Aprovechamiento de los excedentes de producción solar

La idea de trabajar en un sistema de aprovechamiento de excedentes de producción solar, surge a raíz de instalar un solar fotovoltaico en el tejado de casa para producir mi propia energía eléctrica para autoconsumo. Decir que en esto nada tiene que ver la escalada de precios de la luz, ni siquiera el cambio de tarifas que tanto dio que hablar con eso de que había que planchar de madrugada. Lo primero porque formalicé el contrato de la instalación por Mayo de 2021. Lo segundo porque yo siempre he tenido mercado libre y con el precio fijo y comprometido, así que la escalada de precios, etc., no me afectaba al menos de manera inmediata.

Mucha culpa de esto la tiene el ayuntamiento de mi municipio puesto que bonifican hasta en un 50% el IBI durante 10 años para este tipo de instalaciones (todavía no me han confirmado la bonificación ni su porcentaje. Cruzaremos los dedos). Lo que se traduce en que la bonificación cubre más de la mitad del coste de la instalación.

2. Objetivo

El objetivo del proyecto es doble. Por un lado, monitorizar la instalación por mis propios medios y de manera personalizada. Por otro, poder adaptar los consumos en la medida de lo posible para aprovechar la producción solar. Así minimizar los excedentes que se viertan a la red, puesto que el precio que pagan por ellos es insignificante, en comparación al precio al que lo pagamos los usuarios.

La idea inicial era identificar cuándo había excedentes para aprovecharlos. Una vez conseguido eso, el siguiente paso ha sido automatizarlo todo para que haya consumos acordes a la producción y aprovechar el excedente para climatizar la casa.

Y todo esto, por supuesto, sin hacer una gran inversión que prolongue el periodo de amortización de la instalación fotovoltaica.

3. Instalación Solar Fotovoltaica

3.1 Instalación

Para la instalación solar, después de informarme y pedir varios presupuestos, me decanté por una instalación de 8 placas solares (4 con orientación Este y 4 al Oeste). La diferencia con las instalaciones más habituales es que mi instalación en vez de contar con un inversor de corriente continua (la que generan las placas) a corriente alterna (la que usamos en casa) cuenta con 8 microinversores (1 por cada placa solar).

Los motivos son diversos pero entre ellos es que, aunque este tipo de instalación requiere algo más de inversión económica, tiene mejor rendimiento (sobre todo en caso de tener sombras) y lo más importante para mí, que te da más detalle del rendimiento de cada conjunto placa-inversor en vez de dártelo solo del sistema completo.

Aquí os dejo un vídeo con más información en 2 minutos del sistema instalado.

En cualquier caso, para el cometido de este proyecto que es el aprovechamiento de los excedentes, se puede hacer con cualquier otro sistema. Solo habría que buscar las posibilidades de integración de cada caso pero hay muchas alternativas.

Os dejo unas fotos de las simulaciones previas y el resultado de la instalación:

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3.2 Monitorización

El fabricante de los equipos proporciona su propia monitorización que es realmente detallada y está muy bien. De hecho, a día de hoy la sigo usando aunque tengo mi propia monitorización en mi sistema integrado.

La monitorización del fabricante proporciona cada 15 minutos datos de generación, consumo, autoconsumo y excedentes. Así como los acumulados del día, de la semana y de toda la vida útil de la instalación.

Aquí os dejo unos pantallazos de lo que se puede ver:

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En cualquier caso, si sigo sacando tiempo para personalizar mi propia monitorización, espero que en algún momento no me sea de utilidad porque lo tenga todo centralizado en la misma plataforma.

4. Home Assistant

Desde el primer momento en que me empecé a plantear la opción de hacer una instalación fotovoltaica, me rondó la cabeza tener, al menos, información en tiempo real y notificaciones de los momentos de cuando la producción es superior al consumo y viceversa. La idea inicial era construir algo a medida que pudiera satisfacer mis perspectivas.

Tras investigar un poco, vi que no era necesario partir de cero y que había ya algo llamado home assistant, que me iba a facilitar el camino, gratuito y fácil de montar.

Para ello, me hice con una Raspberry Pi 3B+ (50€ aprox. con adaptador de corriente, disipadores y ventilador) y una tarjeta microSD de 64GB (con 32GB también me hubiera valido) clase A2 (unos 12€).

A partir de aquí, los pasos para la instalación los seguí desde la página oficial de Home Assistant.

4.1 Integración Monitorización

En realidad la raspberry y sus accesorios los tuve disponibles bastante antes de que me realizaran la instalación de las placas solares. Esto me permitió familiarizarme y profundizar un poco en el funcionamiento de Home Assistant. Por lo tanto, cuando llegué a realizar la integración de la monitorización en Home Assistant, ya tenía unas cuantas cosas instaladas y configuradas.

La integración del sistema de monitorización original con Home Assistant la verdad es que ya estaba muy conseguido y resultó muy sencillo e inmediato. Solo tuve que entrar en mi router asignar una IP fija dentro de mi red al gateway del sistema fotovoltaico y seguir la documentación oficial.

Y consultar el foro para conseguir los usuarios por defecto del gateway.

Decir también que el fabricante de los equipos tiene su propio portal de desarrolladores en el que puedes encontrar un montón de información.

Con esto ya conseguí monitorizar e integrar toda la información que pasa por el gateway. Adjunto unos ejemplos de la información que puedo ver:

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Indicar que las posibilidades o la sencillez de integración no se limita únicamente a los equipos que yo he montado. El que más o el que menos, todos los sistemas tienen posibilidades similares de integración (como por ejemplo los inversores en string SMA que son también muy populares incluso Huawei). Como caso extremo, se podría incluso instalar medidores de energía tanto para el consumo como para la producción que permitieran integración sencilla con Home Assistant, pero esto ya supondría un desembolso adicional a la instalación.

A la hora de plantearte realizar una instalación, yo recomendaría valorar también estas cosas antes de elegir un sistema o al menos una marca u otra de inversor. Teniendo en cuenta las posibilidades de integración y las preferencias personales a la hora de prescindir o no de estas integraciones.

4.2 Integración climatización

Como he comentado anteriormente, mi primer objetivo era que me avisara cuando la producción pasaba a ser superior que el consumo y viceversa. Esto lo conseguí sin mucho esfuerzo comparando en unas variables booleanas el consumo y la producción instantánea. Y con ellas programar unas automatizaciones desde la interfaz de Home Assistant para que me llegara una aplicación al móvil.

Con esto, ya podría adecuar mis consumos al exceso o no de producción. Lo más efectivo para ello es actuar sobre el sistema de climatización de la vivienda que funciona con electricidad. Pero esto se hace inviable si tienes que estar pendiente a cada momento de las notificaciones que te lleguen al móvil o de estar constantemente mirando una pantalla para ver cuándo la producción es más alta que el consumo para encender dispositivos; y apagarlos cuando la producción disminuye.

A partir de aquí el siguiente hito consistía en operar sobre los dispositivos de climatización de forma automática sin necesidad de estar pendiente de ello. En casa dispongo de 4 equipos de aire acondicionado con bomba de calor: 2 de ellos de reciente instalación y con conectividad WiFi y otros 2 tradicionales. Veamos cómo he realizado la integración de cada uno de ellos.

4.2.1 Integraciones directas

Como integraciones directas nos referiremos a los equipos con conectividad WiFi incorporada y que son capaces de integrarse y compartir información de manera bidireccional (enviar órdenes y consultar estados) con nuestro Home Assistant.

Para esto, este mismo año 2021 instalamos en 2 habitaciones sendos equipos de aire acondicionado con bomba de calor, con conectividad WiFi y con su propia APP para operar en ellos desde el móvil en cualquier lugar, consultar su estado, etc. El coste de contar con conectividad era de 50€/equipo más que los equipos de las mismas características sin conectividad.

Esto facilita mucho la tarea puesto que la integración con Home Assistant es igual de sencilla que lo fue para integrar el gateway de los inversores.

A este respecto, no he investigado cómo se realizaría la integración de otras marcas y sistemas de climatización. Si son equipos con conectividad y de fabricantes generalistas, la integración será similar.

4.2.2 Integraciones indirectas

En cuanto a integraciones indirectas, consideramos éstas a las integraciones de equipos que no tienen ningún tipo de conectividad ni están pensados para integrarse en ningún otro sistema. Estas integraciones son más laboriosas y el resultado es algo más precario. Pero puede llegar a ser igualmente operativo.

Para estas integraciones, he usado unos mandos universales con conectividad. Este sistema se basa en copiar los comandos que envían los mandos a distancia de cualquier dispositivo que generalmente son de infrarrojos(IR) o, en algún caso más raro, de radio frecuencia (RF). En el caso que nos ocupa el mando a distancia con el que controlamos los equipos de aire acondicionado es de infrarrojos (IR).

Yo ya disponía de 2 de estos mandos universales para controlar los aires acondicionados. Su cometido es poder encender los aires antes de llegar a casa y encontrarme ya las habitaciones en las que estaban instalados fresquitas en verano y calentitas en invierno. Además los uso y me resultan muy útiles para la integración de otros electrodomésticos con mando como televisiones, equipos de sonido, motores de persiana,...

Para el tema de las televisiones me ha resultado muy útil por 2 motivos: Se puede integrar con Google Home y Alexa para no necesitar el mando físico y poder manejarlo por voz. Ahora que el niño ha despertado su afición por los mandos, puedo tenerlos fuera de su alcance y manejar la televisión sin tener que ingeniarmelas para que no me quite el mando ya que lo hago a través de comandos de voz con Google Home.

En concreto los dispositivos que yo tengo son:

Broadlink RM PRO+: con funcionalidad de IR y RF. Este lo cogí con RF para que pudiera controlar un motor de persiana inalámbrico que funciona a 433mhz. Este modelo ya está descatalogado pero hay modelo nuevo con características y precio similar.
Broadlink RM3 Mini: Es una versión más simple y económica que el anterior, pero para la mayoría de los mandos que podemos tener por casa nos vale. También descatalogado y con una versión más moderna disponible.

La limitación de estos dispositivos es que, como los mandos que queremos controlar son de infrarrojos, su alcance es muy limitado (tiene que estar a la vista el emisor y receptor).

Para configurarlos e integrarlos he necesitado también asignar a cada uno de estos mandos una dirección IP estática dentro de mi red local en el router.

Os dejo la documentación oficial de home assistant y un vídeo que yo seguí para hacer la integración y luego poder implementar las automatizaciones.

4.3 Automatizaciones

Una vez todo configurado, toca meterse manos a la obra con las automatizaciones que es lo que nos permite que el sistema funcione y aproveche los excedentes de manera autónoma y desatendida.

El tema de las automatizaciones yo lo he centrado en el encendido/apagado de equipos de aire acondicionado/bomba de calor, pero es igualmente válido para automatizar enchufes inteligentes que enciendan/apaguen acumuladores de calor, calentadores de agua o cualquier otro consumidor eléctrico que nos permita aprovechar los excedentes de producción de la instalación fotovoltaica.

Se ha establecido el encendido de los equipos de aire acondicionado teniendo en cuenta los siguientes criterios:

Invierno-Verano: Para saber si hay que encenderlos en modo calor y modo frío. Como veremos más tarde, esto solo lo he implementado para los equipos que tienen conectividad directa. Para determinar si es invierno o verano, miro si la temperatura de la habitación es inferior a 25º (invierno = encender modo calor) o superior a 28º (verano = encender modo frío)
Se tiene en cuenta que el consumo es inferior a la producción durante 10 min.
O que se haya encendido otro de los equipos en los últimos 10 minutos y la producción siga siendo superior al consumo.
El orden de encendido y apagado es siempre el mismo: Habitación 1, habitación 2, salón, y habitación 3.
La temperatura de la habitación y la de consigna, inicialmente no se tenía en cuenta. Ahora sí para permitir rotación en el encendido de los equipos. Cuando la temperatura de una habitación supera la temperatura de consigna de su equipo, éste se apaga para permitir que se encienda el siguiente.
Esto realmente es así sólo para los equipos con conectividad de 2 de las habitaciones. En el siguiente sub-apartado explicaremos los detalles de los otros 2 respecto a esto.
Se comprueba que el equipo no esté encendido ya, como es evidente.
Si el encendido de un equipo no se ha realizado mediante una automatización no se opera sobre ese equipo puesto que se ha encendido a demanda de manera manual y esto prevalece sobre las automatizaciones.

4.3.1 Automatizaciones indirectas

Todo lo anterior aplica a los equipos de aire acondicionado que tienen conectividad e integración directa. Para los equipos que carecen de esta integración directa hay algunas particularidades que hacen que de momento no esté tan pulido su funcionamiento.

En el caso de las automatizaciones de invierno-verano, en los equipos que no tienen conectividad directa solo puedes comunicarte con ellos de manera unidireccional, es decir, puedes enviarles órdenes como si fueras su mando a distancia pero no comparten información sobre su estado, temperatura de consigna, temperatura de la habitación,…

Por tanto, no podemos programar las automatizaciones igual que en los otros y tenemos las siguientes particularidades:

Invierno-verano: No podemos automatizar el cambio de encendido del modo invierno al modo verano y viceversa, al menos de manera directa. ¿Cómo solucionar esto? Recuerda que para automatizar esto necesitamos saber la temperatura de la habitación.
En el caso de la habitación 3, tengo un termostato de calefacción para controlar la caldera de gas y que tiene conectividad. Este termostato sí que me comparte la temperatura actual y puedo usarla en este caso para la automatización.
En el caso del salón, no tengo nada con conectividad que me pueda facilitar la temperatura de la habitación (ya tengo en mente lo que voy a montar para ello, pero eso lo explico más adelante), así que de momento, utilizo la temperatura de una de las otras habitaciones (la que tiene la temperatura más similar a la que suele haber en el salón).
Temperatura de consigna: En el caso de la temperatura de consigna en los dispositivos no conectados (habitación 3 y salón), damos por supuesto que tendrán un valor fijo, uno para invierno y otro para verano, que asignaremos con el mando a distancia propio del aire acondicionado al principio de temporada. Para las automatizaciones, tomaremos este valor como valor de consigna del equipo. Así podremos parar los equipos de las estancias en las que su temperatura haya llegado a la temperatura de consigna.

5. Próximas mejoras

A continuación detallo las mejoras en las que tengo pensado trabajar próximamente. Aunque el orden en el que las llevaré a cabo será diferente al orden en el que aquí las expongo:

5.1 Orden encendido/apagado dinámico

Ahora mismo el encendido y apagado de los equipos de aire acondicionado se realiza de manera secuencial y en el mismo orden. La idea es que se puedan ir encendiendo de manera aleatoria y de acuerdo a criterios circunstanciales como que se priorice el encendido del equipo ubicado en la habitación que está más lejos de alcanzar la temperatura de consigna y a la inversa a la hora del apagado.

Esto lo tengo en mente pero ciertamente aún no he pensado ni cómo lo voy a hacer. De hecho antes debería hacer una optimización de las automatizaciones existentes para que cualquier cambio resulte más sencillo y haya menos probabilidad de dejar casos sin contemplar a la hora de hacer modificaciones.

5.2 Automatizaciones anidadas

Cuando empecé con las automatizaciones no sabía cómo se hacía en Home Assistant para que unas automatizaciones llamaran a otras en función de diferentes condiciones. Esto, junto con los scripts, me permitirá simplificar el número de automatizaciones y la complejidad de las mismas, lo cual será de agradecer porque ya me va resultando inmanejable.

5.3 Red Zigbee

Esto no está directamente relacionado con el sistema de aprovechamiento de excedentes, pero me servirá en el futuro. A día de hoy tengo un gran número de dispositivos con conectividad WiFi y ya se va resintiendo el desempeño del router al tener que manejar la conexión de tantos dispositivos.

Para solucionar esto, he adquirido un dispositivo coordinador de ZigBee que se conecta por USB. Ese USB lo conectaré a la Raspberry y configuraré la red para que a partir de ahora los nuevos dispositivos que vaya adquiriendo sean preferentemente de conectividad ZigBee. Lo primero porque así descargo un poco al router (o mejor dicho, no le cargo más); lo segundo porque los ZigBee al crear una red “mesh” o de malla, reducirán los problemas de alcance de la señal. Eso sí, los nuevos que vaya adquiriendo tendrán que irse ubicando en sitios más o menos estratégicos para que el alcance de la red se vaya ampliando progresivamente.

5.4 Nuevos sensores temperatura

Para solucionar los problemas de falta de información en los dispositivos que no tienen conectividad (salón y habitación 3), incluiré en esas estancias (sobre todo en el salón), sensores de temperatura que puedan integrarse en el sistema. El objetivo es que ya utilicen comunicación ZigBee para aprovechar el potencial de este tipo de red como acabamos de comentar.

Para este tipo de dispositivos con conectividad ZigBee, cada fabricante suele tener su propio gateway para integrarlos. La intención es usar dispositivos que puedan ser modificados para integrarlos con el ZigBee que instale en la Raspberry del Home Assistant, Así no habrá que conectar nuevos dispositivos al router y evitaremos también tener que hacer el desembolso de adquirir el gateway del fabricante de cada dispositivo que queramos añadir.

5.5 Nuevas integraciones/automatizaciones

A parte de lo ya descrito anteriormente, seguro que cuando lleve más tiempo usando el sistema y descubriendo posibilidades nuevas, iré identificando posibilidades nuevas de integración y automatización que permitan ejecutar tareas de manera desatendida.

5.6 Scripts

También tengo en mi lista de tareas poder sacar a scripts las acciones comunes a distintas automatizaciones, incluso parametrizarlas, para reducir la complejidad de la configuración del sistema, consiguiendo que cualquier cambio o modificación sea más sencilla. Además que, junto con las automatizaciones anidadas, seguro que permite mejorar el rendimiento.

6. Conclusiones

Si has llegado hasta aquí, darte las gracias por tu tiempo y tu atención. Si quieres comentar algo, estaré encantado de contarte todos mis descubrimientos y compartir los conocimientos adquiridos en las numerosas horas de investigación en todos los temas tratados en este artículo.

Por supuesto, todas las sugerencias de mejora son bien recibidas y agradecidas.

Si hay interés, se pueden hacer monográficos más en profundidad de cada una de las partes que hemos tratado de manera superficial en este texto.

Fernando Arévalo

Scrum Master/Project Manager en Sngular