Instalaciones Solares Fotovoltaicas ---- (instalaciones Solares Fotovoltaicas)

3

Montaje

de los paneles de las instalaciones de energía solar fotovoltaica

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Contenidos

3.1

Adquisición

3.2

Estudio

3.3

Montaje

3.4

Componentes

3.5

Estructuras

3.6

Tipos

3.7

Materiales. Soportes

3.8

Sistemas

3.9

Motorización

de equipos

previo de la instalación

de los equipos

del montaje de la instalación

de sujeción de paneles

de esfuerzos.

Cálculo

elemental de esfuerzos

y anclajes

de seguimiento solar

3.10

Integración

ir

Cuestiones

ir

Ejercicios

y sistema automático de seguimiento solar

arquitectónica y urbanística

propuestos

Índice Tobajas, M. C. (2012). Instalaciones solares fotovoltaicas. Retrieved from http://ebookcentral.proquest.com Created from senavirtualsp on 2019-09-13 12:50:46.

Vamos a detallar los pasos a seguir para el montaje de las instalaciones de energía solar fotovoltaica. Por definición, sabemos que montaje: “es la unión de unas piezas para lograr el funcionamiento de una instalación”.

En el caso que nos ocupa, el montaje de una instalación de paneles solares fotovoltaicos, es la unión de todos los aparatos para que el sistema funcione correctamente. Dependiendo del tipo de instalación se pueden subdividir en: • Instalaciones aisladas de cc. Aquellas en que la instalación no utiliza el convertidor y están compuestas por placas solares, regulador y baterías. Como ejemplo, tenemos sistemas de telecomunicaciones (repetidores), sistemas de señalización en carreteras, sistemas de iluminación exterior autónomos... • Instalaciones

mixtas cc y ca. Las que utilizan indistintamente convertidor, compuestas por placas solares, regulador, baterías y convertidor de corriente continua (cc) y corriente alterna (ca). Como ejemplo, serían aquellas instalaciones de viviendas que, aparte de autoabastecerse de energía eléctrica, pueden, según las circunstancias, ceder parte de energía eléctrica a las compañías suministradoras de electricidad.

• Instalaciones conectadas a la red. Están formadas por paneles solares reguladores y convertidores,

se emplean para ceder energía eléctrica a las compañías suministradoras de electricidad. Como ejemplo, serían los llamados huertos solares, que son grandes extensiones de terreno donde solo hay exclusivamente placas solares conectadas a las compañías eléctricas, en la actualidad existen en España un importante número de ellas.

Las acciones a realizar en un montaje de una instalación es el siguiente: • Estudiar la ubicación más correcta. • Construir la estructura y los soportes de sujeción. • Fijar los paneles y su conexión. • Instalar en un habitáculo o local, baterías y equipos de regulación y control. • Instalar, tender y unir los cables para de la red de consumo. • Verificar, realizar pruebas y poner en marcha.

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A continuación se detallan tipos de instalaciones solares fotovoltaicas más usuales en la actualidad:

Fig. 3.1 Instalación aislada solar para señalización y comunicaciones. Fuente: IDAE

Fig. 3.2 Instalación solar mixta para fines agrícolas. Fuente: IDAE

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Fig. 3.3 Instalación solar conectada a la red eléctrica. Fuente: IDAE

3.1 Adquisición

de equipos

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Vamos a dar unas indicaciones sobre la adquisición de equipos, que es el paso previo al montaje: • Es importante comprar equipos con ciertas garantías en lo referente al servicio postventa: reparaciones o recambios. • Comprobar siempre que los equipos de la instalación adquiridos cumplen las especificaciones que el fabricante indica. • Conviene saber que las averías que se produzcan por defecto de componente, tienen la correspondiente garantía, sobre todo si el mal funcionamiento se manifiesta en los primeros días de uso de la instalación. • Hay que prestar especial atención a la batería, pues al llegar al final de su vida útil, el ácido que contiene es peligroso para el medio ambiente. Lo normal en el caso de las baterías es recoger las que están inservibles.

3.2 Estudio

previo de la instalación

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Uno de los problemas más importantes de las instalaciones solares es decidir el emplazamiento físico, la elección se hará con sumo cuidado, porque después es muy difícil hacer modificaciones, los puntos más importantes suelen ser: • Emplazamiento, es aconsejable no instalarlo demasiado lejos de la vivienda. • Evitar sombras. • Reservar un espacio para el acumulador. • Minimizar el tendido de los cables.

3.3 Montaje

de equipos

volver

Los sistemas solares fotovoltaicos están compuestos por equipos y mecanismos eléctricos de regulación y control que efectúan diversas funciones, teniendo en cuenta su complejidad pueden ser: • Reguladores de tensión de las placas solares, que pueden ser tipo shunt o serie. • Sistemas de alarma, desconectadores, interruptores horarios.

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• Aparatos de medida (voltímetros, amperímetros, vatímetros). • Convertidores cc-cc y cc-ca. • Protecciones eléctricas, interruptores, mecanismos de mando.

Como norma general es importante centralizar equipos en casetas o armarios, donde, los diversos circuitos eléctricos, se puedan agrupar en un cuadro eléctrico. Para efectuar estos montajes se tendrán en cuenta una serie de especificaciones: • Los equipos estarán centralizados en un local donde, preferentemente, habrá un cuadro eléctrico que estará cerca del sistema de acumulación. • Las instalaciones solares fotovoltaicas cumplirán las especificaciones del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT). • En las tomas de corriente continua estarán identificados los polos positivos y negativos, para que no se puedan invertir, esto se efectuará por medio de tomas de corrientes especiales. • Las protecciones en corriente continua estarán compuestas por interruptor magnetotérmico y fusibles, preferentemente a la salida de la batería. • Tanto los convertidores cc-ca como los de cc-cc se instalarán próximos a las baterías. • La caída de tensión entre el regulador y la batería será inferior a 0,1 V, de esta forma no afectará a los márgenes de regulación. • En instalaciones alejadas, donde no pueda haber un mantenimiento de forma continúa, se procurará que el montaje del regulador incorpore un desconectador de los acumuladores por baja tensión. • Es muy importante una adecuada refrigeración o ventilación por convección en los reguladores tipo shunt; en los locales técnicos donde se sitúen los componentes de la instalación, los reguladores se situarán en la pared vertical, de modo que se permita la ascensión del aire caliente que suelen emitir.

3.4 Componentes

del montaje de la instalación solar

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Para poder efectuar el montaje de la instalación, a continuación establecemos una pauta de montaje y comprobación para poder llevar la instalación satisfactoriamente. Paneles

solares:

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• Características del panel:

-- Marca. -- Modelo. -- Potencia pico (Wp). -- Tensión nominal. -- Dimensiones. • Disposición de los paneles:

-- Número de paneles. -- Orientación. -- Inclinación. -- Distribución. -- Sombras.

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• Conexionado eléctrico:

-- Esquema detallado de conexionado eléctrico de los paneles y accesorios por batería de paneles. -- Secciones y distancias de los conductores. -- Tomas de tierra y elementos de protecciones de sobretensiones, intensidades y defecto de tierra. • Estructura de soporte:

-- Tipo de soporte. -- Material utilizado para las estructuras. -- Tornillería. -- Disponer de conexión a tierra. -- Disposición del panel con respecto a la sombras. • Conducciones eléctricas:

-- Secciones. -- Aislamiento y protección. Acumulación: • Marca y modelo. • Aislamiento y protecciones. • Capacidad parcial y total . • Estado de la batería (físico, contactos, tensión, densidad). • Características de las salas de baterías. • Esquema de las conexiones con sus elementos.

Sistema

auxiliar:

• Característica:

-- Marca modelo. -- Potencia.

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• Esquema de conexiones:

-- Descripción de la maniobra de combinación solar. -- Elementos eléctricos específicos. Dimensionado: • Análisis de la demanda estimada:

-- Tipos de consumos. -- Estacionalidad. • Dimensionado del sistema:

-- Potencia Pico necesaria (Wp). -- Comparación entre la producción eléctrica y el consumo.

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3.5 Estructuras

de sujeción de paneles

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A menudo, cuando se efectúa una instalación solar, se presta más atención al número de módulos solares que se van a emplear, descuidando el diseño y la selección de los elementos que se tienen que fijar en tierra, en el techo o en la fachada. Los módulos solares fotovoltaicos tienen poco peso, por ejemplo la placa solar de 135 Wp marca Atersa, según características de fabricante, pesa 12,80 kg, en cambio, tiene una superficie opuesta al viento de aproximadamente de 1 m2, si suponemos una zona con vientos fuertes del orden de 150 ó 170 km/h, dimensionaremos el soporte de la placa para este tipo de esfuerzo.

3.5.1 Tipos

de estructura

Dependiendo la situación de las placas, podremos hablar del tipo de esfuerzo. Para el emplazamiento de los paneles no hay que olvidar la integración en la comunidad y la protección contra robos. Los tipos más comúnmente empleados para instalaciones solares en general son: Ancladas en el suelo. Forma más común de instalación en grandes conjuntos solares, por ejemplo huertos solares, esta forma de instalación atenúa la fuerza del viento, ya que a menos altura, la velocidad del viento es menor que en las capas altas. También destaca la facilidad de instalación y mantenimiento. Estas instalaciones suelen protegerse por cierres metálicos para evitar el paso de animales y personas, el único inconveniente es que pueden producirse sombras parciales o ocasionales. Las estructuras serán robustas y con fuertes anclajes.

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Fig. 3.4 Placa solar anclada en el suelo

Sobre mástil. Sistema que se da en instalaciones que dispongan de mástil o haya que realizar un montaje especial con mástil. Las instalaciones susceptibles a este tipo suelen ser de pequeña potencia: farolas, balizamientos, señalización, repetidores, etc. Los mástiles no soportarán muchas placas solares, ya que si no habría que sujetar el mástil con tirantes o riostras de sujeción.

Fig. 3.5 Instalación solar sobre mástil

Anclados en fachadas. La más utilizada en instalaciones aisladas de viviendas, consiste en acoplar la estructura en una fachada de la vivienda, presenta muchas ventajas como: seguridad debido a la altura de las placas, disminución de la acción del viento, fácil instalación por medio de tacos de expansión, facilidad de mantenimiento y limpieza de placas. Como inconveniente: Fig. 3.6 Instalación solar sobre fachada la situación de la fachada, ya que ha de estar orientada al Sur, cualquier otra situación puede variar el rendimiento del sistema.

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Instalación sobre tejados o cubiertas. Montaje más utilizado por orientación y lugar adecuado, superficie-espacio. El anclaje no presenta problemas si se tiene en cuenta que hay que asegurar la impermeabilidad del tejado y no permitir que se puedan producir pequeños depósitos de agua, pueden existir problemas de retención de nieve. Fig. 3.7 Instalación sobre tejados y cubiertas

3.6 Tipos

de esfuerzos.

Cálculo

elemental de esfuerzos

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El tipo de anclaje para los soportes de módulos solares fotovoltaicos depende de su ocupación en cubierta, terrado, fachada o sobre mástil y de las fuerzas que actúan sobre éstos a consecuencia de la presión del viento a la que se encuentre sometido. Como los módulos siempre estarán situados con dirección Sur, el único viento que puede representar un riesgo es el que venga del Norte, que producirá fuerzas de tracción sobre los anclajes, que siempre son más destructivas que las fuerzas de compresión. La presión que ejerce el viento sobre una superficie es igual a: Pviento = Donde:

1 $ D $ V2 $ S 2

Pviento; presión del viento en N/m2 o pascal (Pa) D; densidad cuyo valor en el aire es igual a 1,22 kg/m3 V; velocidad del vientos en m/s S; superficie de la placa en m2 ejemplo

3.1

S

es

olar

Hallar la presión del viento para una velocidad de 28 m/s, en una placa solar fotovoltaica de 1 m2. Conversión de m/s a km/h:

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28 $

m km 3.600 s 28 $ 3.600 $ $ = = 100, 8 km/h s 1.000 m 1.000 h

P viento =

1 1 $ D $ V2 $ S = $ 1, 2 $ 282 $ 1 = 470, 4 N/m2, o lo que es lo mismo 470, 4 Pa 2 2

Para evaluar con precisión la fuerza que puede actuar sobre los módulos emplearemos la siguiente ecuación: F = P · S · sen2 a Donde: F; fuerza, en newton P; presión frontal del viento si los módulos estuvieran en posición vertical al viento S; superficie de la placa, en m2 b; ángulo de inclinación de los módulos respecto de la horizontal

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Para una mejor comprensión efectuaremos un ejemplo. ejemplo

3.2

S

es

olar

Calcular la fuerza que da el viento de 150 km/h sobre un grupo de 6 placas solares de fotovoltaicas de 135 Wp, que tienen una inclinación de 45º sobre la horizontal. 1º Conocer es la superficie de los módulos solares como ya sabemos el modulo solar fotovoltaico de 135 Wp tiene unas dimensiones según fabricante de 1.476 x 659 x 35 mm y siendo su superficie: 1.475 · 659 = 972.025 mm2 Vamos a pasar de mm2 a m2 para ello dividiremos por 1.000.000:

972.025 mm2 = 0, 972 m2 1.000.000

La superficie total de los módulos solares será: 0,972 · 6 = 5,83 m2 2º Pasaremos los 150 km/h a m/s: 150 $

km 1.000 m 1h 150 $ 1.000 $ $ = = 41, 66 m/s 3.600 s 3.600 h 1 km

3º A continuación hallaremos la presión del viento: P viento =

1 1 $ D $ V2 $ S = $ 1, 2 $ 41, 662 $ 5, 83 = 6.070, 97 N/m2, o 6.070, 97 Pa 2 2

4º Por último hallaremos la fuerza que ejerce el viento sobre las placas: F = P · S · sen2 a = 6.070,97 · 5,83 · 0,50 = 17.696,87 N El soporte que colocaremos para esta fuerza ejercida por el viento nos demuestra el gran efecto que puede hacer el viento sobre los módulos solares, tenemos que pensar que un mal anclaje o un diseño erróneo de la estructura puede afecta negativamente en la instalación de las placas solares fotovoltaicas.

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No solo la acción del viento puede ser el problema, también tendremos cuidado con la nieve, el hielo, la lluvia. Podemos aventurarnos a decir que el soporte del panel solar fotovoltaico cumple una doble función, por una parte la mecánica por tener un ensamblaje y, por otra, que es la orientación para captar la radiación solar.

3.7 Materiales. Soportes

y anclajes

volver

Los materiales utilizados para las instalaciones suelen ser perfiles metálicos, aunque también se están utilizando fibra de vidrio para los montajes, los más utilizados son: Aluminio

anodizado:

• Utilización en pequeñas estructuras. • Fácil mecanización. • Poco peso y gran resistencia. • Material muy efectivo por su resistencia a la corrosión. • Se suelen unir con remaches.

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Hierro

corriente:

• Es más barato y fácil de conseguir. • Se pueden unir los perfiles mediante soldadura eléctrica. • No tienen mucha resistencia a la corrosión y por lo tanto hay que aplicar después de la construcción pintura anticorrosiva.

Hierro (acero

galvanizado):

• Utilización en grandes instalaciones. • Soportan potentes vientos. • Se unen mediante tornillos. • Tiene una buena resistencia a la corrosión.

Acero

inoxidable:

• Es el mejor material, relación material precio es elevado. • Su utilización más rentable es en ambientes salinos. • Larga vida de este material. • Material muy efectivo contra la corrosión.

Fibra

de vidrio:

• Es nuevo material sintético. • Cualidades físicas y mecánicas excelentes. • Material con muy poco peso. • Se combina muy bien con el acero galvanizado.

Kits

de montajes prefabricados:

• Los suministra la propia empresa que fabrica los paneles solares. • Su montaje es muy sencillo (no hace falta ninguna técnica especial).

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• El anclaje al terreno es mediante hormigón a base de tacos con tornillos.

Materiales

empleados para la unión de los paneles solares:

• Normalmente será de acero inoxidable, aluminio, maderas tratadas. • Tornillos y elementos de fijación tendrán elementos de plástico para evitar el paso de corrientes galvánicas y así impedir la corrosión. • Puntos de sujeción, siempre que sea posible, la instalación se situará en superficies horizontales, sobre estructuras de hormigón en masa mediante tacos metálicos de expansión. • En caso de utilizar mástiles con mucha superficie se puede utilizar tirantes o riostras de sujeción.

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3.8 Sistemas

de seguimiento solar

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Los sistemas de seguimiento solar tienen por objetivo mantener la captación de la radiación solar, para ello, los paneles se orientan siguiendo la posición del sol durante las horas útiles de captación. Existen tres tipos: • Sistema por seguimiento sobre soporte estático. • Sistema por seguimiento por un eje. • Sistema por seguimiento por dos ejes.

3.8.1 Sistema

de seguimiento sobre soporte estático

Sol

Soporte que no tiene movimiento y que depende de la latitud de la instalación, por medio de un estudio se da a la instalación la inclinación más adecuada y de ese modo la mayor radiación posible. Es el sistema más simple y el habitual en todas las instalaciones, por simplicidad y coste económico.

Fig. 3.8 Seguimiento solar estático

Sol

3.8.2 Sistema

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por un eje

de seguimiento

Seguimiento que mueve el soporte en una dirección esto lo efectúa de forma acimutal o por inclinación, es un sistema incompleto pero mejora la captación solar con respecto al sistema con soporte estático. Como normal general, en este sistema el eje Norte-Sur permanece fijo variando el eje según el recorrido del Este-Oeste, se suelen instalar en estructuras pequeñas.

Recorrido Este-Oeste (Azimut)

Recorrido Norte-Sur (Inclinación)

Fig. 3.9 Seguimiento solar por un eje (azimut o inclinación)

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Sol

3.8.3 Sistema dos ejes

de seguimiento por

Efectúa un seguimiento total del sol en altitud y en azimut, obteniendo la máxima radiación solar la mayor parte del día, su utilización es muy notable en sistemas de precisión con estructuras pesadas. Este sistema se subdivide a su vez en tres sistemas básicos:

Fig. 3.10 Seguimiento solar por dos ejes (azimut e inclinación)

• Sistema mecánico. Realiza un seguimiento total por medio de un motor y un sistema de engranajes, el problema que presenta es que hay que efectuar ajustes según temporada, ya que el sol varía a lo largo del año y, por tanto, hay que adaptar el movimiento del soporte.

• Dispositivos de ajuste automático. Actúa por medio de sensores que detectan cuando la radiación no incide perpendicularmente, variando los paneles solares a la posición ideal y consiguiendo la mejor radiación, este movimiento se efectúa por medio de motores. • Dispositivos sin motor. Pueden estar formados por sistemas neumáticos o hidráulicos, los primeros utilizan las propiedades que tienen algunos gases con su evaporación y su compresión, en el caso de los segundos, las propiedades son debidas a los fluidos que suelen ser aceites.

En general los sistemas de seguimiento solar pueden lograr un aumento entre el 30 y el 40% de la energía captada, lo primero que tenemos hacer para determinar su rentabilidad es evaluar el coste de la instalación del sistema de captación y la ganancia derivada del aumento de la energía.

3.9 Motorización

y sistema automático de seguimiento solar

volver Los métodos de seguimiento del sol pueden ser:

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• Por

trayectoria astronómica. Tipo de seguimiento indirecto del sol, con el consiguiente problema de no necesitar los rayos solares, por tanto son inmunes a los nublados. Se utilizan en campos solares del tipo térmico.

• Por

seguimiento por fotosensor. Sistema de seguimiento directo del sol, se pueden utilizar tanto paneles térmicos como fotovoltaicos. Es el seguimiento más empleado, se valen de la radiación solar directa para detectar la posición del sol. La problemática aparece cuando se oculta el sol por medio de nubes, cuando el sol reaparece, el fotosensor hace girar el motor hasta llegar al punto máximo de radiación, que se consigue mediante un bucle de control y utilizando sistemas de fotosensores situados en el panel; en caso de error, los motores girarán hasta que el sensor encuentre la máxima radiación.

3.10 Integración

arquitectónica y urbanística

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Los elementos arquitectónicos convencionales se van a sustituir por nuevos elementos arquitectónicos que incluyen módulos solares fotovoltaicos, esto genera una nueva concepción Tobajas, M. C. (2012). Instalaciones solares fotovoltaicas. Retrieved from http://ebookcentral.proquest.com Created from senavirtualsp on 2019-09-13 12:50:46.

del uso de la energía sin romper la que tenemos de las estructuras de los edificios, es lo que entendemos por integración arquitectónica. Para no romper la estética arquitectónica o urbanística suelen utilizarse módulos fotovoltaicos especiales que ejercen una doble función: revestimiento, cerramiento o sombreado, y sustitución de elementos constructivos convencionales. Las aplicaciones de integración más frecuentes en edificios son: • Recubrimiento de fachadas. • Muros cortina. • Parasoles en fachada. • Pérgolas, parking. • Cubiertas planas acristaladas. • Lucernarios en cubiertas. • Lamas en ventanas. • Tejas solares. • Barandillas solares.

Para poder conseguir una estética y una mejor integración arquitectónica, cuando se efectúa el proyecto se tendrán en cuenta los elementos solares en el diseño del edificio, de esta forma logramos un aspecto mejor y aminoramos costes por la sustitución de los elementos convencionales por los solares fotovoltaicos. Fig. 3.11 Tejado solar

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A veces es necesario mantener el elemento convencional con el fin de mantener la estética del edificio. Los elementos empleados en arquitectura son las células solares, llamadas amorfas, aunque su rendimiento solar es algo bajo (11%) se adaptan a cualquier tipo de estructura (tejados, barandillas, etc.). También se utilizan para aplicaciones arquitectónicas las células convencionales en cristal, que tienen doble función: la captación solar y la semitransparencia, que ayuda aumentar la luminosidad en el interior del edificio.

Fig. 3.12 Aprovechamiento solar de un tejado de gasolinera

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Cuestiones 1. Responder V de verdadero o F de falso, según corresponda a cada una de las siguientes afirmaciones:

V

F

1. Una instalación aislada de cc es aquella que no utiliza inversor y está configurada para temas muy concretos 2. La parte que podemos considerar como la más importante en una instalación solar fotovoltaica es el emplazamiento 3. Los reguladores pueden ser del tipo shunt o serie 4. Las instalaciones solares fotovoltaicas deben cumplir el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) 5. Las estructuras para la sujeción de los paneles solares fotovoltaicos pueden ser fijas o movibles 6. Los vientos que provienen del Sur pueden producir un riesgo en la instalación 7. Los sistemas de seguimiento solar pueden ser fijo, de un eje y de dos ejes 8. Los métodos de seguimiento solar pueden ser por trayectoria astronómica y por seguimiento por fotosensor 9. Los elementos empleados para arquitectura son las células solares llamadas amorfas y su rendimiento un 20%

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10. Se pueden emplear células de captación semitransparente para aumentar la luminosidad en el interior del edificio

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Ejercicios

propuestos

Ejercicio 3.1 Hallar la presión del viento en HPa, para una velocidad de 35 m/s, en una placa solar fotovoltaica de 1 m2.

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Ejercicio 3.2 Hemos medido la presión que ejerce el viento en una placa solar fotovoltaica de 1,2 m2 y nos da 10 HPa, ¿cuál será la velocidad del viento en km/h? Ejercicio 3.3 Calcular la fuerza que da el viento de 100 km/h sobre un grupo de 6 placas solares de fotovoltaicas de 135 Wp, que tienen una inclinación de 30º sobre la horizontal. La superficie de los módulos solares tiene unas dimensiones según fabricante de 1.476 x 659 x 35 mm, el módulo solar fotovoltaico de 135 Wp.

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