Instalaciones de electricidad (II)

Las instalaciones de electricidad en los edificios (II)

Factor de potencia. Sistemas trifásicos. Distribución.

Se denomina factor de potencia a la relación entre la potencia activa y la potencia aparente. Es una expresión del grado de aprovechamiento de las instalaciones eléctricas. Un factor de potencia de valor cercano a 1 indicará un alto rendimiento, mientras que valores más cercanos a 0 indicarán bajo rendimiento. Cuanto más pequeño es el factor de potencia, más caro resulta el suministro de energía, porque se producen más pérdidas y se requiere sobredimensionado de instalaciones.

Los sistemas trifásicos

Disponiendo adecuadamente una serie de imanes y espiras se puede obtener un sistema trifásico, que no es más que la agrupación de tres sistemas alternos monofásicos desfasados. En función del método de conexión de las tres fuentes de tensión, se distingue dos tipos de sistemas:

• conexión en estrella, mediante la cual la intensidad que circula por los conductores es igual a la que circula por cada bobina
• conexión en triángulo, mediante la cual la intensidad en cada hilo de línea es mayor que la intensidad que circula por cada bobina.

La expresión de la potencia activa en sistemas trifásicos es independiente del tipo de conexión.

Los sistemas de distribución

En función de la tensión compuesta U, los suministros se clasifican en:

• Baja Tensión, cuando la tensión compuesta es inferior a 1.000 V
• Media Tensión, cuando la tensión está entre 1.000 y 45.000 V
• Alta Tensión, cuando la tensión supera los 45.000 V.

Las instalaciones eléctricas de Baja Tensión en corriente alterna se clasifican, según las tensiones nominales que se les asignen, del siguiente modo:

• muy baja tensión: la tensión nominal (valor eficaz) no supera los 50 V
• tensión usual: la tensión nominal es mayor que 50 V, pero no supera los 500 V
• tensión especial: la tensión nominal supera los 500 V, pero no supera los 1000 V.

En Media y Alta Tensión, el transporte y distribución de energía eléctrica se realiza mediante sistema trifásico a tres hilos. En Baja Tensión, los suministros pueden ser:

• monofásicos
• doble monofásicos
• trifásicos, con neutro o sin neutro.

Daniel Trujillano, arquitecto

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Proyectos de instalaciones eléctricas en los edificios

Instalaciones de electricidad (I)

Las instalaciones de electricidad en los edificios (I)

Magnitudes y elementos

Los circuitos eléctricos están destinados a la distribución y a la transformación recíproca de la energía eléctrica y de otras clases de energía. Las magnitudes fundamentales utilizadas en la teoría de circuitos son:

• la carga eléctrica (q), que se mide en Culombios (C)
• el flujo magnético (Ø), que se mide en Weber (Wb)
• la corriente o intensidad (i), que se mide en Amperios (A)
• la tensión (u), que se mide en Voltios (V)
• la potencia (p), que se mide en Vatios (W)
• la energía o trabajo (T), que se mide en Julios (J).

En corriente alterna se considera los siguientes tipos de potencia:

• potencia activa, real o verdadera (P), que se mide en Vatios (W)
• potencia reactiva (Q), que se mide en Voltamperios reactivos (VAr)
• potencia aparente (S), que se mide en Voltamperios (VA).

La potencia aparente y la potencia reactiva no son potencias físicas, sólo la potencia activa produce trabajo útil.

Elementos ideales y reales

Cualquier circuito puede ser considerado como combinación de una serie de elementos reales que, a su vez, pueden ser representados por una combinación de elementos ideales. Cada elemento ideal se caracteriza por una ecuación de definición, que equivale a la relación existente entre la tensión medida entre sus terminales y la intensidad que circula por los mismos. Los elementos ideales son:

• resistencia, que se expresa en Ohmios (Ω) cuando la tensión se mide en Voltios y la intensidad en Amperios
• conductancia (G), que se expresa en Siemens y que es la inversa de la resistencia
• condensador, cuya capacidad (C) se mide en Faradios
• bobina de inducción, cuya inductancia (L) se mide en Henrios
• transformador, caracterizado por la relación de transformación
• fuente de tensión., generador hipotético entre cuyas terminales se produce una diferencia de potencial que es independiente de la corriente que suministra.

El comportamiento eléctrico de los elementos reales no se identifica con el de los ideales, pero puede representarse mediante una combinación equivalente de elementos ideales. Por ejemplo, una resistencia real puede representarse como la combinación de una resistencia y una bobina ideales, dispuestas en serie.

Daniel Trujillano, arquitecto

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Proyecto de instalaciones eléctricas en los edificios

Instalaciones de energía solar fotovoltaica (V)

Las instalaciones de energía solar fotovoltaica en los edificios (V)

Exenciones. Potencia mínima. Sustitución. Ratios. Pérdidas.

El Código Técnico de la Edificación exime del cumplimiento total o parcial de la sección 5 del Documento Básico de ahorro de energía a los edificios históricos protegidos, siempre que así lo determine el órgano que resulte competente en materia de protección histórico-artística.

Potencia eléctrica mínima

La potencia nominal mínima a instalar se calcula mediante la fórmula:

P = C · (0,002·S – 5)

donde:

P: potencia nominal a instalar, en kW

C: coeficiente climático, que varía entre 1 y 1,4 en función de la zona climática

S: superficie construida del edificio o, en su caso, suma de las superficies construidas de todos los edificios ubicados dentro de la misma parcela catastral.

En todos los casos, la potencia pico mínima del generador será al menos igual a la potencia nominal del inversor. La potencia nominal máxima obligatoria es de 100 kW.

Sustitución mediante otras fuentes renovables

El aporte mínimo de potencia eléctrica que debe suministrar la instalación solar fotovoltaica puede sustituirse de manera parcial o completa mediante aporte de potencia eléctrica suministrada por otras fuentes renovables de energía.

Ratios de producción

Para estimar la producción de la instalación fotovoltaica se debe considerar ratios de producción, que oscilan entre los 1.232 kWh/kW que corresponden a la zona climática I y los 1.753 kWh/kW que corresponden a la zona V.

Pérdidas de rendimiento

Los módulos fotovoltaicos deben disponerse de forma que queden limitadas las pérdidas debidas a la orientación e inclinación del sistema y a las sombras sobre el mismo. Las pérdidas máximas oscilan entre el 10 % y el 50 % de la radiación solar que incidiría sobre la superficie de captación si estuviese orientada al sur, tuviese la inclinación óptima (la latitud del lugar menos 10º) y no recibiese ninguna sombra.

Daniel Trujillano, arquitecto

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Proyecto de instalaciones solares fotovoltaicas en los edificios

Instalaciones de energía solar fotovoltaica (IV)

Las instalaciones de energía solar fotovoltaica en los edificios (IV)

Edificios obligados. Cálculo.

Los módulos fotovoltaicos existentes en el mercado están caracterizados por una potencia máxima comprendida entre los 45 Wp y los 165 Wp. Los más ligeros pesan en torno a 5 kg, y los más pesados, en torno a 17 kg.

Edificios obligados a incorporar sistemas fotovoltaicos

El Código Técnico de la Edificación establece, en la sección 5 del Documento Básico HE de Ahorro de energía, qué edificios deben incorporar sistemas de captación y transformación de energía solar por procedimientos fotovoltaicos. Se establece la obligación para los edificios cuya superficie construida (calculada incluyendo superficies de aparcamiento subterráneo, si existe, y excluyendo zonas exteriores comunes) exceda los 5.000 metros cuadrados, y en los que el uso sea uno de los siguientes:

• hipermercados
• multi-tiendas y centros de ocio
• naves de almacenamiento y distribución
• instalaciones deportivas cubiertas
• hospitales, clínicas y residencias asistidas
• pabellones de recintos feriales.

La incorporación de los sistemas fotovoltaicos debe preverse en los siguientes tipos de proyectos:

• nueva construcción
• reforma integral de edificaciones existentes
• cambio de uso característico de edificios existentes
• ampliación de superficie construida que supere los 5.000 metros cuadrados.

Cálculo de una instalación fotovoltaica

El cálculo se puede estructurar en los siguientes pasos:

1. determinar la potencia de cada aparato a suministrar (luminarias y electrodomésticos)
2. dividir las potencias por la diferencia de potencial, con lo que se obtiene la intensidad de trabajo para cada aparato
3. multiplicar cada intensidad de trabajo por el número de horas de uso al día, con lo que se obtiene el Consumo Medio Diario o CMD, en Ah/d
4. sumar todos los CMD, con lo que se obtiene el Consumo Total Diario de la instalación, o CTD
5. dividir la radiación anual media por 365 para obtener la Radiación Media Diaria o RMD
6. a partir de RMD, calcular las Horas Equivalentes de Sol Pico o HESP
7. la intensidad necesaria será el resultado de la operación CTD / HESP
8. dividiendo la intensidad necesaria por el valor de intensidad de cada panel se obtiene el número necesario de paneles a instalar en paralelo
9. cálculo de la capacidad del acumulador, a partir de CTD y considerando un incremento por profundidad máxima de descarga.

Daniel Trujillano, arquitecto

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Proyecto de instalaciones fotovoltaicas en los edificios

Instalaciones de energía solar fotovoltaica (III)

Las instalaciones de energía solar fotovoltaica en los edificios (III)

Instalación en fachadas y pérgolas. Otras tipologías.

Los paneles fotovoltaicos pueden instalarse en la fachada a modo de parasoles, mediante estructuras auxiliares fijas o de inclinación variable. Este tipo de instalaciones ofrece la posibilidad de reducir la carga térmica del edificio por radiación solar, al reducir el asoleo.

Integración arquitectónica en la fachada

Otro modo en que los paneles fotovoltaicos pueden instalarse en la fachada es mediante la integración en un muro cortina, ya sea constituyendo paños ciegos o conformando acristalamientos semitransparentes, capaces de dejar pasar la luz pero protectores de la intimidad del interior del edificio. La instalación en paramentos verticales reduce el rendimiento energético de los módulos, sin embargo la integración en fachada puede presentar ventajas de tipo estético, además de reducir el número de elementos constructivos, puesto que los paneles se colocan en sustitución de otros materiales.

Muro fotovoltaico ventilado

Otra manera de instalar paneles fotovoltaicos en fachada es mediante la construcción de muros ventilados. La construcción se realiza a base de sistemas de montantes y rastreles existentes en el mercado. Algunos sistemas son capaces de otorgar cierta inclinación a los módulos con el fin de mitigar la pérdida de rendimiento energético que supone la instalación vertical. Esta tipología de instalación permite la utilización de paneles fotovoltaicos semitransparentes y también de tipo cerámico. Como en cualquier muro ventilado, la entrada de aire se produce por el borde inferior del cerramiento y la salida se produce por el borde superior. La ventilación puede producirse por efecto chimenea o mediante sistemas de ventilación forzada. Normalmente, la cámara ventilada permite la instalación de persianas venecianas para protección solar de las ventanas.

Pérgolas fotovoltaicas

La construcción de pérgolas fotovoltaicas es relativamente sencilla y permite un buen rendimiento energético para los módulos, porque posibilita otorgar una inclinación adecuada para los paneles. Este tipo de instalaciones puede proporcionar sombreado para grandes superficies exteriores.

Otras tipologías de instalación

Otras posibilidades de instalación de paneles son:

• barreras acústicas, ya sea mediante paneles ciegos o semitransparentes
• lucernarios, construidos mediante paneles semitransparentes sobre patios de luces
• farolas, ya sea de manera auxiliar (en instalaciones conectadas a la red) o de forma totalmente autónoma.

Daniel Trujillano, arquitecto

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Proyecto de instalaciones de energía solar fotovoltaica

Instalaciones de energía solar fotovoltaica (II)

Las instalaciones de energía solar fotovoltaica en los edificios (II)

Baterías. Conexión a la red. Inclinación óptima. Integración. Cubiertas inclinadas y horizontales.

Las baterías de los sistemas fotovoltaicos suelen ser de tres tipos:

• de plomo, con una capacidad teórica de acumulación de 250 Wh/kg y una vida útil de 5 años (hasta 2000 ciclos de carga-descarga)
• de níquel-cadmio, con una capacidad teórica de acumulación de 235 Wh/kg y una vida útil de 10 años (hasta 8000 ciclos de carga-descarga)
• de níquel-hierro, con una capacidad teórica de acumulación de 300 Wh/kg y una vida útil de 2 años (hasta 2500 ciclos de carga-descarga).

Conexión del sistema a la red

En los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica, la conexión del sistema se realiza en la caja de embarrado, es decir, entre la Caja General de Protección (CGP) y el contador.

Inclinación óptima de paneles fotovoltaicos

Para sistemas fotovoltaicos destinados a abastecer al edificio principalmente durante el verano, la inclinación óptima es la que coincide con la latitud en grados. Si se pretende el abastecimiento principalmente durante el invierno, la inclinación óptima será el resultado de sumar 20º a la latitud. Por último, si el sistema está destinado a abastecer al edificio durante todo el año, la inclinación óptima será el resultado de sumar 15º a la latitud.

Integración arquitectónica de paneles fotovoltaicos

La integración arquitectónica de los paneles se puede plantear según tres modalidades principales:

• integración en la cubierta del edificio, ya sea ésta inclinada u horizontal
• integración en la fachada o como elementos de fachada: parasoles, paños ciegos en fachadas ventiladas, acristalamientos en muros cortina, etc.
• otras opciones: pérgolas en aparcamientos, mobiliario urbano, etc.

Instalación sobre cubiertas inclinadas

Cuando los paneles fotovoltaicos se instalan en cubiertas inclinadas, se suele optar entre las siguientes tipologías:

• superposición de los módulos sobre la cubierta existente
• instalación de módulos especialmente diseñados para su utilización como tejas
• ensamble en carpinterías metálicas de techos vidriados.

Instalación sobre cubiertas horizontales

La instalación de módulos fotovoltaicos en azoteas se realiza mediante la disposición de estructuras auxiliares de soporte. Se trata de una instalación sencilla que permite conseguir excelentes rendimientos energéticos.