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¿Cómo afecta la altitud al funcionamiento de una instalación fotovoltaica?
¿Cómo afecta la altitud al funcionamiento de una instalación fotovoltaica?
Cuando se diseña una instalación fotovoltaica, normalmente se presta atención a factores como la orientación de los paneles, la inclinación, las sombras o la radiación solar disponible. Sin embargo, hay otro aspecto que también puede influir en el diseño y funcionamiento del sistema: la altitud del emplazamiento.
Una instalación situada a nivel del mar no necesariamente tendrá exactamente las mismas condiciones de funcionamiento que otra ubicada a varios cientos o miles de metros de altura.
La altitud puede modificar las condiciones ambientales que rodean a los equipos y, dependiendo del emplazamiento, puede tener efectos sobre la temperatura, la irradiancia, la refrigeración de determinados equipos, el comportamiento de los inversores y el diseño de la instalación.
Por eso, especialmente en proyectos situados en zonas de montaña o a elevada altitud, conviene considerar este factor desde la fase de diseño.
¿La altitud afecta a la producción de los paneles solares?
Sí, aunque no significa simplemente que "a mayor altitud, más energía".
En zonas elevadas, la atmósfera que atraviesa la radiación solar es menor. Esto puede favorecer una mayor irradiancia solar en determinadas condiciones, especialmente cuando existe una atmósfera limpia y poca nubosidad.
Sin embargo, la producción real de una instalación depende de muchos factores:
- Radiación solar.
- Temperatura.
- Nubosidad.
- Orientación.
- Inclinación.
- Sombras.
- Suciedad.
- Albedo.
- Ventilación.
- Características del módulo.
Por eso, la altitud por sí sola no permite determinar cuánto producirá una instalación.
Altitud y radiación solar
La radiación solar debe atravesar la atmósfera antes de llegar a la superficie terrestre.
A medida que aumenta la altitud, el espesor de atmósfera que atraviesa la radiación puede disminuir.
Esto puede reducir determinadas pérdidas atmosféricas y favorecer una mayor radiación solar directa en condiciones concretas.
Por ejemplo, una instalación situada en una zona elevada y con cielos despejados puede recibir una irradiancia considerable.
Pero esta ventaja puede verse compensada por otros factores, como una mayor presencia de nieve, nubosidad, sombras producidas por el relieve o temperaturas más bajas.
Por ello, el recurso solar debe analizarse específicamente para cada ubicación.
La temperatura puede ser más baja a mayor altitud
Uno de los efectos más evidentes de la altitud es la reducción de la temperatura ambiente.
En términos generales, las zonas situadas a mayor altura suelen presentar temperaturas medias más bajas que las zonas cercanas al nivel del mar.
Esto es importante para los módulos fotovoltaicos porque su rendimiento eléctrico depende de la temperatura de las células.
En términos generales:
Menor temperatura → mayor tensión del módulo.
Mayor temperatura → menor tensión del módulo.
Esto hace que la temperatura mínima del emplazamiento sea especialmente relevante para calcular la tensión máxima que puede alcanzar un string.
¿Por qué una temperatura baja puede aumentar la tensión?
Los módulos fotovoltaicos tienen un coeficiente de temperatura que describe cómo cambian sus parámetros eléctricos cuando cambia la temperatura.
La tensión de circuito abierto, conocida como Voc, normalmente aumenta cuando disminuye la temperatura.
Por ejemplo, un panel que tiene una Voc determinada a 25 °C puede presentar una tensión superior cuando las células trabajan a temperaturas considerablemente más bajas.
Esto es especialmente importante en zonas de montaña donde pueden registrarse temperaturas bajas durante determinadas épocas del año.
Altitud y cálculo de la Voc
Imaginemos un panel con:
Voc = 50 V
Si conectamos 12 módulos en serie:
50 × 12 = 600 V
Esta sería la Voc aproximada del string bajo las condiciones de referencia utilizadas en la ficha técnica.
Sin embargo, si el sistema se instala en una zona fría y la temperatura disminuye considerablemente, la Voc de cada módulo puede aumentar.
Por tanto, la tensión máxima del string también aumentará.
En un diseño profesional se debe calcular la Voc máxima considerando el coeficiente de temperatura del módulo y la temperatura mínima de diseño del emplazamiento.
¿Puede la altitud afectar al inversor?
Sí.
Los inversores también tienen condiciones específicas de funcionamiento.
Uno de los aspectos que puede resultar relevante en determinadas instalaciones es la altitud máxima de operación indicada por el fabricante.
A medida que aumenta la altitud, disminuye la densidad del aire.
Esto puede afectar a los sistemas que utilizan el aire como medio de refrigeración.
Además, algunos fabricantes establecen condiciones específicas de funcionamiento o reducción de potencia por encima de determinada altitud.
Por eso, antes de instalar un inversor en una zona elevada, es importante consultar su ficha técnica y comprobar la altitud máxima de instalación permitida.
¿Por qué la menor densidad del aire importa para la refrigeración?
Muchos inversores utilizan ventilación natural o ventiladores para evacuar el calor generado durante su funcionamiento.
El aire menos denso tiene una menor capacidad para transportar calor por unidad de volumen.
Por este motivo, un equipo instalado a gran altitud puede presentar unas condiciones de refrigeración diferentes respecto al mismo equipo instalado a menor altura.
Dependiendo del modelo y de la altitud, el fabricante puede establecer determinadas limitaciones.
Esto es especialmente importante en instalaciones donde el inversor trabaja cerca de su potencia máxima durante periodos prolongados.
¿Todos los inversores pierden potencia con la altitud?
No necesariamente de la misma manera.
Cada fabricante establece las condiciones de funcionamiento de sus equipos.
Algunos inversores pueden mantener su potencia nominal hasta una determinada altitud y posteriormente aplicar una reducción de potencia.
Otros equipos pueden tener límites específicos relacionados con la refrigeración o con las características eléctricas del aire.
Por eso, no se debe aplicar una regla general a todos los inversores.
La información correcta debe obtenerse de la ficha técnica y documentación del modelo concreto.
¿La altitud afecta al aislamiento eléctrico?
También puede tener importancia.
La rigidez dieléctrica del aire disminuye a medida que disminuye la presión atmosférica.
Esto significa que, a grandes altitudes, las condiciones para el aislamiento eléctrico y la formación de arcos eléctricos pueden ser diferentes respecto a las existentes a nivel del mar.
Por este motivo, algunos equipos eléctricos establecen límites de altitud para su funcionamiento o requieren determinadas consideraciones de diseño.
En instalaciones fotovoltaicas de gran altitud, este aspecto debe revisarse especialmente en equipos como inversores, cuadros eléctricos, protecciones y otros elementos que trabajen con tensiones elevadas.
¿Qué ocurre con los cuadros eléctricos?
Los cuadros de protección y distribución también deben seleccionarse teniendo en cuenta las condiciones de instalación.
Además de la altitud, hay que considerar:
- Tensión de trabajo.
- Corriente.
- Temperatura.
- Grado de protección IP.
- Capacidad de disipación térmica.
- Poder de corte.
- Tipo de instalación.
Algunos equipos eléctricos pueden tener características de funcionamiento diferentes cuando se instalan por encima de determinadas altitudes.
Por eso, en proyectos de montaña conviene revisar las especificaciones de cada componente y no asumir que todos los equipos funcionan exactamente igual a cualquier altura.
¿La altitud afecta a los interruptores y protecciones?
Puede hacerlo.
La capacidad de corte y determinadas características eléctricas de algunos dispositivos pueden estar condicionadas por la altitud.
La menor presión atmosférica modifica las condiciones del aire y puede afectar a determinados mecanismos de extinción de arco utilizados en equipos eléctricos.
Por este motivo, algunos fabricantes especifican valores de corrección o límites de utilización relacionados con la altitud.
En instalaciones situadas a gran altura, estas especificaciones deben revisarse antes de seleccionar los equipos de protección.
¿Qué ocurre con los paneles solares a bajas temperaturas?
Las bajas temperaturas no son necesariamente negativas para los paneles.
De hecho, las células fotovoltaicas suelen trabajar con mayor eficiencia cuando su temperatura es más baja.
El problema aparece cuando la reducción de temperatura provoca un aumento de tensión que no se ha tenido en cuenta en el diseño.
Por eso, en una instalación situada a gran altitud es importante diferenciar entre:
rendimiento del módulo
y:
tensión máxima del sistema.
Una temperatura baja puede favorecer el rendimiento del panel, pero al mismo tiempo aumentar la Voc.
¿La nieve afecta más que la altitud?
En algunas zonas de montaña, la nieve puede tener un impacto mucho mayor sobre la producción que la propia altitud.
Una capa de nieve sobre la superficie del módulo puede impedir que la radiación solar llegue correctamente a las células.
Sin embargo, la nieve también puede tener un efecto indirecto interesante.
Su alta reflectividad puede aumentar la radiación que llega a la parte posterior de los módulos bifaciales cuando las condiciones de instalación lo permiten.
El resultado dependerá de factores como:
- Cantidad de nieve.
- Duración de la cobertura.
- Inclinación del módulo.
- Reflectividad del entorno.
- Separación respecto al suelo.
- Diseño de la estructura.
Por tanto, las condiciones de nieve deben analizarse específicamente en instalaciones de montaña.
¿La altitud afecta a los paneles bifaciales?
Puede influir indirectamente.
Los módulos bifaciales pueden aprovechar la radiación que llega tanto por la cara frontal como por la posterior.
En zonas de montaña, elementos como la nieve pueden presentar una reflectividad elevada y aumentar la irradiancia que alcanza la parte posterior del módulo.
Sin embargo, esto no significa que cualquier instalación a gran altitud vaya a producir automáticamente más energía.
El rendimiento bifacial depende de:
- Albedo.
- Altura de la estructura.
- Separación entre filas.
- Orientación.
- Inclinación.
- Sombreado.
- Superficie del terreno.
La configuración de la instalación es determinante.
¿Qué papel tiene el viento?
La altitud puede estar asociada a condiciones de viento diferentes, especialmente en zonas expuestas.
El viento tiene dos efectos importantes en una instalación fotovoltaica.
Por un lado, puede favorecer la refrigeración de los módulos y reducir su temperatura de operación.
Por otro, aumenta las cargas mecánicas sobre:
- Paneles.
- Estructuras.
- Anclajes.
- Cubiertas.
- Carriles.
- Tornillería.
Por eso, en instalaciones situadas en zonas elevadas o expuestas es importante realizar correctamente el cálculo estructural.
¿La altitud afecta a la estructura de los paneles?
La altitud por sí misma no modifica físicamente la estructura del módulo, pero las condiciones ambientales asociadas al emplazamiento pueden exigir un diseño estructural específico.
Hay que considerar:
- Viento.
- Nieve.
- Cargas permanentes.
- Inclinación.
- Tipo de cubierta.
- Sistema de anclaje.
- Separación entre paneles.
En zonas donde existen cargas importantes de nieve o viento, la estructura debe seleccionarse de acuerdo con las condiciones del proyecto y las especificaciones correspondientes.
¿Qué ocurre con la temperatura de los inversores?
Los inversores generan calor durante su funcionamiento.
La temperatura ambiente y la capacidad de disipación térmica influyen en su funcionamiento.
En una zona de gran altitud pueden coexistir dos condiciones:
Temperatura ambiente baja
y:
menor densidad del aire.
La primera puede favorecer la refrigeración.
La segunda puede dificultar la transferencia de calor mediante el aire.
Por eso, no se puede asumir automáticamente que un inversor funcionará mejor o peor por estar en altura.
Es necesario revisar las condiciones especificadas por el fabricante.
¿La altitud afecta a las baterías?
Puede tener cierta influencia dependiendo de la tecnología y del fabricante.
En sistemas de almacenamiento, además de la altitud, hay que prestar atención a:
- Temperatura.
- Ventilación.
- Humedad.
- Rango de funcionamiento.
- Sistema de gestión de batería.
- Condiciones de instalación.
En baterías de litio, por ejemplo, la temperatura tiene una influencia importante sobre el rendimiento y las condiciones de carga.
Si el sistema se encuentra en una zona fría, es necesario comprobar que la batería pueda funcionar y cargarse dentro del rango establecido por el fabricante.
¿Qué pasa con las baterías de litio en zonas frías?
La temperatura baja puede afectar especialmente al proceso de carga de determinadas baterías de litio.
Dependiendo de la química y del sistema de gestión utilizado, puede existir una temperatura mínima de carga.
Por eso, una instalación ubicada en una zona de montaña debe considerar la temperatura mínima prevista y las condiciones de funcionamiento indicadas por el fabricante de la batería.
En algunos sistemas pueden existir mecanismos de protección o estrategias de control destinadas a evitar la carga fuera del rango permitido.
¿La altitud afecta al cableado?
La altitud no suele ser el factor principal para dimensionar los cables, pero forma parte de las condiciones generales del emplazamiento.
El dimensionamiento de los conductores debe considerar aspectos como:
- Corriente.
- Temperatura.
- Método de instalación.
- Agrupamiento.
- Longitud.
- Caída de tensión.
- Tipo de aislamiento.
- Tensión del sistema.
En instalaciones de gran altitud, además, deben revisarse las especificaciones del fabricante de los cables y componentes cuando existan límites específicos relacionados con la altitud.
¿Qué ocurre con la irradiancia en días despejados?
En una zona elevada y con atmósfera limpia, la radiación solar disponible puede ser elevada.
Esto puede favorecer la generación fotovoltaica.
Sin embargo, una irradiancia elevada también significa que el campo solar puede alcanzar corrientes importantes.
Por eso, además de analizar la potencia disponible, hay que comprobar:
- Corriente máxima de los módulos.
- Corriente máxima de los MPPT.
- Capacidad de los conductores.
- Protecciones.
- Conectores.
- Capacidad de entrada del inversor.
La mayor disponibilidad de radiación no elimina la necesidad de realizar estas comprobaciones.
¿La altitud afecta al cálculo de los strings?
Sí, especialmente de forma indirecta.
El número de paneles conectados en serie debe determinarse considerando la tensión de funcionamiento y la tensión máxima del conjunto.
La temperatura mínima puede aumentar la Voc del módulo.
Por tanto, una instalación situada a gran altitud y con temperaturas bajas puede requerir especial atención en el cálculo de la tensión máxima del string.
El procedimiento general consiste en:
- Revisar la Voc del módulo.
- Revisar el coeficiente de temperatura de Voc.
- Determinar la temperatura mínima de diseño.
- Calcular la Voc máxima del módulo.
- Multiplicar por el número de paneles en serie.
- Comparar con la tensión máxima de entrada del inversor.
Ejemplo práctico de dimensionamiento
Supongamos un panel con:
Voc = 50 V
Coeficiente de temperatura de Voc = −0,30 %/°C
y una instalación de 12 paneles en serie.
A 25 °C:
Voc del string ≈ 50 × 12 = 600 V
Si las condiciones de diseño contemplan una temperatura de célula significativamente inferior, la Voc de cada módulo aumentará.
Por tanto, la tensión real máxima del string será superior a 600 V.
Este valor corregido debe compararse con la tensión máxima de entrada del inversor.
El objetivo es garantizar que incluso bajo las condiciones más desfavorables de temperatura la tensión del campo solar permanezca dentro de los límites del equipo.
¿Cómo saber si un inversor es adecuado para una instalación en altura?
Antes de instalarlo, conviene revisar la ficha técnica y documentación del fabricante.
Entre los datos que pueden resultar relevantes están:
- Altitud máxima de operación.
- Temperatura de funcionamiento.
- Rango de humedad.
- Método de refrigeración.
- Reducción de potencia según condiciones.
- Tensión máxima de entrada.
- Rango MPPT.
- Corriente máxima por MPPT.
Si el fabricante establece una reducción de potencia a partir de determinada altitud, esta condición debe incorporarse al diseño.
¿La altitud es una ventaja o un inconveniente?
Puede ser ambas cosas.
Posibles ventajas
- Menor temperatura de operación de los módulos.
- Alta irradiancia en determinadas condiciones.
- Menor espesor atmosférico.
- Posible mayor producción solar en determinadas ubicaciones.
Posibles desafíos
- Temperaturas muy bajas.
- Mayor Voc.
- Nieve.
- Viento.
- Menor densidad del aire.
- Condiciones específicas para inversores y equipos eléctricos.
- Mayor dificultad de acceso y mantenimiento.
- Sombras producidas por el relieve.
Por eso, no es correcto afirmar que una instalación a mayor altitud siempre será más eficiente.
El resultado depende de las condiciones concretas del emplazamiento.
¿Es necesario modificar una instalación fotovoltaica por estar a gran altitud?
No necesariamente.
Una instalación correctamente diseñada puede funcionar perfectamente en una zona elevada.
Lo importante es que el diseño tenga en cuenta las condiciones específicas del lugar.
No se trata simplemente de añadir o quitar componentes por estar a determinada altura.
Hay que comprobar que todos los elementos sean adecuados para las condiciones ambientales y eléctricas del proyecto.
Conclusión
La altitud puede influir en diferentes aspectos de una instalación fotovoltaica, aunque su efecto no debe analizarse de forma aislada.
En los paneles solares, las temperaturas más bajas habituales de las zonas elevadas pueden aumentar la tensión de circuito abierto y, por tanto, deben considerarse al dimensionar los strings.
La menor densidad del aire también puede ser relevante para determinados sistemas de refrigeración y para las condiciones de funcionamiento de algunos equipos eléctricos. Por su parte, las características del emplazamiento pueden estar asociadas a mayores cargas de viento o nieve, que deben contemplarse en el diseño de la estructura.
Además, una zona situada a gran altitud puede presentar una buena disponibilidad de radiación solar, pero factores como la nubosidad, el relieve, las sombras, la nieve y la orientación pueden tener un impacto importante sobre la producción final.
Por eso, una instalación fotovoltaica situada en una zona elevada debe diseñarse teniendo en cuenta altitud, temperatura, irradiancia, viento, nieve y características específicas de cada equipo.
En definitiva, la altitud no es necesariamente un problema para una instalación solar. Lo importante es conocer cómo afecta a las condiciones del proyecto y utilizar esa información para realizar un dimensionamiento correcto y seguro.
