Diseño de sistemas de energía solar: configuración de módulos fotovoltaicos y diseño eléctrico
Aug 27, 2026
ElDiseño de sistema de energía solarEs un proceso de ingeniería sistemático que involucra múltiples aspectos técnicos, incluida la selección de módulos fotovoltaicos (PV), el diseño del conjunto, las conexiones eléctricas principales, la protección contra rayos y la conexión a tierra. Un diseño científicamente sólido y razonable debe tener en cuenta los recursos solares, las condiciones climáticas y las características del sitio donde se ubica el proyecto, al mismo tiempo que se logra un equilibrio entre seguridad, desempeño económico y eficiencia de generación de energía. Este artículo se centra en dos áreas centrales del diseño de sistemas de energía solar-la configuración del módulo y el sistema eléctrico-y resume las consideraciones técnicas clave y los estándares de diseño para proporcionar orientación para la práctica de la ingeniería.
Diseño de sistema de energía solar
1. Selección del módulo fotovoltaico
El principio básico para seleccionar módulos fotovoltaicos es elegir tipos de módulos convencionales que ofrezcan un alto nivel de madurez técnica y un funcionamiento confiable, teniendo en cuenta al mismo tiempo el entorno natural que rodea la central eléctrica, las condiciones de construcción y la logística de transporte. La selección final debe basarse en una evaluación exhaustiva para identificar los módulos fotovoltaicos con el mejor rendimiento general y la mayor idoneidad para el proyecto.
2. Diseño de modos de funcionamiento del conjunto fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos se pueden instalar mediante uno de estos tres métodos: inclinación-fija, inclinación-ajustable o sistemas de seguimiento. El método de instalación adecuado debe seleccionarse mediante una comparación tecno-económica basada en factores como los recursos de radiación solar, las condiciones climáticas, el entorno operativo, la capacidad instalada, el área y características del sitio de instalación, las características de carga y las prácticas de operación y gestión.
La configuración del diseño de las estructuras de soporte fotovoltaico debe seleccionarse adecuadamente para evitar la concentración de tensiones. Se deben seleccionar secciones transversales-adecuadas para cada miembro estructural de acuerdo con la magnitud de las fuerzas aplicadas. El consumo de acero debe minimizarse garantizando al mismo tiempo que se aproveche plenamente la resistencia de todos los miembros estructurales.
Durante toda la vida útil del diseño, el sistema de soporte fotovoltaico debe permanecer estructuralmente seguro y confiable y ser capaz de soportar cargas de viento y nieve, así como efectos ambientales. También se debe considerar la viabilidad de la instalación para que se puedan lograr los resultados óptimos de construcción del proyecto al menor costo posible. Al diseñar y construir una central fotovoltaica, la selección del tipo de estructura de soporte debe adaptarse a las condiciones locales mediante una evaluación exhaustiva. En la tabla 1 se proporciona una comparación de diferentes tipos de estructuras de soporte fotovoltaico.
Tabla 2
| No. | Artículo | Fijado Estructura de soporte |
Eje único-horizontal Estructura de seguimiento |
Eje único inclinado- Estructura de seguimiento |
Doble-eje Estructura de seguimiento |
Fijado Estructura de soporte de inclinación-ajustable |
| 1 | Resistencia al viento y civiles Base |
Diseñado para el caso de carga gobernante basado en la velocidad máxima del viento local para determinar la resistencia al viento de la estructura de soporte. | La resistencia al viento es la misma que la de la estructura de soporte fija; Los requisitos de carga reales-son inferiores a los de la estructura de soporte fija. | La resistencia al viento es la misma que la de la estructura de soporte fija; Los requisitos de cimentación son más altos que para el seguidor de un solo-eje horizontal, pero más bajos que para la estructura de soporte fija. | La resistencia al viento es la misma que la de la estructura de soporte fija; Bajo el caso de carga gobernante, los requisitos de cimentación son similares a los del seguidor de un solo-eje inclinado. | La resistencia al viento es la misma que la de la estructura de soporte fija. |
| 2 | Instalación Requisitos |
Sin partes móviles; requisitos de precisión de instalación-bajos e instalación relativamente sencilla | Hay piezas móviles presentes; La instalación requiere mayor precisión y es más compleja que la de la estructura de soporte fija. | Hay partes móviles y se agrega una inclinación orientada al sur-; Los requisitos de precisión de instalación son ligeramente más altos y la instalación es un poco más compleja que para la estructura horizontal de un solo-eje. | Componentes de seguimiento de doble-eje y más piezas móviles; instalación-requisitos de precisión más altos y la instalación más compleja | Similar a la estructura de soporte fija; La viga principal es un componente móvil, pero hay menos partes móviles que en las estructuras de seguimiento. |
| 3 | Técnico Madurez |
Sistema simple, ampliamente utilizado y técnicamente maduro. | Tecnología madura, con aplicaciones domésticas en aproximadamente la escala de GWp | La tecnología de un solo-eje inclinado añade inclinación a la instalación; ligeramente menos maduro que la estructura de un solo eje horizontal- | Tecnología más compleja; No hay casos de solicitud-a gran escala a nivel nacional o internacional. | Tecnología altamente madura |
| 4 | Aplicable Latitud |
Sin restricciones | Regiones de latitud media- a alta- | Sin restricciones | Sin restricciones | Regiones de baja-latitud |
| 5 | Fiabilidad | Sencillo y confiable | Se debe controlar la calidad y confiabilidad de los equipos clave de accionamiento y control; La confiabilidad es menor que la de la estructura de soporte fija. | Agregar inclinación hace que las condiciones de operación sean un poco más complejas; La confiabilidad es ligeramente menor que la de la estructura de un solo-eje horizontal. | Las juntas universales son propensas a sufrir daños y el sistema de control es complejo, lo que da como resultado una tasa de fallas mucho mayor que las estructuras de seguimiento de un solo-eje y una baja confiabilidad. | La confiabilidad es cercana a la de la estructura de soporte fija y mayor que la de las estructuras de seguimiento. |
| 6 | Área de terreno por MW |
Aproximadamente 25 mu en terreno plano |
Aproximadamente 30 mu; la superficie terrestre aumenta en aproximadamente 15% |
40 mu; superficie terrestre aumenta aproximadamente un 50% |
50 mu; superficie terrestre aumenta aproximadamente un 100% |
Aproximadamente 28 mu; La superficie terrestre aumenta aproximadamente un 10%. |
| 7 | Referencia Unidad Costo |
0.3–0.4 yuanes/Wp |
Aumento de 0,3–0,4 yuanes/Wp en comparación con la estructura de soporte fija |
Aumento de 0,4–0,5 yuanes/Wp en comparación con la estructura de soporte fija |
Aumento de 1,4–2,5 yuanes/Wp en comparación con la estructura de soporte fija |
Aumento de 0,1–0,2 yuanes/Wp en comparación con la estructura de soporte fija |
| 8 | Generación de energía Beneficio |
Asumido al 100% | 110%–120% | 120%–125% | 130%–140% | 100%–110% |
| 9 | Operación y mantenimiento de 25 años Comparación de costos |
Más de 25 años, básicamente sin mantenimiento- |
A lo largo de 25 años, en comparación con la estructura de soporte fija, las principales incorporaciones son la inspección rutinaria y la lubricación de equipos mecánicos. | Más de 25 años, un poco más complejo que el sistema de seguimiento de un solo-eje horizontal | A lo largo de 25 años, el sistema de seguimiento es el más complejo y requiere una amplia formación | Se requiere ajuste manual; el ajuste se realiza cuatro veces al año; El funcionamiento es relativamente sencillo. |
3. Inversores y cajas combinadoras
Los inversores utilizados en las centrales fotovoltaicas incluyen principalmente tres tipos: inversores centrales, inversores de cadena e inversores distribuidos. Los escenarios aplicables para estos tres tipos de inversores comúnmente utilizados se pueden determinar con referencia a la Tabla 2.
Al seleccionar inversores, se debe prestar especial atención al historial del fabricante en la industria, al servicio postventa-, a los costos futuros de actualización del equipo y a la redundancia de actualización. El inversor debe seleccionarse de acuerdo con las condiciones reales del sitio y los requisitos del proyecto. Se debe dar prioridad a los modelos de inversores con alta eficiencia de conversión.
Tabla 2
| Parámetros técnicos | Inversor central | Inversor de cadena | Inversor distribuido |
| Escenarios aplicables | Adecuado para escenarios con ángulos de módulo consistentes y escalas de proyecto relativamente grandes | Adecuado para aplicaciones con diferencias significativas en los ángulos de los módulos o escalas de proyectos relativamente pequeñas | Adecuado para escenarios con diferencias significativas en los ángulos de los módulos y escalas de proyectos relativamente grandes |
4. Disposición del conjunto fotovoltaico del diseño del sistema de energía solar
La relación de capacidad entre el conjunto fotovoltaico y los inversores en una central fotovoltaica debe determinarse mediante una comparación tecno{0}}económica, teniendo en cuenta factores como el tipo de instalación del conjunto fotovoltaico, las condiciones del sitio, los recursos de energía solar y diversas pérdidas del sistema. Se recomienda que la relación entre la capacidad instalada del conjunto fotovoltaico y la capacidad nominal del inversor cumpla con los siguientes requisitos:
Regiones con recursos solares de Clase I: generalmente no deben exceder 1,2;
Regiones con recursos solares de Clase II: generalmente no deben exceder 1,35;
Regiones de recursos solares de clase III: generalmente no deben exceder 1,5.
El diseño de la separación entre estructuras de soporte tiene en cuenta principalmente la sombra entre estructuras adyacentes. En el hemisferio norte, la orientación óptima para los módulos fotovoltaicos es el sur. El espaciamiento mínimo debe determinarse de acuerdo con el siguiente criterio: de 9:00 am a 3:00 pm hora solar en el solsticio de invierno, la proyección de los módulos de la primera-fila en dirección norte no debe alcanzar el borde inferior de los módulos de la fila trasera. En otras palabras, no debería haber sombras en la dirección norte-sur.
Este criterio se basa en las condiciones operativas extremas del solsticio de invierno, cuando el ángulo de elevación solar es el más bajo y las sombras son las más largas. Garantiza que la producción del sistema no se vea afectada por las sombras durante ningún período del año.
El diseño del espacio libre entre los módulos fotovoltaicos y el suelo-es decir, la altura del punto más bajo de los módulos sobre el suelo-se ve afectado principalmente por factores tales como los requisitos para el uso combinado del suelo dentro del sitio fotovoltaico, los requisitos de control de inundaciones-, la sombra de los módulos por los obstáculos circundantes, la cobertura de vegetación del suelo y las aplicaciones "PV +". Cuando se utilizan módulos fotovoltaicos bifaciales, también se debe tener en cuenta la eficiencia de la generación de energía.
La ventaja de los módulos fotovoltaicos bifaciales sobre los módulos monofaciales es que cuanto mayor es la cantidad de luz recibida en la parte posterior, mayor es la ganancia bifacial. Los principales factores que afectan la ganancia de energía en la parte trasera-incluyen el albedo del suelo, la altura de la estructura de soporte, las condiciones de irradiancia y el espacio entre hileras. Los beneficios resultantes varían según las estaciones.
Al determinar la distancia mínima entre las estructuras de soporte fotovoltaico y el suelo, los factores anteriores deben considerarse de manera integral, mientras que la seguridad y el rendimiento económico deben equilibrarse en la medida de lo posible. Aumentar la altura mínima de los módulos fotovoltaicos sobre el suelo en una medida adecuada puede mejorar la eficiencia de la generación de energía y aumentar el rendimiento energético hasta cierto punto. Sin embargo, también aumenta los costos de las estructuras de soporte y los cimientos, lo que tiene un cierto impacto en el desempeño económico del proyecto.
Diseño eléctrico del diseño del sistema de energía solar.
1. Conexión eléctrica principal
Una central fotovoltaica consta de una o más unidades de generación de energía. La conexión eléctrica principal determina cómo se interconectan y recogen estas unidades de generación. Después de la transformación elevadora local-, la energía generada por cada unidad se recolecta y se alimenta a la barra colectora de la subestación elevadora-.
El nivel de voltaje de la barra colectora de la subestación elevadora no solo debe cumplir con la estructura y la planificación a largo plazo-de la red eléctrica local, sino que también debe determinarse mediante un equilibrio integral de factores como la capacidad de la central fotovoltaica, la inversión inicial en construcción y los costos de operación y mantenimiento. Dependiendo del tipo de central fotovoltaica, los niveles de tensión de barra colectora comunes incluyen 0,4 kV, 6 kV, 10 kV y 35 kV.
La conexión eléctrica principal de la central eléctrica se puede planificar según el cronograma de construcción. Si la central eléctrica se construye y pone en servicio en una sola fase y tiene un solo punto de conexión a la red-, generalmente se puede adoptar una configuración de barra colectora única-. Si la central eléctrica se construye y pone en servicio en fases, o tiene dos o más puntos de conexión a la red-, una configuración de barra colectora única- seccionada generalmente es más apropiada.
2. Equipos de distribución de energía
El diseño del equipo de distribución de energía debe seleccionarse después de una consideración exhaustiva de factores como la ubicación geográfica del proyecto, las condiciones climáticas locales, el área disponible del sitio y la altitud. El equipo podrá instalarse en interiores o exteriores dependiendo de las condiciones específicas.
En la actualidad, los equipos de distribución de energía de 10 a 35 kV en las centrales fotovoltaicas domésticas generalmente se instalan en interiores. La configuración principal es un tablero de distribución interior blindado, extraíble y con caja metálica-de CA. En algunas regiones, los equipos de distribución de energía de 10 a 35 kV también pueden utilizar aparamenta cerrada con gas-metal-con aislamiento de hexafluoruro de azufre (SF₆) cuando esté técnica y económicamente justificado, particularmente para protección contra niebla salina, aislamiento mejorado o uso reducido de la tierra.
En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología, los equipos de distribución de energía prefabricados de tipo cabina-se han vuelto cada vez más comunes. Las estaciones de distribución pueden prefabricarse en fábricas y ensamblarse de forma modular in situ. Este enfoque reduce-el trabajo de construcción y puesta en servicio en el sitio, acorta el período de construcción, ahorra energía, protege el medio ambiente y reduce el área de terreno requerida para la estación de aparamenta. Se le podrá dar prioridad cuando sea técnica y económicamente apropiado.
3. Protección contra rayos y puesta a tierra del diseño de sistemas de energía solar
Normalmente, dentro de una central fotovoltaica se instala una red principal de puesta a tierra que cubre todo el campo fotovoltaico. El límite exterior de la red de puesta a tierra principal debería corresponderse generalmente con los límites del campo fotovoltaico y formar un circuito cerrado.
La rejilla de puesta a tierra principal consiste en una red formada conectando conductores de puesta a tierra horizontales en dirección transversal y longitudinal a las estructuras de soporte del módulo. Los electrodos de puesta a tierra verticales deben distribuirse uniformemente a lo largo de los bordes y dentro de la rejilla de puesta a tierra. Los cimientos de las estructuras de soporte de los módulos también deben usarse como electrodos de puesta a tierra naturales siempre que sea posible.
La red de puesta a tierra principal de una central fotovoltaica suele utilizar como conductor de puesta a tierra principal acero plano galvanizado o acero redondo. La resistencia de puesta a tierra de la red de puesta a tierra principal en el campo fotovoltaico no debe exceder los 4 Ω.
Para la conexión a tierra entre módulos fotovoltaicos y sus estructuras metálicas de soporte, el método más común es establecer primero una conexión confiable entre los marcos metálicos de los módulos fotovoltaicos adyacentes utilizando conductores de cobre y luego conectar ambos extremos de cada fila de módulos fotovoltaicos a la estructura metálica de soporte.
Para algunos proyectos fotovoltaicos en tejados donde la instalación de conductores de cobre de conexión a tierra es incómoda, se pueden utilizar conectores metálicos como conductores entre los módulos y las estructuras de soporte. Cuando se adopta este método, los conectores deben equiparse con arandelas de acero inoxidable-capaces de penetrar la película protectora de óxido de aluminio-en los marcos del módulo, asegurando así una buena continuidad eléctrica entre los marcos del módulo y las estructuras metálicas de soporte.
Las estructuras de soporte del módulo pueden primero unirse equipotencialmente a estructuras de soporte adyacentes para formar un grupo de puesta a tierra, que luego se conecta a la rejilla de puesta a tierra. Para garantizar la confiabilidad, cada grupo de puesta a tierra de la estructura-de soporte debe estar conectado a la red de puesta a tierra en no menos de dos puntos. Estos puntos de conexión deben instalarse en ambos extremos de cada fila de estructuras de soporte.
Se debe instalar una red de conexión a tierra equipotencial en forma de anillo-alrededor de cada transformador elevador-local en el campo fotovoltaico y conectarse de manera confiable a la red de conexión a tierra principal del campo fotovoltaico. Cuando un transformador elevador-local utiliza un transformador tipo caja-con una carcasa metálica integral, la carcasa debe estar conectada de manera confiable a la red de conexión a tierra equipotencial en no menos de dos puntos. Todas las partes metálicas expuestas del transformador tipo caja-, incluidas las escaleras metálicas, también deben conectarse a la rejilla de puesta a tierra.
4. Selección de cables e instalación del diseño del sistema de energía solar.
Los cables instalados entre los módulos fotovoltaicos y las cajas combinadoras de strings o los inversores string en una central fotovoltaica son generalmente cables fotovoltaicos dedicados. Su resistencia a la radiación ultravioleta, resistencia a la intemperie, rendimiento retardador de llama-y otras características deben cumplir con los requisitos de los estándares industriales actuales.
Para proyectos fotovoltaicos distribuidos, los cables utilizados en sistemas fotovoltaicos-integrados o montados-en edificios deben tener un buen rendimiento retardador de llama-. Los conductores de cobre se seleccionan generalmente debido a su conductividad eléctrica favorable.
En el caso de las centrales eléctricas fotovoltaicas-de escala de servicios públicos, los cables suelen estar distribuidos en un área grande. Por lo tanto, los cables generalmente se instalan mediante enterramiento directo, en cuyo caso se deben utilizar cables armados. En particular, para proyectos donde las parcelas de terreno ocupadas por las áreas de módulos fotovoltaicos están dispersas, se podrán utilizar líneas aéreas de 10 kV o 35 kV como circuitos colectores.
Debido a que los postes y torres dentro del área del conjunto fotovoltaico pueden proyectar sombras sobre los módulos fotovoltaicos, el rango de sombra de las líneas aéreas debe calcularse durante la planificación de la línea. El diseño de la línea debe coordinarse con el diseño del conjunto fotovoltaico para minimizar la sombra de los módulos.
Al determinar las longitudes de los cables de CA y CC en un sistema fotovoltaico, se deben tener en cuenta tanto la ampacidad del cable como la caída de tensión del sistema. La caída de tensión CA en un sistema fotovoltaico generalmente no debe exceder el 3%, mientras que la caída de tensión CC generalmente no debe exceder el 2%.
Si la caída de voltaje no cumple con los requisitos aplicables, se debe aumentar el área de la sección transversal-del cable correspondiente o se deben ajustar las posiciones relativas del equipo para acortar la ruta del cable y mantener la caída de voltaje dentro de los límites especificados.
5. Sistema de Monitoreo
Las centrales fotovoltaicas en China generalmente funcionan sin personal o con una dotación mínima de personal. Algunas-centrales fotovoltaicas montadas en el suelo han comenzado a adoptar monitoreo remoto para reemplazar-la operación con personal en el sitio. Durante la etapa de diseño, la fase actual del proyecto normalmente se trata como la consideración principal, mientras que también se tienen en cuenta las fases anteriores y posteriores. El sistema deberá ser compatible con los niveles de automatización y operación y gestión adoptados por la central.
La mayoría de las centrales fotovoltaicas en China utilizan sistemas de monitoreo separados para la subestación elevadora o estación de conmutación y el área del conjunto fotovoltaico. Este enfoque tiene la ventaja de requerir sólo una cantidad limitada de intercambio de información entre el sistema de monitoreo de la subestación elevadora-y el sistema de monitoreo fotovoltaico, lo que hace que la implementación sea relativamente sencilla. Sin embargo, también tiene la desventaja de una baja utilización de la información.
Tras la adopción de un sistema de monitorización inteligente, una central fotovoltaica puede lograr una adquisición de datos completa y una monitorización panorámica de toda la instalación. El sistema puede establecer una integración vertical con sistemas importantes, como los sistemas de gestión de producción y despacho, al mismo tiempo que proporciona conectividad horizontal con los principales equipos de automatización dentro de la central eléctrica.
Un sistema de monitoreo inteligente también puede admitir funciones como la toma de decisiones de operación económica-, el diagnóstico en línea y la recuperación automática, la inspección automática y el análisis de fallas, y la advertencia de fallas.
Conclusión
ElDiseño de sistema de energía solarrequiere una coordinación integral en todas las etapas, incluida la selección de módulos, el diseño del conjunto, las conexiones eléctricas, la instalación de cables y los sistemas de monitoreo. La solución óptima debe seleccionarse según las condiciones locales y los requisitos del proyecto.Con el avance continuo de la tecnología fotovoltaica y los crecientes niveles de inteligencia, el diseño de sistemas se enfrenta a mayores requisitos y a más posibilidades. La planificación científica y el diseño detallado son esenciales para garantizar el funcionamiento seguro y estable de una central eléctrica y lograr un sólido rendimiento económico.
