exigencia he-5: energía eléctrica · las instalaciones fotovoltaicas pre-sentan el inconveniente...
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Exigencia HE-5:energía eléctricaEn este sexto artículo, Paloma Arrué y Antonio Manuel Romero analizan la Exigencia Básica HE-5:contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica. A través de esta nueva norma del CTE se establece laobligatoriedad de instalar sistemas de captación y transformación de energía solar en energía eléctrica, porprocedimientos fotovoltaicos. El objetivo, aumentar el consumo de energía eléctrica generada medianteenergías renovables.
INTRODUCCIÓN
La necesidad de aumentar el consumode energía eléctrica generada median-te energías renovables ha motivado lanecesidad de establecer la obligato-riedad de instalar sistemas de capta-ción y transformación de energía solaren energía eléctrica, por procedimien-tos fotovoltaicos, para uso propio osuministro a la red en los edificios,instrumentándose a través de la exi-gencia HE-5 del CTE.
Esta exigencia especifica el tipo deedificios y la cuantía de la contribu-
ción fotovoltaica mínima de energíaeléctrica, entendiendo como mínima:sin perjuicio de valores más estrictosque puedan ser establecidos por lasadministraciones competentes, o porel promotor, siguiendo criterios desostenibilidad y eficiencia energética.
El diseño y los cálculos justificativosde la instalación fotovoltaica debenformar parte del proyecto general deledificio para la obtención de la licen-cia municipal de obras, que será lega-lizada por el órgano competente de lacomunidad autónoma.
ÁMBITO DE APLICACIÓN
Las instalaciones fotovoltaicas pre-sentan el inconveniente de tener bajosrendimientos, lo que hace que la ren-tabilidad dependa básicamente de lasuperficie de paneles a instalar queconlleva la disponibilidad de superfi-cie construida suficiente, de ahí que elámbito de aplicación se ciña a los usosespecificados en la Tabla 1 y asociadosa grandes superficies, quedandoexcluidos los edificios residenciales.
No obstante, el CTE permite reducir lacontribución fotovoltaica mínima en
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los casos en que: se cubran con otrotipo de energías renovables, el edificiono posea el suficiente acceso al sol porbarreras, en rehabilitación cuandoexistan limitaciones no subsanables,en edificios de nueva planta cuandoexistan limitaciones de carácter urba-nístico que imposibilitan la disposiciónde los captadores, y cuando lo indiqueel órgano competente en materia deprotección histórico-artística.
Esta reducción lleva consigo la obliga-toriedad de justificar la alternativa deahorro energético eléctrico mejorandolas instalaciones consumidoras comoiluminación o regulación de equiposmás eficientes. En este aspecto habríaque relacionar la exigencia HE-3 sobreinstalaciones de iluminación donde sedeterminaba un valor límite de Valorde Eficiencia energética VEEI, endonde se justificaría un ahorro cuandose obtuvieran valores inferiores allímite establecido, junto con la utili-zación de equipos con mayores rendi-mientos.
COMPONENTESUna instalación solar fotovoltaica estáformada por un conjunto de compo-nentes encargados de captar la radia-ción solar, generando energía eléctricaen forma de corriente continua, ymodificarla para hacerla utilizable porlos propios usuarios (Figura 1), o paraser conectada a la red de distribuciónen corriente alterna (Figura 2), en cuyocaso se instala en paralelo con el restode los sistemas de generación quesuministran a la red de distribución.
A) Sistema generador fotovoltaico:El generador fotovoltaico está com-puesto de módulos que a su vez con-tienen un conjunto de elementossemiconductores conectados entre sí
denominados células, que transformanla energía solar en energía eléctrica.
Las células fotoeléctricas están for-madas por materiales semiconducto-res que al recibir una pequeña canti-
dad de energía, similar a la energía delos fotones que constituyen la luzsolar, liberan electrones generando unpaso de corriente proporcional al flujoluminoso.
Tipo de uso Límite de aplicaciónHipermercado 5.000 m2 construidos
Multitienda y centros de ocio 3.000 m2 construidos
Nave de almacenamiento 10.000 m2 construidos
Administrativos 4.000 m2 construidos
Hoteles y hostales 100 plazas
Hospitales y clínicas 100 camas
Pabellones de recintos feriales 10.000 m2 construidos
Tabla 1. Ámbito de aplicación
Figura 1. Esquema de instalación fotovoltaica para uso propio
Figura 2. Esquema de instalación fotovoltaica conectada a red
sSÓTANOS
sNIVEL FREÁTICO
sINYECCIÓN DE RESINAS
sTRATAMIENTOS PREVENTIVOS
sTAPONAMIENTO DE VÍAS DE AGUA
sSELLADO DE JUNTAS EN HORMIGÓN
sIMPERMEABILIZACIÓN DE LOSA DE
CIMENTACIÓN Y MUROS
sDEPÓSITOS Y CONDUCCIONES DE AGUA
POTABLE Y RESIDUAL
sFISURAS EN EL HORMIGÓN
IMPERMEABILIZACIONES ESPECIALES
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN
CIMENTACIONES ESPECIALES
MURO PANTALLA
PILOTES
MICROPILOTES
ANCLAJES
RECALCES
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El rendimiento (η) de las células, defi-nido como el cociente entre la poten-cia eléctrica máxima que puede sumi-nistrar y la potencia luminosa queincide, presenta valores muy bajos,comprendidos entre el 27% y el 9%según el material de la célula, quehace de éste el principal campo deinvestigación para mejorar la eficien-cia energética. Estos bajos rendimien-tos originan la necesidad de instalargrandes superficies de placas solarespara la obtención de una cuantía deenergía eléctrica moderada.
Las características de los distintostipos de células (Figura 3) son lassiguientes:
l Las células de arseniuro de galio(η≈27%) poseen menores pérdidas,proporcionando una elevada eficien-cia, pero al tratarse de un materialpoco abundante y con una tecnologíapoco avanzada genera costes de fabri-cación elevados y poco competitivos.
l Las células de silicio monocristalino(η≈22%) son de un material abun-dante y con una importante industria,pero su uso requiere partir del silicioen estado puro extraído del óxido desilicio. Fabricar un monocristal a par-tir del material fundido es un procesoque requiere mucho tiempo y energía,controlando la velocidad de solidifica-ción y la temperatura, obteniendocilindros a partir del cual se cortan enforma de obleas circulares. Esto evitala fabricación de grandes cantidadesque puedan abaratar su coste.
Su comercialización puede ser enforma circular no perdiendo materialpero configurando placas solares congran superficie sin células, o bien cua-dradas realizando pérdida de materialpero aprovechando al máximo lasuperficie de la placa. Esto lógicamen-te es lo que motiva la variación deprecios que no obstante las convierteen las más utilizadas con precios com-petitivos y rendimientos altos.
l Las células de silicio policristalino(η≈14%) poseen una tecnología defabricación con un control menosexhaustivo, permitiendo su produc-ción en forma cuadrada no deprecian-do material y abaratando los preciosaunque los rendimientos disminuyan.
l Las células de silicio amorfo (η≈ 9%)(con gran cantidad de imperfeccionesen su estructura cristalina) son máseconómicas y tienen la posibilidad defabricarse en colores o traslúcidas,pero presentan un rendimiento bajo yuna mayor degradación a su exposi-ción a la radiación solar.
l Y por último, las células de sulfuro decadmio y sulfuro de cobre (η≈10%)presentan un bajo coste pero un ren-dimiento bajo y se degradan con elpaso del tiempo.
Módulo fotovoltaico
Los módulos pueden presentarse comomódulos convencionales, módulosespeciales, semitransparentes, tejas,etc. y lámina delgada (Figura 4).
El conjunto de células se conectan enserie y paralelo para obtener valoresde tensión e intensidad requerida yequilibrada. Posteriormente se reali-zan las conexiones eléctricas y seencapsulan en un polímero llamadoEVA (etil-vinili-acetileno), que le con-fiere protección mecánica y las prote-ge frente a las acciones atmosféricas.Este encapsulado debe tener buenascualidades de transmisión de la radia-ción solar para obtener buenos rendi-mientos, resistencia a la humedad y alos rayos ultravioleta. Además, realizala función de amortiguar las vibracio-nes y actuar de adhesivo entre lascélulas y la protección posterior y lacubierta.
La protección posterior se realiza através de Tedlar o EVA, de color blan-co, que permite que la radiación inci-dente que pasa entre los intersticiosde las células sea reflejada y pormedio de la refracción de la cara inte-rior de la cubierta de vidrio incidan denuevo en la célula, aumentando elrendimiento.
Sobre ellas se coloca la cubierta,generalmente de vidrio templado, quele confiere buena protección contraimpacto y excelente transmisión a laradiación del espectro solar, debiendotener la cara exterior muy lisa, paraevitar la retención de suciedad y per-mitir su auto limpieza con ayuda delaire y del agua y así no disminuir elrendimiento de la placa.
Todo el módulo se introduce en unhorno, generándose el vacío y fun-diendo el encapsulado que envuelvelas células y las conexiones eléctricas.
El módulo compacto se une a la car-casa de aluminio anodizado o aceroinoxidable que le confiere rigidezmecánica y es sellado por medio degoma butílica o silicona para permitirlas libres dilataciones del conjunto, nopudiendo manipularse posteriormenteporque podría provocar la rotura detodo el conjunto (Figura 5).
Las placas fotovoltaicas se caracteri-zan por la potencia pico o potenciamáxima que corresponde a la que pro-porciona el módulo en condicionesestándares de medida, con Irradiancia1000 W/m2, distribución espectral AM1,5 G, incidencia normal y temperatu-ra de la célula 25 ºC. Las instalacioneseficientes requieren de inversoresdotados de seguimiento automáticodel punto de máxima potencia delgenerador, debido a las grandes varia-ciones que se producen dependientesde la radiación solar incidente, (verFigura 6).
Los fabricantes acreditados suelen daruna garantía de las placas de 10 añoscontra defectos de fabricación y dis-minución de la potencia, lo que daidea de la fiabilidad de las mismas.
Las condiciones que se deben tener encuenta en la recepción de obra son:
1. Todos los módulos deben satisfacerlas especificaciones UNE-EN 61215:1997 para módulos de silicio cristali-no o UNE-EN 61646:1997 para módu-los fotovoltaicos de capa delgada, yestar cualificados por un laboratorio
Figura 4. Células fotovoltaicas especiales y de láminadelgada
Figura 5. Panelfotovoltaico
Figura 3. Células fotovoltaicas de sili-cio monocristalino y policristalino
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acreditado por las entidades naciona-les de acreditación reconocidas por laRed Europea de Acreditación (EA), opor el Laboratorio de Energía SolarFotovoltaica del Departamento deEnergías Renovables del CIEMAT,demostrado mediante la presentacióndel certificado correspondiente.
2. El módulo fotovoltaico llevará unetiquetado que, de forma claramentevisible e indeleble, indique el modelo ynombre o logotipo del fabricante,potencia pico, y una identificaciónindividual o número de serie trazablea la fecha de fabricación.
3. Los módulos serán Clase II y ten-drán un grado de protección mínimoIP65.
B) Regulador de cargaEl regulador de carga tiene como fun-ción evitar que, debido a una sobre-carga excesiva proporcionada por elpanel, se pueda dañar el acumulador obatería, acortando su vida útil.
Evita la sobrecarga y limita la tensiónen las baterías a valores adecuados.
Existen tipo shunt, instalado en para-lelo con los paneles y los acumulado-res, que cuando detectan la tensiónlímite en bornes del acumulador,actúan como baja resistencia derivan-do la corriente, hoy día en desuso. Ytipo serie, en serie con los paneles ylos acumuladores, que desconectancuando se logra el estado de plenacarga, siendo estos los más usados enla actualidad.
C) Acumuladores de carga. BateríasTransforman la energía potencial quí-mica en energía eléctrica, suminis-trando energía tal y como se demandaindependiente del régimen de funcio-namiento del panel.
Se caracterizan por la capacidad (Ah),es decir, cantidad de energía (A) en untiempo de descarga completa.
Los acumuladores eficientes se carac-terizan por la aceptación de lascorrientes generadas por el panel en
un amplio rango, asegurar la estabili-dad de la tensión, requerir un mante-nimiento mínimo o nulo, tener un bajaauto descarga, un rendimiento eleva-do y una larga vida útil.
Los tipos más comunes de acumula-dores son los siguientes:
a) De Ni-Cd. Presentan mayor rendi-miento, estabilidad de carga y vidaútil, pero un elevado coste.
b) De Plomo-ácido. Son los más usa-dos en la actualidad por su adaptacióna valores variables de corriente yposeen un precio razonable. Es conve-niente en este caso impregnar lasconexiones con vaselina o grasa paraprever la sulfatación de los contactos.
c) De Gel. No requieren mantenimien-to ya que reponen el agua por reac-ción electroquímica.
D) Inversor
Transforma la corriente continuagenerada por las placas, en corrientealterna de las características de fre-cuencia y tensión adecuadas para suutilización.
Los inversores cumplirán con lasdirectivas comunitarias de SeguridadEléctrica en Baja Tensión y Compa-tibilidad Electromagnética.
Las características básicas de losinversores son su principio de funcio-namiento, auto conmutación, segui-
miento automático del punto demáxima potencia del generador. Losinversores no deben funcionar enmodo isla.
De acuerdo con la exigencia HE-5, lapotencia del inversor será como míni-mo el 80% de la potencia pico real delgenerador fotovoltaico.
E) Protecciones y elementos de seguridad
La instalación incorporará todos loselementos necesarios para garantizarla calidad del suministro eléctrico,seguridad y protecciones propias delas personas y de la instalación foto-voltaica, asegurando la protecciónfrente a contactos directos e indirec-tos, cortocircuitos y sobrecargas.
En particular, se usará en la parte decorriente continua de la instalaciónprotección Clase II o aislamiento equi-valente, cuando se trate de un empla-zamiento accesible. Y los materialessituados a la intemperie tendrán almenos un grado de protección IP65.
La instalación debe permitir la desco-nexión y seccionamiento del inversor,tanto en la parte de corriente conti-nua como en la de corriente alterna,para facilitar las tareas de manteni-miento.
CUANTIFICACIÓN
El procedimiento a seguir para la jus-tificación de la exigencia HE-5 se
PROCEDIMIENTO
Cálculo de la POTENCIA MÍNIMAApartado 2.2
Comprobación de las pérdidaspor orientación, inclinación y sombras.
Apartado 3.3 y 3.4. Tabla 2.2
Cálculo y dimensionadoApartado 3
Cumplimiento de las condicionesde mantenimiento.
Apartado 4
Figura 7. Procedimiento de justificación de la exigencia HE-8
Figura 6. Variación del punto de potencia máxima según la radiación incidenteen el panel
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indica en la figura 7, comprendiendolos siguientes conceptos:
A) Cálculo de la contribución solarmínima anualLa potencia pico mínima del inversor ainstalar es de 5 kW y de la instalaciónde 6,25 kWp o bien la potencia obte-nida en función de la zona climática,uso del edificio y superficie construidade acuerdo con la expresión:
Siendo:
C = Coeficiente en función de la zonaclimática. Tabla 2.2 de HE-5.
A y B = Coeficientes en función deluso del edificio. Tabla 2.1 de HE-5.
S = Superficie construida del edificio(m2).
Debido a que según el uso los paráme-tros A y B son distintos pueden pre-sentarse dos casos:
a) Edificios del mismo uso en el mismorecinto. En este caso se obtiene lapotencia que corresponda a la super-ficie total.
b) Edificios de distinto uso en elmismo recinto. En este caso se analizacada superficie por separado y luegose obtiene el sumatorio de la potenciade cada zona, (Figura 8).
B) Comprobación de pérdidas pororientación, inclinación y sombras(apartado 2.2 de HE-5)Las pérdidas debidas a la orientación,inclinación y sombras serán inferioresa los límites de la tabla 2, cuya justi-ficación se instrumenta en el CTEsiguiendo las mismas pautas que elIDAE.
C) Cumplimiento de las condicionesde mantenimiento (apartado 4 deHE-5)Se contempla un plan de vigilanciabasado en la observación simple de losparámetros funcionales principales,energía, tensión, limpieza de módulos.Y en un plan de mantenimiento queconlleva la inspección visual y todasaquellas actuaciones de manteni-miento y sustitución necesarias paragarantizar la vida útil de la instala-ción, debiendo ser realizada por per-sonal especializado y haciéndolasconstar en un libro de mantenimiento.
La revisión semestral contemplará,como mínimo, la comprobación de lasprotecciones eléctricas, del estado delos módulos, del inversor, del cableadoy de los terminales.
MONTAJELas placas se deben instalar con lamisma inclinación (β = Latitud - 10º),
y orientación (Sur) ya que un ángulode incidencia de la radiación solardiferente entre las placas modificaríala intensidad de corriente, desequili-brando el sistema eléctrico de todaslas placas conectadas en serie, (verFigura 9).
La interconexión entre las placaspuede ser en serie, (aumentando latensión), o en paralelo (aumentando laintensidad). En la instalación en seriese deben colocar placas de igualintensidad de corriente, ya que encaso contrario, la intensidad circulan-te sería determinada por la de menorcuantía, generando una gran pérdidade eficiencia.
En este aspecto se debe tener especialcuidado con la posibilidad de la pro-yección de sombras, porque una míni-ma zona de una placa con sombraprovocaría la anulación de todas lasplacas conectadas en serie como si se
Tabla 2. Pérdidas límite
Figura 10. Tipologías de estructuras soportes
Caso Orientación e inclinación Sombras TotalGeneral 10% 10% 15%Superposición 20% 15% 30%Integración arquitectónica 40% 20% 50%
Figura 8. Potencia mínima en recintos con zonas de distinto uso
Zona uso 1: Superficie construida: S1 (m2)
Coeficiente de uso: A1, B1
Pzona uso i = C· (Ai · Si + Bi)
Pzona uso n = C· (An · Sn + Bn)Zona uso “n”: Superficie construida: Sn (m2)
Coeficiente de uso: An, Bn
Aunque Si < S Tabla 1.1
Si P < 6,25 kWp
No es exigible la aplicación de HE-5
P = Σ Pzona uso i
i-1
n
P = C · (A · S + B) kWp
hubiera abierto el circuito. No obstan-te siempre se deben instalar elemen-tos de protección como los diodos deby-pass que impidan la derivación decorriente que haga que unas célulasactúen de receptores aumentando detemperatura pudiendo provocar cor-tocircuitos.
La caja de conexiones de la placa con-viene que no sea totalmente estancapara evitar que el aire húmedo confi-nado al aumentar de temperaturapudiera condensar e iniciar un proce-so de corrosión en los terminales.
El cálculo y la construcción de laestructura soporte y el sistema de fija-ción de los módulos debe garantizar laestabilidad y permitir las necesariasdilataciones térmicas sin transmitircargas que puedan afectar a la inte-gridad de los módulos, siguiendo lasindicaciones del fabricante (Figura 10y 11). La estructura se realizaráteniendo en cuenta la facilidad demontaje y desmontaje, y la posiblenecesidad de sustituciones de elemen-tos (Figura 12).
Respecto al montaje de los acumula-dores se siguen los mismos criterios,debiendo conectarse en serie cuandosean de igual capacidad (Ah) y enparalelo cuando sean de igual voltaje.
Su ubicación conviene que sea cerca-na a las placas para evitar caídas detensión. Se instalarán sobre una ban-cada resistente al ácido que las aisledel suelo. El local debe disponer deaberturas de ventilación en la partesuperior para evacuar el hidrógeno yoxígeno que se desprenden y paramantener una temperatura entre 15 y25ºC, ya que disminuye la capacidadde la batería o su vida útil.
Los elementos de regulación, regula-dor de carga, voltímetro, lector de
carga de la batería, etc., se albergaránen un armario.
Los convertidores o inversores sesituarán cercanos a las baterías por-que la caída de tensión es menor des-pués de la transformación, disminu-yendo costes en sección de conductory en un local debidamente ventiladopara compensar el aumento de tem-peratura que generan los equiposeléctricos.
Por motivos de seguridad y para faci-litar el mantenimiento y reparacióndel generador, se instalarán los ele-mentos necesarios (fusibles, interrup-tores, etc.) para la desconexión, deforma independiente y en ambos ter-minales, de cada una de las ramas delgenerador.
NORMATIVADentro de la normativa de obligadocumplimiento para este tipo de insta-laciones cabe destacar el ReglamentoElectrotécnico de Baja Tensión (R.D.842/2002), el R.D. 1663/2000 (BOE nº235 de 30/9/2000) “Conexión de ins-talaciones fotovoltaicas a la red debaja tensión”, (P<100kVA y U ≤ 1 kV).Y en caso de conectarse a la red dedistribución, con el objeto de facturarla energía producida, se realizará lainscripción en el Registro de Instalaci-nes Productoras en Régimen Especialy se tramitará el punto de conexióncon la Empresa Distribuidora.
Paloma Arrué BurilloAntonio Manuel Sedó
Universidad Politécnica de Valencia
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Figura 9. Cubierta de parking condiferente inclinación
Figura 11. Efecto de la carga del viento enuna instalación fotovoltaica
Figura 12. Instalación fotovoltaica
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Juan XXIII, 17 46200 PAIPORTA (Valencia) - Tel.: 963 979 422 - Fax: 963 979 572
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