Sistemas fotovoltaicos Off-grid (aislados): todo lo que debes saber

Actualizado: 05/07/2024

Una de las muchas ventajas de la energía solar es que está por todas partes y se puede ser aprovechar gracias a un sistema fotovoltaico fuera de la red.

Ya vivas en una gran ciudad o en una granja/lugar aislado sin acceso a la red, la tecnología fotovoltaica se puede usar para generar tu electricidad.

Lo que se diferencia en cada caso es el tipo de sistema a instalar, sistema fotovoltaico Off-grid u On-Grid.

Diferencia entre los sistemas fotovoltaicos.

Hay dos tipos de sistemas fotovoltaicos, según su conexión a la red pública de distribución de electricidad:

1. Sistema fotovoltaico aislado, también conocido como sistema fotovoltaico fuera de la red.
2. Sistema fotovoltaico conectado a la red, también conocido como Sistema fotovoltaico en la red.

Al principio, entre los años 50 y 70 del siglo pasado, los sistemas fotovoltaicos fuera de la red eran el único existente porque su objetivo era llevar la electricidad a lugares donde las redes de distribución no llegaban.

Los grandes ejemplos de uso de sistemas fotovoltaicos fuera de la red son los satélites artificiales (de telecomunicaciones, meteorológicos…) que orbitan nuestro planeta, y todos se alimentan eléctricamente por paneles solares, que son uno de los componentes del sistema fotovoltaico instalado en el satélite.

Los paneles solares fotovoltaicos se usaron para aplicaciones terrestres, principalmente en telecomunicaciones.

Uno de los primeros usos documentados de los paneles solares fue para alimentar un «teléfono rural», instalado en la ciudad americana de Americus (Georgia) en 1955.

Nuevas posibilidades.

El concepto de fotovoltaica en red y fuera de red surgió sólo después del uso de la tecnología de inversores para conectar directamente los paneles solares fotovoltaicos a la red, sin que la energía pasara por un banco de baterías; lo que eliminaría uno de los componentes más costosos (y menos duraderos) de un sistema fotovoltaico aislado (sistema fotovoltaico fuera de red), que es la batería.

Fue entonces cuando el uso de la energía solar fotovoltaica dio un salto, y desde finales de los años 90, principalmente con los incentivos de los gobiernos para la adopción de esta tecnología, comenzó la producción masiva de los principales componentes (módulos, inversores, controladores de carga, baterías).

Componentes sistema fotovoltaico Off-grid.

Un sistema fotovoltaico fuera de la red tiene básicamente la siguiente estructura:

1. Placas solares fotovoltaicas: responsables de la captación de la radiación solar y su conversión en electricidad.
2. Baterías: responsable de almacenar la energía eléctrica convertida, permitiendo su uso en cualquier momento, incluso durante la noche.
3. Controlador de Carga: dispositivo responsable de la gestión de la carga de las baterías.
4. Inversor: es el componente encargado de transformar la corriente continua generada por las placas solares y almacenada en las baterías en corriente alterna, permitiendo el uso de la energía eléctrica en equipos hechos para funcionar conectados a la red eléctrica. Cuando el equipo funciona sólo con corriente continua (como es el caso de la mayoría de los dispositivos utilizados en telecomunicaciones) no es necesario tener un inversor en el sistema fotovoltaico aislado.
5. Generador (opcional). Para respaldo en caso de que las baterías funcionen mal o haya días nublados y las baterías se agoten.

Uso de sistemas fotovoltaicos aislados.

Hoy en día, el uso de sistemas fotovoltaicos fuera de la red es principalmente para «llevar energía a lugares no conectados a la red de distribución eléctrica», o para mantener algunos equipos fuera de la red, a fin de seguir funcionando incluso cuando hay una escasez de energía en la red pública.

Viviendas rurales, calculando bien los costes de instalación; y los costes de suministro de la red, incluidos los postes, los cables, el transformador, etc.), puede ser mucho mejor instalar un sistema solar fotovoltaico fuera de la red.

Viviendas urbanas que quieren ser autosuficientes, personas que no quiere depender de las compañías eléctricas, ni de las fluctuaciones en los precios de la electricidad.

Dimensionamiento del sistema fotovoltaico Off-grid

Un sistema fotovoltaico fuera de la red puede ser diseñado para alimentar cualquier tipo de carga, cualquier valor de potencia y cualquier cantidad de energía.

Por supuesto, cuanto más potente sea el equipo que debe ser alimentado, y cuanto más tiempo de uso, más energía consume, y más grande debe ser el sistema fotovoltaico fuera de la red para satisfacer sus necesidades de energía.

Y cuanto más potente sea un sistema fuera de la red, mayor será la inversión que deberemos hacer para su instalación.

Por lo tanto, es mucho más común alimentar pequeñas cargas, como la iluminación, las telecomunicaciones y pequeños usos domésticos.

Ultimamente estamos viendo muchos sistemas de este tipo en sistemas de riego autónomos, una solución adecuada para muchos.

Requisitos para el dimensionamiento de los componentes de un sistema fotovoltaico asislado.

Cuando se diseña un sistema fotovoltaico off-grid, hay que tener en cuenta dos factores principales: la energía eléctrica necesaria para alimentar el equipo eléctrico que se utilizará y la radiación solar disponible en el lugar de instalación del sistema.

Es muy común que los principiantes en el tema de la energía solar fotovoltaica se pregunten: «¿qué puedes «alimentar» con dos placas y una batería?

Cuando, de hecho, la pregunta debería ser: «¿cuántos placas y cuántas baterías serán necesarias para esta necesidad?»

El primer componente que se debe dimensionar con las baterías, y se deben considerar los siguientes factores:

1. Toda la energía para alimentar los equipos consumidores de energía debe estar en las baterías; la función del panel solar fotovoltaico es reemplazar la energía consumida de las baterías (recargar las baterías).
2. Las baterías deben proporcionar la energía necesaria para los períodos de uso completo del equipo, es decir, debe haber energía para atender el conjunto del equipo durante un día completo. Es evidente que hay que comprobar el tiempo de uso del equipo, como en el caso de un conjunto de luminarias, hay que analizar (o estimar) cuánto tiempo permanecerán encendidas, considerando un período de 24 horas.
3. Las baterías deben tener la capacidad de almacenar al menos dos períodos completos de funcionamiento, es decir, deben almacenar energía para dos días de funcionamiento, incluso con tiempo nublado o lluvioso.

Calculando la cantidad de módulos fotovoltaicos

Después de dimensionar el sistema de baterías del sistema fotovoltaico fuera de la red, se dimensiona el conjunto de placas solares necesarias, que debe ser capaz de reemplazar la energía consumida por el equipo eléctrico en un período de funcionamiento, y proporcionar un «extra» de energía, que sea capaz de suplir cualquier pérdida y/o compensar un eventual día con una baja radiación solar (nublado o lluvioso).

La cantidad de placas solares a usar en el sistema fotovoltaico depende, no sólo de la cantidad de energía a generar diariamente, sino también de la disponibilidad del recurso solar en el emplazamiento, es decir, de la cantidad de radiación solar media que hay en el lugar de instalación del sistema fotovoltaico fuera de la red.

En los lugares donde hay mayores cantidades de radiación solar (en promedios anuales y mensuales) el sistema fotovoltaico (la cantidad de placas) es menor que en los lugares con menos radiación solar.

• 3 kW de energía solar con una batería de 8-10 kWh: Podría ser suficiente para que un pequeño usuario de energía se desconecte completamente de la red. Usando un perfil típico de carga energética residencial y asumiendo una media de 10kWh de uso de energía al día, podemos ver que este sistema cubriría el 95% de las necesidades energéticas anuales. Esto significa que el hogar tendría que utilizar un generador o estar sin energía el resto del tiempo. Si se aumenta el tamaño del sistema solar fotovoltaico a 5kW, la cobertura aumentaría al 99%.
• 6 kW de energía solar con una batería de 20 kWh: Con un poco más de uso, una solución de energía solar y batería más grande aún puede permitirte desconectarse de la red. Hemos hecho números con un hogar que utiliza 15kWh y 20 kWh al día de media. Un sistema solar fotovoltaico de 6kW y una batería de 20kWh cubrirían el 99% de la energía necesaria para una casa que utilice 15kWh al día y el 95% de una casa que utilice 20kWh al día. Esto aumentaría al 100% y al 98% si se instalaran 2kW adicionales de paneles solares (8kW) en total. Cualquier escasez de energía podría cubrirse con un generador, o el propietario podría esperar a que saliera el sol al día siguiente y que las baterías comenzaran a cargarse de nuevo.
• 10 kW de energía solar con una batería de 30 kWh: Este sería un sistema muy grande para una aplicación residencial, potencialmente adecuado para alguien que busque una solución a prueba de balas con muy poca necesidad de hacer funcionar un generador, o una casa fuera de la red que espera utilizar bastante energía. Para una casa con grandes necesidades energéticas que utilice 35 kWh al día, una solución de 10 kW de energía solar fotovoltaica y 30 kWh de batería cubriría el 92% del uso de energía, dejando el resto para funcionar con un generador. Si se aumenta el tamaño de la instalación solar fotovoltaica a 15 kW, la producción de energía aumentaría durante el invierno y la cobertura llegaría al 98%.

Controlador de carga

Una vez definido el sistema de baterías y la cantidad de paneles fotovoltaicos necesarios por el sistema off-the-grid, se realiza el dimensionamiento y la selección del controlador de carga de la batería.

Como este componente es responsable del control de la energía eléctrica que proviene de las placas solares y va al banco de baterías, su dimensionamiento se hace en función de las características eléctricas de las placas fotovoltaicas y del conjunto de baterías.

Según la potencia de estos dos componentes, el ingeniero puede elegir un dispositivo más simple (que simplemente funciona con la disposición fotovoltaica del banco de baterías), o un dispositivo más sofisticado, que puede gestionar los niveles de tensión (voltaje) y corriente eléctrica (amperaje) enviados a las baterías.

Más sofisticación significa mayor coste, pero también significa mayor rendimiento.

Es posible dividir el sistema fotovoltaico entre varios controladores de carga, y conectarlos todos al mismo banco de baterías. Esta es una práctica común, especialmente en los grandes sistemas fotovoltaicos fuera de la red.

Cuando es necesario alimentar máquinas que funcionan en corriente alterna, se usa un inversor, que se dimensiona de acuerdo con la potencia del equipo que se va a alimentar.

La potencia del inversor debe ser SIEMPRE superior a la potencia de las cargas que se alimentarán.

Pero es posible dividir el equipo entre varios inversores, y alimentarlos a todos con el mismo banco de baterías, lo que se hace en los grandes sistemas fotovoltaicos fuera de la red.

Razones por las que desconectarse de la red eléctrica podría ser la única opción

Vives en una zona rural, normalmente en zonas remotas donde no hay red eléctrica. Por lo tanto, te ves obligado a construir tu propio sistema aislado.

Ya estás conectado a la red, pero por alguna razón sufres apagones con la suficiente frecuencia como para obligarte a invertir en un sistema off-grid.

El punto de conexión a la red más cercano a tu casa está lejos y la red eléctrica quiere cobrarte una cantidad excesiva de dinero por conectarte a ella.

Sistema solar híbrido.

Este sistema solar se puede considerar como un punto intermedio de seguir teniendo acceso a la red con la capacidad de almacenar también el exceso de energía solar en baterías solares.

La ventaja del sistema solar híbrido es que se obtiene casi el 100% de electricidad de la red cuando se necesita. Al almacenar la energía solar en sus propias baterías, gana un cierto nivel de autonomía al reducir su dependencia de la misma en al menos un 70% a un 95%.

La única diferencia importante entre un sistema híbrido y uno conectado a la red es que incluye un inversor de baterías y baterías.

Los sistemas solares híbridos están diseñados para dar prioridad a la energía solar en primer lugar, a la batería en segundo lugar y a la energía de la red en último lugar. Por lo tanto, se confía en las baterías para mantener el funcionamiento durante la noche o, en teoría, si se produce un corte de la red. Pero recuerda que, en la práctica, esto no siempre es así, porque muchos sistemas híbridos no incorporan la función de respaldo desde el principio. Necesitarás un «equipo de conmutación» especializado adicional que te permita desconectarse de la red si se produce un apagón.

Si está interesado en optar por una opción intermedia, le explicamos con más detalle los sistemas solares híbridos. También creemos que debe informarse sobre el coste de las baterías, que suele ser bastante caro en relación con un sistema solar fotovoltaico.

¿Merece la pena un sistema solar aislado?

A estas alturas ya has leído cómo funciona un sistema aislado, las situaciones comunes en las que se usa, así como el tamaño apropiado del sistema.

Pero la pregunta importante que te harás a estas alturas es la siguiente: ¿Merece la pena desconectarse de la red?

No hay una respuesta sencilla y lo que puedo decirte es que realmente depende de tu situación particular. Como ya hemos dicho, si vives en una zona remota sin acceso a la red, o tu distribuidor de electricidad quiere cobrarte un ojo de la cara por conectarte a la red porque estás muy lejos, entonces no tienes más remedio que desconectarte totalmente de la red. Por lo tanto, si vale la pena o no, no es una opción para ti. Simplemente no tienes otra opción si quieres disfrutar de un estilo de vida moderno.

Sin embargo, si luchas con frecuentes apagones e interrupciones, y esto te causa problemas, entonces te recomendamos que optes por un sistema solar híbrido porque la inversión inicial es más barata que desconectarse totalmente de la red. Además, obtendrás lo mejor de ambos mundos, con un acceso fiable a la electricidad de tu distribuidor y la tranquilidad añadida que proporciona una batería para los momentos en los que hay que esperar.

Aparte de eso, por lo general no tiene sentido desde un punto de vista económico, ya que su inversión inicial es al menos dos o tres veces mayor debido a las baterías adicionales y otras piezas del sistema. Se podría argumentar que una vez pagada la inversión inicial, todo el uso futuro de la electricidad será gratuito para siempre. Sin embargo, el periodo de amortización será considerablemente mayor que el de un sistema de red, por lo que te recomendamos que hagas bien estos cálculos.

Además, tendrás que tener en cuenta otros aspectos: Un sistema solar sin conexión a la red no es algo que se pueda instalar y olvidar. Necesitará mucho más mantenimiento que un sistema conectado a la red, lo que significa más costes fijos.

Debido a las limitaciones técnicas, de vez en cuando te quedarás sin electricidad. Por ello, es probable que necesites la experiencia de un especialista en energía solar sin conexión a la red para diseñar el sistema que mejor se adapte a tu situación particular, con el fin de minimizar los riesgos de quedarte sin electricidad con demasiada frecuencia.