ES2936311T3 - Instalación fotovoltaica con un dispositivo para la reducción del potencial - Google Patents

Abstract

El sistema (1) tiene módulos fotovoltaicos (3) conectados eléctricamente a una cadena (5), de tal manera que se forma un generador fotovoltaico (6). Un extremo de cuerda (7) del generador forma un polo negativo y otro extremo de cuerda (9) del generador forma un polo positivo. Un dispositivo reductor de voltaje (23), es decir, una fuente de voltaje, reduce el potencial del polo negativo a tierra (13). Los extremos están conectados a un inversor libre de potencial. Los disyuntores (31, 31A) desconectan el dispositivo reductor del sistema cuando la corriente detectada entre el generador y el potencial de tierra se encuentra por encima del valor límite de corriente preestablecido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Instalación fotovoltaica con un dispositivo para la reducción del potencial

La invención se refiere a una instalación fotovoltaica con una multitud de módulos fotovoltaicos, que están conectados eléctricamente a un generador fotovoltaico, cuyo primer extremo de la cadena de módulos es un polo negativo y su segundo extremo de la cadena constituye un polo positivo. El generador fotovoltaico comprende con esto un número de módulos fotovoltaicos, que están conectados al menos a un ramal o cadena de módulos. Se pueden prever también varios ramales conectados en paralelo.

Las instalaciones de este tipo son muy conocidas. En dichas instalaciones, una serie de por ejemplo diez módulos fotovoltaicos están conectados en serie. Los módulos constituyen así la llamada cadena de módulos. Cada módulo fotovoltaico comprende, a su vez, por ejemplo, 100 células fotovoltaicas, que están conectadas en serie por su parte eléctricamente. Un único semiconductor usado hasta el momento - la célula fotovoltaica produce por la irradiación de la energía solar un voltaje de aprox. 0,5 voltios, lo que produce un voltaje modular de 50 voltios. Como resultado de ello, según el empleo de la instalación, se produce en caso de carga sobre la cadena un voltaje, a continuación, conocido como voltaje de la cadena de módulos o del ramal, de aprox. 500 voltios. En un caso en vacío o sin carga la tensión del ramal aumenta hasta aprox. 800 voltios. Habitualmente, una pluralidad de ramales o cadenas de módulos, por ejemplo, de 10 cadenas, se unen mediante conexiones en paralelo y la energía producida se evalúa mediante una conducción conjunta.

La energía eléctrica producida se presenta en forma de corriente continua. Es transformada a corriente alterna a través de un convertidor. Con ello son habituales las conexiones visualizadas por ejemplo en las figuras 1 y 2. Se han previsto los mismos elementos operativos o componentes, respectivamente, con los mismos signos de referencia.

Conforme a la figura 1 una instalación fotovoltaica 1 comprende un número de elementos fotovoltaicos 3, que están conectados respectivamente en una serie, y aquí forman dos ramales 5, que están conectados en paralelo. El generador fotovoltaico 6 así creado posee un primer extremo de ramal y un segundo extremo 7,9, que presentan el polo negativo o el polo positivo P1 o P2. El primer extremo del ramal 7 es el polo negativo del generador fotovoltaico 6 y posee por tanto el primer potencial del ramal P1 (inferior) y el segundo extremo del ramal 9 es el polo positivo del generador fotovoltaico 6 y posee por tanto el segundo (superior) potencial del ramal P2. A los extremos de los ramales 7,9 se ha conectado un convertidor 11. El voltaje Uo entre los extremos de la cadena 7,9 es por el momento en caso de carga, por ejemplo, de los mencionados aprox. 500 V y en un caso de sin carga de los mencionados 800 voltios. El aislamiento del cable colocado para los módulos fotovoltaicos se ha establecido en un valor de aprox.

1000 voltios, lo que es suficiente para que funcione con seguridad el tipo de módulos usados hasta el momento en esta variante.

La segunda conexión 1 visualizada en la figura 2 comprende únicamente un ramal 5 de los módulos 3 conectados en serie en un generador fotovoltaico 6, debido a la representación simple. Esta instalación fotovoltaica 1 tiene un inconveniente. En el visualizado llamado funcionamiento sin potencial de la instalación fotovoltaica 1 existe en cada uno de los extremos del ramal 7,9 aproximadamente el mismo voltaje frente a tierra 13. El potencial del ramal positivo P2 en un caso de sin carga (Uo=800 V) es por ejemplo de aprox. 400 voltios frente a tierra 13, y el potencial del ramal negativo P1 es de aprox. -400 voltios frente a tierra 13. Estos voltajes frente a tierra 13 a pesar del funcionamiento sin potencial se consiguen por medio de una conductividad relativamente pequeña (= valor inverso de la resistencia en ohm) de las tuberías de unión proporcionalmente largas entre los módulos 3 (cableado de la instalación 1) y de las tuberías al convertidor 11. En una representación equivalente, el valor pequeño de la conductividad es simbolizado por una resistencia 14, que conduce a aproximadamente la mitad de la conexión en serie 5 del módulo 3 a tierra. De ese modo las descargas parasitarias a tierra 13 adquieren grandes dimensiones y se presenta en un caso de sin carga una distribución de potencial 400 V, -400 V frente a tierra 3, puesto que para toda la instalación es lo más favorable desde el punto de vista energético. Aquí tampoco no aparecen problemas en un cableado ordinario con una seguridad de aislamiento de 1000 voltios.

De la DE 20 2006 008 936 U se sabe cómo prever una fuente de tensión constante, que eleve a un potencial positivo el polo negativo de la instalación fotovoltaica. Este modo de proceder opuesto conduce a otros fines: Se reduce la salida de electrones de la capa de TCO del módulo 3, de manera que disminuyen las descargas catódicas o bien se evitan por completo, para impedir una erosión catódica en un módulo.

La misma medida se conoce de la propia solicitud de patente EP 2086020A2. En el dispositivo allí descrito para la elevación del potencial se ha previsto una variante, que a consecuencia de la fuente de voltaje constante está conectada al polo positivo de la instalación fotovoltaica, elevando este a un potencial superior para reducir el peligro de impacto del rayo. (Sin querer anticipar el posterior desarrollo de la idea de la invención, ya se ha mencionado aquí, que en ambos documentos no se habla de una reducción del potencial y se ha obrado en contra de los fines aquí deseados).

En el ámbito fotovoltaico están en funcionamiento actualmente cambios tecnológicos, que consigan módulos productivos con un mayor voltaje de salida que los 50 voltios antes mencionados para el voltaje de funcionamiento (500 voltios por el ramal de hasta 10 módulos) y 80 voltios para el voltaje sin carga (800 voltios para el voltaje sin carga del ramal). El desarrollo por el lado del convertidor va acompañado del poder trabajar a estos voltajes superiores. Las causas son también el hecho de que para una misma potencia los voltajes superiores traigan consigo una corriente menor, lo que va en beneficio de las secciones de cables. Un cableado existente en una instalación fotovoltaica ya existente se podría también emplear después de un cambio de módulos viejos, por ejemplo, módulos envejecidos a nuevos módulos modernos a un voltaje superior, si se mantuvieran los requisitos de aislamiento.

De acuerdo con ello la invención tiene el cometido del aislamiento de un empalme de cables y la correspondiente unión de módulos fotovoltaicos en una instalación fotovoltaica, de manera que se pueda producir un voltaje a ser posible alto en el generador fotovoltaico, sin exceder la rigidez del cable permitida.

Este cometido se resuelve conforme a la invención mediante un dispositivo para reducir la tensión, por medio del cual se reduce el potencial del polo negativo frente a tierra.

Esta medida tiene la ventaja de que en las instalaciones recién concebidas con un voltaje sin carga superior a 1000 voltios y de hasta máximo 2000 voltios se pueden emplear cables económicos cuyo aislamiento se expone únicamente a 1000 voltios. El valor del aislamiento de un cable al igual que de un módulo fotovoltaico viene dado siempre por una rigidez frente a tierra. Es decir, un módulo o cable con una resistencia máxima al aislamiento se puede utilizar únicamente dentro de este intervalo máximo. La presente invención tiene la ventaja de que incluso cuando mediante avances en la fabricación de convertidores electrónicos se pueda incrementar el número de módulos conectados en serie, lo que trae consigo un elevado voltaje sin carga y en funcionamiento, la disminución del potencial conforme a la invención del potencial no arrastra ningún encarecimiento por parte del cable, mientras en el tipo de funcionamiento conforme a la figura 1 no se exceda un voltaje sin carga de 1000 voltios y en el tipo de funcionamiento conforme a la figura 2 no se excedan los 2000 voltios de voltaje sin carga.

A continuación, la descripción de un ejemplo conforme a la invención de una configuración, donde inicialmente se vuelve de nuevo a la técnica óptima actual. Se muestran:

Figura 1 el esquema de una instalación fotovoltaica vinculada al potencial según la técnica óptima actual Figura 2 el esquema de una instalación fotovoltaica sin potencial según la técnica optima actual Figura 3 el esquema de una instalación fotovoltaica de potencia elevada con potencial reducido

Figura 4a una curva de tensión conforme a la técnica óptima actual

Figura 4b una curva de tensión con una disminución de potencial

Para componentes similares se emplean los mismos signos de referencia.

Tal como se ha mencionado, en las figuras 1 y 2 se ha representado el esquema de una instalación fotovoltaica (instalación PV) 1. Acto seguido ya se entra en una parte preliminar. La instalación PV 1 comprende una serie de módulos fotovoltaicos 3, nombrados brevemente a continuación como módulos, que están conectados unos a otros en serie. Los módulos 3 forman un ramal 5, que presenta desde el punto de vista eléctrico un primer extremo 7, que equivale al polo negativo del generador PV 6 y en el cual existe un potencial de ramal negativo P1. Varios ramales 5 pueden estar conectados en paralelo. El ramal 7 tiene un segundo extremo 9, en el cual existe un potencial de ramal positivo P2. El voltaje existente entre los extremos 7,9 está marcado con Uo. En los extremos de ramal 7,9 existe un convertidor 11 libre de potencial, que transforma la corriente continua trasportada por los módulos 3 en corriente alterna, y, por ejemplo, está disponible para su alimentación a una red eléctrica (no visualizada). El concepto “libre de potencial” indica aquí que el convertidor 11 está libre de potencial de tierra, es decir no está conectado a tierra 13. Es decir, no tiene una unión ni positiva ni negativa a tierra 13.

Conforme a la figura 1, la instalación fotovoltaica 1 es accionada según el potencial, es decir, el potencial del ramal negativo P1 en un primer extremo 7 está colocado en el potencial de tierra 13. El potencial del ramal positivo P2 es igual entonces a la tensión Uo que se encuentra sobre el ramal 5 y corresponde en circuito abierto a aproximadamente 800 voltios. La instalación fotovoltaica 1 visualizada en la figura 2 muestra por el contrario el funcionamiento libre de potencial de una instalación fotovoltaica 1. En cada uno de los extremos 7,9 descansa aproximadamente el mismo voltaje. El potencial P2 positivo es aprox. de 400 voltios frente a tierra 13, y el potencial negativo P1 es aprox. de -400 voltios frente a tierra 13. En la instalación conforme a la figura 2 con un potencial flotante existe el peligro en caso de un incremento del voltaje del generador a por ejemplo 1500 voltios, que por ejemplo mediante una conexión a tierra en el conductor positivo o negativo la tensión máxima permitida entre la tierra y el componente correspondiente sea excedida pasando de 1000 voltios a 1500 voltios.

En la figura 3, se muestra la instalación de la figura 2 con modernos módulos fotovoltaicos, que presentan respectivamente un voltaje sin carga de 150 voltios. Además el número de módulos 3 por ramal ha aumentado de 5 a 10, lo que conduce a un voltaje sin carga de 1500 voltios para una tensión en funcionamiento de 1000 voltios.

Dicha instalación podría funcionar tanto con los cables utilizados hasta el momento, que tienen una rigidez de 1000 voltios, e incluso podrían los módulos que únicamente permiten una rigidez de 1000 voltios. En una instalación construida de nuevo se deberían emplear cables más caros, o bien en un nuevo equipamiento planificado de una instalación existente con modernos módulos eso no sería posible. Aquí la invención pone remedio de manera que tal como se muestra en la figura 3, además de los componentes y elementos 3 hasta 13 anteriormente marcados se ha previsto una fuente de corriente continua constante 23, que en el ejemplo de ejecución suministra un voltaje de, por ejemplo, Uz=1000 voltios y posee un polo de conexión 27 positivo y un polo de conexión negativo 25. Puesto que la fuente de tensión 23 es una fuente de tensión constante con un voltaje predeterminado (Uz), existe la ventaja de que debido a la resistencia interior alta teóricamente inacabable de la fuente de voltaje se mantiene la propiedad de variante libre de potencial.

El polo de conexión 27 positivo está pues conectado a tierra, de manera que el potencial P1 queda fijado a un primer extremo de tensión negativa del ramal 7 de -1000 voltios y el potencial del ramal positivo P2 flota libremente. O bien, expresándolo de otra forma, el potencial del ramal P1 negativo es pretensado en un primer extremo del ramal 7 a -1000 voltios. Si se resta el voltaje Uz que actúa sobre el ramal 5 de 1500 voltios de este -1000 voltios, se obtiene así un potencial de ramal P2 en un segundo extremo del ramal positivo 9 de más de 500 voltios en un caso sin carga y de cero voltios en un caso de carga. Estos valores quedan por debajo de la rigidez crítica del cableado empleado por el momento en la instalación PV, de manera que se da la posibilidad de una transmisión de potencia claramente elevada del generador fotovoltaico 6 para cables económicos.

Asimismo, los módulos fotovoltaicos pueden ser empleados con un tipo de estructura inalterada en lo que respecta a la rigidez.

En la figura 4a el potencial P(t) del generador 6 fotovoltaico se aplica durante el tiempo, tal como se indica en la técnica óptima actual conforme a la DE 202006 008 936 U. Una fuente de voltaje constante con su polo negativo conectado a tierra eleva el potencial negativo P1 del generador fotovoltaico 6 a más de 50 voltios, desde donde puede flotar libremente hacia arriba la tensión sin carga y en funcionamiento. Si se empleara el generador 6 del PV aquí conforme a la figura 3, resultaría un voltaje sin carga U (P2-P1) de 1550 voltios (pretensión de 50 voltios 1500 voltios de tensión sin carga) frente a tierra, lo que requeriría el aislamiento del cableado ordinario actual y de los módulos y esto es inadmisible.

Otra cosa distinta es el trazado o desarrollo conforme a la figura 4b empleando la fuente de voltaje constante 23 con su polo positivo conectado a tierra. El primer extremo negativo del ramal 7 se ha fijado en el valor del potencial de la fuente de voltaje 23 de -1000 voltios. No es posible un potencial más negativo, puesto que el potencial P2 positivo del generador PV en un segundo extremo del ramal 9 únicamente puede flotar hacia arriba, es decir siempre es mayor que el negativo. Incluso para un voltaje sin carga máximo posible de 1500 voltios se da un potencial P2 máximo de 500 voltios conectado a tierra. Asi que siempre existe una distancia de seguridad de 500 voltios hasta el voltaje del cable permitido por encima del potencial de tierra. Para el dimensionado de la fuente de voltaje constante 23 es importante actualmente un voltaje (Uz) entre 300 voltios y 1500 voltios, en particular entre 500 voltios y 1300 voltios, preferiblemente por dentro de este margen entre 700 voltios y 1100 voltios y en definitiva en cumplimiento con los mazos de cables construidos hasta el momento entre 950 voltios y 1050 voltios. Los márgenes de voltaje indicados antes se consideran en lo que se refiere a la evolución previsible tecnológicamente hasta el momento. Si en el futuro fueran posibles instalaciones PV en una gama de voltaje medio de varios moles de voltios, se mantendrían de forma análoga las ventajas de la reducción de potencial mencionada, si se emplea una fuente de voltaje constante 23 con una tensión media proporcionalmente elevada.

Se sobreentiende que con el presente descenso de voltaje no se pueden emplear ningún módulo de capa delgada con capa TCO, el cual debido a la erosión catódica únicamente tendría un periodo de vida muy reducido.

La instalación 1 representada en la fig. 3 contiene también medios para la protección de personas en forma de un interruptor de protección 31 o de un interruptor de protección alternativo 31A. A fin de que se proteja una persona al contactar una pieza de la instalación 1. El interruptor 31 ó 31A se fija o coloca de manera que al conseguir un valor límite de corriente i* establecido la fuente de voltaje constante 23 se conecta. Es decir, no fluye ninguna corriente i por el cuerpo de la persona en peligro. El valor de la corriente i* para la corriente i permitida máxima puede ser de 20 mA. Naturalmente se puede emitir también una señal de alarma a.

Em otras palabras: Para evitar el riesgo de las personas se emplea un interruptor protector 31 o 31A. Sirve para separar en cualquier lugar la conexión entre tierra 13 y el polo 27 de la fuente de corriente continua 23. Tiene la función de un interruptor protector F1. Sin embargo en este caso no se emplea un interruptor diferencial. Más bien existe en la tubería un sensor o elemento medidor de la corriente 33, que prescinde de la corriente i y atribuye un elemento de comparación 35 a un valor de medición correspondiente. Esto es presurizado con un valor límite de corriente i* preestablecido. Si el valor de la corriente i sobrepasa el valor límite i*, salta una señal de alarma, que permite la conexión del interruptor 31.Esta señal de conexión p puede al mismo tiempo también servir de señal de alarma a, para visualizar el estado de riesgo de la instalación 1 o el peligro de una persona.

Listado de signos de referencia

I instalación fotovoltaica

3, 3a,3b módulo fotovoltaico

5 Ramal o cadena

6 Generador fotovoltaico

7 1. Extremo de la cadena, negativo

9 2. Extremo de la cadena, positivo

I I convertidor

13 potencial de tierra

23 fuente de tensión constante

25 polo de conexión negativo

27 polo de conexión positivo

31 interruptor de protección

31A interruptor de protección alternativo

33 elemento de medición de la corriente o sensor

35 elemento de referencia o comparación

37 aparato medidor de la corriente

P1 potencial negativo del ramal o cadena

P2 potencial positivo del ramal o cadena

Uo tensión o voltaje del generador PV 6

Uz tensión o voltaje adicional

i corriente

p señal de conexión

i* máxima corriente permitida

a señal de alarma

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Instalación fotovoltaica (1) con una pluralidad de módulos fotovoltaicos (3), que están conectados eléctricamente a al menos una cadena de módulos (5) y por consiguiente forman un generador fotovoltaico (6), cuyo primer extremo del ramal o cadena (7) forma un polo negativo y su segundo extremo del ramal (9) constituye un polo negativo,

que se caracteriza por un dispositivo (23) para la reducción del voltaje, por medio del cual se reduce el potencial (P1) del polo negativo frente a tierra (13), con lo cual el dispositivo (23) es una fuente de voltaje con un polo de conexión negativo (27) y un polo de conexión positivo (29), y

a cuyo efecto el polo de conexión positivo (27) se aplica a un potencial de tierra (13) y el polo de conexión negativo (29) está conectado eléctricamente al polo negativo del generador fotovoltaico (6).

2. Instalación fotovoltaica (1) conforme a la reivindicación 1, que se caracteriza por que la fuente de tensión (23) es una fuente de tensión constante con una tensión preestablecida (Uz).

3. Instalación fotovoltaica (1) conforme a una de las reivindicaciones 1 hasta 2, que se caracteriza por que el primer y el segundo extremo del ramal (7,9) del generador fotovoltaico (6) están conectados a un convertidor libre de potencial (11).

4. Instalación fotovoltaica (1) conforme a la reivindicación 2,3 que se caracteriza por que la fuente de voltaje constante (23) dispone de un voltaje (Uz) entre 100 voltios y 1500 voltios.

5. Instalación fotovoltaica (1) conforme a la reivindicación 4, que se caracteriza por que la fuente de voltaje constante (23) dispone de un voltaje (Uz) entre 500 voltios y 1500 voltios.

6. Instalación fotovoltaica (1) conforme a la reivindicación 5, que se caracteriza por que la fuente de voltaje constante (23) dispone de un voltaje (Uz) de aproximadamente 1000 voltios, en particular entre 950 voltios y 1050 voltios.

7. Instalación fotovoltaica (1) conforme a una de las reivindicaciones 1 hasta 6, que se caracteriza por un interruptor (31, 31A), el cual, en el caso de una corriente (i) detectada entre el generador fotovoltaico (6) y el potencial de tierra (13) por encima de un valor límite de corriente predeterminado (i*), desconecta la fuente de voltaje (23) de la instalación fotovoltaica (1) o separa la fuente de voltaje (23) del potencial de tierra (13).

8. Instalación fotovoltaica (1) conforme a la reivindicación 7, que se caracteriza por una conexión de referencia (35), para la cual se ha predeterminado un valor límite de corriente (i*) y que está conectada a un elemento medidor de la corriente (33) en una conducción desde o hacia la fuente de voltaje (23).

9. Instalación fotovoltaica conforme a la reivindicación 7 ó 8, que se caracteriza por que se genera una señal de aviso, cuando la corriente detectada (i) está por encima de un valor límite de corriente predeterminado (i*).