la siguiente curva de irradiación (Figura 34), la cual se puede concluir que es proporcional a la de producción de ambos paneles, como es lógico. Figura 34. Curva de irradiación corregida del día 25/05/2022. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 54/81 MARÍA MARTÍN BENITO 4.2.4 COMPARACIÓN DE LA PRODUCCIÓN EN LOS DIFERENTES PERIODOS DIARIOS Para visualizar mejor el comportamiento de los módulos bifaciales a lo largo de un día se ha decidido para realizar un estudio de la producción en tres franjas horarias: 10:00 a 12:55h, 13:00 a 16:55 h y 17:00 a 19:00h. Con ello, se realizará la comparación entre la producción por franjas durante los cuatro días utilizados en el muestreo de los datos para todas las inclinaciones estudiadas y, a su vez, se observarán también las variaciones dentro de un mismo día. Figura 35. Producción por periodos horarios para una inclinación de 21º. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 55/81 MARÍA MARTÍN BENITO Figura 36. Producción en periodos horarios para una inclinación de 24º. En las Figuras 35 y 36 se observa que la producción varía en función del día, lógicamente ya que afectan las condiciones climáticas que se den. Por otro lado, también se aprecia un aumento de la producción durante las primeras horas de cada día y un decrecimiento desde ese momento hasta las últimas horas en la mayoría de los casos. Es evidente, puesto que las horas de sol más provechosas son aquellas que se dan en torno al mediodía. Por lo general, para casi todas las posibles inclinaciones estudiadas se observa el mismo comportamiento que en los ejemplos mencionados para 21º o 24º. Las horas más provechosas del día son las correspondientes a las dos primeras franjas, puesto que son las horas de mayor luz del día. Aunque hay excepciones, concretamente para las inclinaciones de 35º, 28º o 26º (las gráficas se incluyen en el Anexo B), se observa que en algunos días la distribución que siguen los periodos es diferente. En algunos casos, la franja horaria punta de producción es entre las 13:00 y 16:55h e incluso en otros casos, la franja más tardía de 17:00 a 19:00h. Esto se puede explicar fácilmente si se compara con la curva de irradiación obtenida para ese momento, como por ejemplo en el caso del día 14 en la inclinación de 28º (Figura 38), ya que es fácil que la producción sea mayor en las últimas horas del día si es en este periodo horario en el que el cielo está más despejado o la incidencia del sol es mayor. Además, se observa que, para las ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 56/81 MARÍA MARTÍN BENITO primeras horas del día en el caso comentado, la producción es muy baja puesto que las condiciones climáticas no son las mejores. Figura 37. Producción en periodos horarios para una inclinación de 28º. Figura 38. Curva de irradiación corregida del día 14 de mayo. 4.2.5 CONCLUSIONES DEL PROCEDIMIENTO Tras realizar el mismo procedimiento para todos los datos de las diferentes inclinaciones, se elabora un gráfico de resultados en el que se pueden observar todas las diferencias de producción, siendo predominante la inclinación de 21º. 0,000 500,000 1000,000 1500,000 2000,000 10:00:00 10:30:00 11:00:00 11:30:00 12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00 18:00:00 18:30:00 19:00:00 CURVA DE IRRADIACIÓN CORREGIDA RADIACIÓN 28º RADIACIÓN 35º ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 57/81 MARÍA MARTÍN BENITO Figura 39. Tabla de producción media según inclinaciones 4.3 ANÁLISIS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ALBEDO Además de concluir cuál es la inclinación óptima para los paneles bifaciales, también se ha realizado un estudio de la influencia que puede tener el albedo sobre la inclinación óptima que tienen que tener los paneles bifaciales. Para ello se han utilizado tres tipos de superficies muy distintas entre sí. Según el marco teórico, aquellas superficies más claras y blancas, cuyo albedo es mayor, reflejarán mejor la luz solar y, por tanto, el panel bifacial aumentará su rendimiento en la cara inferior. Para las superficies más oscuras debería ocurrir lo contrario. Para el experimento realizado se han utilizado tres superficies muy distintas entre sí: superficie completamente blanca, completamente negra y suelo natural (vegetación existente en la cubierta del edificio LUCIA donde se ubica la instalación). En las Figuras 40 y 41 se pueden apreciar los tipos de superficies utilizadas: 0,00000 0,00050 0,00100 0,00150 0,00200 0,00250 20º - 35º 21º - 35º 24º - 35º 26º - 35º 28º - 35º 32º - 35º 35º - 35º ENERGÍA (kWh) DIFERENCIAS DE ÁNGULOS DIFERENCIA DE ENERGÍA ENTRE PANELES SEGÚN LAS DIFERENTES INCLINACIONES ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 64/81 MARÍA MARTÍN BENITO 6.2 GASTOS DE PERSONAL INSTALACIÓN Y MONTAJE En este apartado se engloban la instalación de los paneles, cableado e inversor. En este proceso han intervenido un técnico oficial de 1ª y un ayudante de oficios varios durante una jornada laboral comprendiendo transporte, adecuación de la zona e instalación de todos los equipos y cableado. La jornada laboral de cada técnico es de 8 horas. Según el Convenio Colectivo Nacional de Empresas de Ingeniería y Oficinas de Estudios Técnicos, el cómputo de horas anuales por trabajador será de mil setecientas noventa y dos (1792 h). Teniendo en cuenta los salarios base anuales de este convenio: - DELINEANTE, TÉCNICO DE 1.ª, OFICIAL 1.ª ADMTVO. Y OPERADOR DE ORDENADOR: 16.627,17 € (10€/h) - AYUDANTE OFICIOS VARIOS: 12.951,75 € (8€/h) El coste de la jornada laboral de 8 horas para cada trabajador es el siguiente: - Técnico oficial de 1ª: 80€ - Ayudante de oficios varios: 64€ Por tanto, el coste de los técnicos instaladores asciende a un total de 144€. INGENIERO O PROYECTISTA Las horas dedicadas al estudio y elaboración del proyecto se desglosan a continuación: - Estudio y análisis experimental de la instalación: comprobación de la inclinación óptima para los paneles, estudio de diferentes albedos y elaboración de pruebas y medidas: 30 horas - Elaboración de cálculos y planos de la instalación eléctrica: 8 horas - Elaboración de la memoria descriptiva del proyecto: 15 horas - Consulta de información bibliográfica y otros estudios de referencia: 4 horas Subtotal de horas trabajadas: 53 horas ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 65/81 MARÍA MARTÍN BENITO NOTA: La consulta de información bibliográfica y otros estudios de referencia se mantendrá al margen del presupuesto al reconocerse el presente proyecto como un Trabajo de Fin de Carrera y no como un proyecto real a implementar. Teniendo en cuenta el salario base anual de este convenio: - DIPLOMADOS Y TITULADOS 1.er CICLO UNIVERSITARIO. JEFE SUPERIOR: 20.424,25€ (12€/h) El coste del ingeniero o proyectista asciende a un total de 636€. SEGUROS SOCIALES DE LOS EMPLEADOS El coste de la seguridad social que ha de pagar la empresa por cada trabajador supone un 33% de los costes de cada uno. Entre técnicos instaladores e ingeniero o proyectista, se obtiene un total de 780€. Por tanto, el 33% de esta cantidad supone un coste total de 257,4€ destinados a la seguridad social. 6.3 OTROS GASTOS CONSUMO ELÉCTRICO Se han tenido en cuenta las horas de trabajo del ingeniero o proyectista para el consumo eléctrico de equipos informáticos y otros equipos de medición y/o pruebas. El precio del kWh actual estimado es de 0,35252€/kWh, al que hay que añadir 0,138847€/kWh de peaje (se hace la media de peajes de la tarifa 2.0TD). En total, se obtiene un precio de 0,491367 €/kwh. Con un total de 53 horas trabajadas, el precio total del consumo eléctrico asciende a 26,042451€. Por último, han de aplicarse el 0,5% por impuestos de electricidad y el 10% de IVA. Con todo ello, el consumo eléctrico total supone un precio final de 30,07€. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 66/81 MARÍA MARTÍN BENITO LEGALIZACIÓN DE LA INSTALACIÓN Teniendo en cuenta la normativa en la Comunidad de Castilla y León, lugar donde se va a realizar el estudio, la legalización de una instalación de este tipo incluye los siguientes apartados: - Memoria tipo industria incluyendo cálculos en alterna, continua y solares. - Planos y detalles - Preestudio de viento y nieve - Gestión de riesgos - Fichas técnicas - Certificado de instalación eléctrica de autoconsumo - Tasas de industria y legalización de autoconsumo El coste de la legalización asciende a un total de 499€ + IVA, lo que supone un coste de 603,79€. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 67/81 MARÍA MARTÍN BENITO TABLA - RESUMEN DEL PRESUPUESTO DETALLADO Tabla 2. Resumen detallado del presupuesto. El importe total del proyecto asciende a la cantidad de TRES MIL DOSCIENTOS TREINTA Y UN EUROS CON TREINTA Y DOS CÉNTIMOS. GASTOS DE MATERIAL Nº UNIDADES PRECIO/UNIDAD SIN IVA PRECIO/UNIDAD IVA TOTAL SIN IVA TOTAL IVA DIFERENCIAL 40A 30mA Schneider 1 23,93 € 28,95 € 23,93 € 28,95 € SOPORTE PANELES 8 1,58 € 1,91 € 12,63 € 15,28 € BROCA HORMIGÓN TORNILLOS 6x110mm 1 1,20 € 1,45 € 1,20 € 1,45 € MC4 HEMBRA MC4 MACHO MAGNETOTÉRMICO 10A SCHNEIDER 1 6,24 € 7,55 € 6,24 € 7,55 € TOMA DE CORRIENTE CARRIL DIN 1 3,56 € 4,31 € 3,56 € 4,31 € MANGUERA EXTERIOR ENTRE CAJAS 3 HILOS 2,5mm2 3 1,54 € 1,86 € 4,61 € 5,58 € CAJA IP65 1 14,67 € 17,75 € 14,67 € 17,75 € CABLE NEGRO CC 4mm 2 (100 metros) 25 metros 57,85 € 70,00 € 14,46 € 17,50 € INVERSOR APSYSTEM DS3 880W 1 222,31 € 269,00 € 222,31 € 269,00 € CABLE Y3AC 1 12,31 € 14,90 € 12,31 € 14,90 € ECU-R APSYSTEM 1 162,15 € 196,20 € 162,15 € 196,20 € PANEL FOTOVOLTAICO LG400N2T-A5 2 - 330,00 € - 660,00 € ESTRUCTURAS METÁLICAS DE SOPORTE DE LOS PANELES 2 - 150,00 € - 300,00 € TOTAL 1.550,06 € GASTOS DE PERSONAL PARA EL MONTAJE Nº UNIDADES PRECIO/UNIDAD SIN IVA PRECIO/UNIDAD IVA TOTAL SIN IVA TOTAL IVA HORAS DE TRABAJO DEL TÉCNICO OFICIAL DE 1ª 8 horas - 10€/h - 80,00 € HORAS DE TRABAJO DEL AYUDANTE DE OFICIOS VARIOS 8 horas - 8€/h - 64,00 € COSTE DE LOS SEGUROS SOCIALES DE LOS TRABAJADORES 33% - - - 47,52 € TOTAL 191,52 € GASTOS DEL INGENIERO Nº UNIDADES PRECIO/UNIDAD SIN IVA PRECIO/UNIDAD IVA TOTAL SIN IVA TOTAL IVA HORAS DE TRABAJO DEL INGENIERO O PROYECTISTA 53 horas - 12€/h - 636,00 € COSTE DE LOS SEGUROS SOCIALES DE LOS TRABAJADORES 33% - - - 209,88 € TOTAL 845,88 € OTROS GASTOS Nº UNIDADES PRECIO/UNIDAD SIN IVA PRECIO/UNIDAD IVA TOTAL SIN IVA TOTAL IVA CONSUMO ELÉCTRICO 53 horas 0,35252€/kWh+ impuestos - 30,07 € MATERIAL DE OFICINA - - - 10,00 € 10,00 € LEGALIZACIÓN DE LA INSTALACIÓN - 499,00 € 603,79 € - 603,79 € TOTAL 643,86 € TOTAL DE GASTOS TOTAL 3.231,32 € 4 2,40 € 2,90 € 9,59 € 11,60 € ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 68/81 MARÍA MARTÍN BENITO ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 69/81 MARÍA MARTÍN BENITO 7 BIBLIOGRAFÍA [1] C. 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[5] “¿Qué es el silicio amorfo? ¿Por qué es tan interesante ahora ?, Noticias de la industria.” https://es.ucwdksolar.com/info-detail/what-is-amorphous-silicon- why-is-it-so-interesting-now (accessed Jun. 29, 2022). [6] “Tecnología de paneles fotovoltaicos bifaciales - Blog de Krannich Solar – Global solar distribution (ES).” https://blog.krannich-solar.com/es/blog/lector-de- blogs/tecnolog%C3%ADa-paneles-fotovoltaicos-bifaciales.html (accessed Jun. 19, 2022). [7] “Eficiencia del panel solar: definición e importancia – Tecnología Ambiental.” https://tecnologiaambiental.mx/eficiencia-del-panel-solar-definicion-e- importancia/ (accessed Jun. 24, 2022). [8] I. PVPS Task, “Bifacial Photovoltaic Modules and Systems: Experience and Results from International Research and Pilot Applications 2021 Task 13 Performance, Operation and Reliability of Photovoltaic Systems PVPS”, Accessed: Jun. 19, 2022. [Online]. Available: www.iea-pvps.org [9] “▷ Tecnología PERC en paneles solares.” https://mipanelsolar.com/blog/tecnologia-perc (accessed Jun. 24, 2022). [10] “Células PERC, PERL y PERT.” https://b2b.technosun.com/blog/area-fotovoltaica- profesional-1/post/celulas-perc-perl-y-pert-135 (accessed Jun. 24, 2022). [11] N. Riedel-Lyngskær et al., “The effect of spectral albedo in bifacial photovoltaic performance,” Solar Energy, vol. 231, pp. 921–935, Jan. 2022, doi: 10.1016/J.SOLENER.2021.12.023. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 70/81 MARÍA MARTÍN BENITO [12] “Radiación directa, difusa y reflejada en Ecomateriales y construcción sostenible - wiki EOI de documentación docente.” https://www.eoi.es/wiki/index.php/Radiaci%c3%b3n_directa,_difusa_y_reflejad a_en_Ecomateriales_y_construcci%c3%b3n_sostenible (accessed Jun. 23, 2022). [13] P. A. Anaya, “Aplicación de imágenes satelitales en energías renovables: cálculo de Albedo,” 2020, Accessed: Jun. 21, 2022. [Online]. Available: https://gredos.usal.es/handle/10366/143962 [14] M. Aghaei et al., “Review of degradation and failure phenomena in photovoltaic modules,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 159, p. 112160, May 2022, doi: 10.1016/J.RSER.2022.112160. [15] D. R. Hernando, “Desarrollo de un sistema de caracterización de obleas y células solares de Silicio multicristalino mediante la adquisición de imágenes de fotoluminiscencia usando un detector de InGaAs.,” 2017, Accessed: Jun. 21, 2022. [Online]. Available: https://uvadoc.uva.es/handle/10324/23583 [16] “Efecto Hotspot: Los puntos calientes en los paneles solares | Techno Sun Webportal B2B.” https://b2b.technosun.com/en/blog/our-blog-1/post/efectohotspot-los-puntos-calientes-en-los-paneles-solares-117 (accessed Jun. 16, 2022). [17] “Efecto LID: La degradación inducida por la luz | Techno Sun Webportal B2B.” https://b2b.technosun.com/en/blog/our-blog-1/post/efecto-lid-la-degradacion- inducida-por-la-luz-107 (accessed Jun. 15, 2022). [18] “Efecto LeTID: Degradación inducida por luz y temperatura elevada | Techno Sun Webportal B2B.” https://b2b.technosun.com/en/blog/our-blog-1/post/efectoletid-degradacion-inducida-por-luz-y-temperatura-elevada-110 (accessed Jun. 15, 2022). [19] “GUÍA-BT-19 MINISTERIO DE CIENCIA Y TECNOLOGIA GUÍA TÉCNICA DE APLICACIÓN: INSTALACIONES INTERIORES”. [20] “Autoconsumo fotovoltaico en Valladolid: precio y trámites.” https://tarifasgasluz.com/autoconsumo/provincias/valladolid (accessed Jun. 25, 2022). ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 71/81 MARÍA MARTÍN BENITO ANEXO A: APLICACIÓN PARA LA MONITORIZACIÓN DEL INVERSOR Tanto el inversor utilizado como el router wifi que vuelca los datos de producción pertenecen al fabricante APsystems. Para la monitorización de los paneles se ha utilizado un inversor con doble entrada de manera que se puedan registrar individualmente los datos de producción de cada panel. El inversor precisa del ECU router para transferir los datos recogidos a la red, y una vez registrados estos datos se pueden controlar a través de una aplicación móvil o dentro de la propia web de usuario de APsystem. En el caso de la instalación estudiada, se han solicitado los permisos al fabricante para poder optar a la versión de mantenedor que permite el acceso a todas las variables de monitorización de datos y a todos los registros posibles que ofrece el inversor. A continuación, se explicará el funcionamiento básico de la aplicación web y de la aplicación móvil. Aplicación web Para acceder a los datos online se utiliza la siguiente dirección web: https://apsystemsema.com/ema/index.action Una vez se han solicitado los permisos como mantenedor al fabricante y el usuario está registrado, se entra en el sistema seleccionando la planta fotovoltaica que se quiere monitorizar. En este caso, solamente aparecerá la instalación estudiada con dos módulos bifaciales conectados a un micro inversor y situada en la azotea del Edificio LUCIA de la Universidad de Valladolid, cuyo nombre es “optronlab”. Figura 43. Resumen de instalaciones fotovoltaicas activas en APsystem web. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 72/81 MARÍA MARTÍN BENITO A continuación, se muestra la pantalla inicial de la aplicación con todas las opciones disponibles en el menú de la izquierda, las cuales se irán explicando. Figura 44. Pantalla inicial de la APsystem web. Dentro de la monitorización de la instalación es posible controlar todas las variables tales como potencia, voltaje y corriente de cada entrada, voltaje de salida del inversor, frecuencia y temperatura del inversor en tiempo real, actualizándose cada cinco minutos. Para ello, se selecciona la opción “Report” en el menú desplegándose cuatro opciones entre las que se encuentra “Inverter Data”, para visualizar los parámetros descritos. Figura 45. Pestaña "Inverter data" para visualizar los parámetros. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 73/81 MARÍA MARTÍN BENITO Además, cuenta con la opción de visualización individualmente de cada entrada, cambiando en la pestaña de “Data Level” y pudiendo elegir el canal de visualización. Por otro lado, también se pueden recoger todos los datos diarios en una hoja Excel pulsando en la pestaña “Export”. La pestaña “Data Type” permite ver el funcionamiento diario, la energía diaria por horas (Figura 28), la energía diaria en un periodo de tiempo, la energía mensual a lo largo del año y la energía producida anualmente. Figura 46. Energía diaria por horas. En la pestaña “ECU data” del menú se puede observar la curva de energía diaria obtenida por el inversor, pudiendo descargar también el informe en la pestaña “Export”. Figura 47. Curva de energía diaria. ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 80/81 MARÍA MARTÍN BENITO INCLINACIÓN 24º INCLINACIÓN 21º ESTUDIO DE LA INCLINACIÓN ÓPTIMA DE PANELES SOLARES BIFACIALES MONOCRISTALINOS DE SILICIO 81/81 MARÍA MARTÍN BENITO INCLINACIÓN 20º