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MANUAL
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ENERGÍAS RENOVABLES II DIMENSIONAMIENTO DE PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS
Ing. Boris D’Anglés Woolcott
CONTENIDO
Energía solar fotovoltaica Componentes de un sistema fotovoltaico Aplicaciones Criterios de dimensionamiento. Métodos de cálculo para el dimensionamiento de
sistemas fotovoltaicos. Dimensionamiento de sistemas de tipo aislado. Dimensionamiento de sistemas conectados a red. Ejemplos prácticos en el dimensionamiento de sistemas
fotovoltaicos.
Propósito
Aplica los conocimientos de energía solar fotovoltaica en el desarrollo de proyectos de tipo aislado y con conexión a red.
Sistema Solar Fotovoltaico Aislado
Componentes
Módulos Fotovoltaicos (Paneles Solares)
Controlador de Carga Sistema de Acumulación
(Baterías o Acumuladores) Inversor Carga en corriente continua DC Cargas en corriente alterna AC
Módulos Fotovoltaicos
Conformado por un arreglo en serie de células solares hechas de materiales semiconductores como el Silicio las que son encapsuladas.
Los módulos pueden contener 36 células con salidas de 12V, 60 células a 24V. Ver especificaciones del fabricante.
Células de silicio amorfo o cristalino, las nuevas tecnologías incluyen arseniuro de galio.
La eficiencia de conversión de radiación solar en energía electrica es aun baja. (6 – 35%)
Paneles Solares con potencias de 50, 100, 150,250 y 500 Wp según especificaciones del fabricante.
Células solares conectadas en serie
Materiales para el encapsulamiento
EVA (Etileno – vinil – acetato): Material encapsulante de céulas con un coeficiente de refracción similar al vidrio (1.5)
Tedlar: Es un material que proporciona estanqueidad al módulo frente a los efectos de la temperatura y la humedad.
Vidrio: Vidrio templado de bajo contenido en hierro. Protege frente a los impactos del granizo, el polvo, etc.
Aluminio: Carcasa hecha de Aluminio
Paneles solares
Sistemas de Acumulación
Formados por conjuntos de baterías . Suministran la energía demandada por la carga
independientemente de la producción del generador fotovoltaico.
Garantizan junto con el controlador de carga una estabilidad de tensión en el funcionamiento del sistema
Clasificación por el ciclo de carga: 1. Acumuladores de ciclo diario superficial 2. Acumuladores de ciclo diario profundo 3. Acumuladores de ciclo anual
Clasificación de los Acumuladores por su composición
Acumuladores de Ni/Cd: En aplicaciones remotas, bajo mantenimiento. (Pilas, baterías de laptops, baterías de celulares, etc).
Acumuladores de Niquel/Hi Acumuladores Electroquímicos: Células
Electroquímicas con reacciones electrolíticas reversibles entre sus electrodos (Baterías de Plomo Acido)
Acumuladores de ion-litio.
Características de Operación
Capacidad de operar o permanecer en periodos largos de flotación.
Capacidad de soportar condiciones climáticas adversas (-35˚C hasta 55 ˚C)
Deberán tener pérdidas muy bajas en condiciones de circuito abierto.
Consideraciones a tener en cuenta:
Régimen de Carga/Descarga: Tiempo para extraer/reponer una corriente aplicada a una batería. (C/10, C/20 , C/40)
Capacidad Nominal, tiempo de carga/descarga: Viene dada en Ah (300 Ah)
Profundidad de descarga: Porcentaje del total de energía consumida.
Autodescarga: Perdida de capacidad de una batería cuando se encuentra en circuito abierto.
Controlador de Carga
Es un interruptor conmutador automático que dirige la energía a las baterías cuando están descargadas.
Tiene como funcíones: 1. Recibir energía de los
Paneles Fotovoltaicos. 2. Alimentar los Acumuladores. 3. Alimentar la carga.
Puede cortar el suministro de corriente de ser necesario.
Inversor
La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador.
Los inversores utilizados actualmente en aplicaciones fotovoltaicas se pueden dividir en dos categorías: autoconmutados y conmutados por red.
También se pueden clasificar en monofásicos y trifásicos.
La selección del Inversor dependerá de la potencia requerida en el diseño.
Eficiencia a plena carga de 90 – 94%.
¿Como funciona?
Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal.
Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac's o los IGBT's.
Circuito electrónico de un Inversor
Sistemas de Protección
Será necesario proteger el sistema fotovoltaico mediante protecciones contra sobrecorrientes.
Interruptores termo-magnéticos Monofásicos o Trifásicos. Fusibles Sistemas de pararrayos
Tipos de Carga Cargas en corriente continua 12V Cargas en corriente aleterna a 220V
Conexionado de un Sistema Fotovoltaico
Cableado
Selección de conductores de acuerdo a la corriente de diseño.
Cables apropiados para corriente continua en la salida de los Paneles y conexiones del controlador de Carga a las baterías.
Cables XLPE para corriente alterna
Distribución en canaletas, bajo tubos, directamente enterrados.
Aplicaciones
Electrificación de viviendas en zonas rurales. Pozos de sondeo o pozos tubulares (Alimentación
de equipo de bombeo) Alimentación de luminarias o farolas en autopistas o
carreteras ,etc. Unidades Remotas de Conmutación en Centrales
Telefónicas y de Telecomunicaciones.
Electrificación en Zonas Rurales
Energía Solar en Pozos Tubulares para bombeo de agua
Alimentación de Luminarias
Criterios de dimensionamiento
DIMENSIONAMIENTO
DEMANDA CUBIERTA
EQUIPOS COMERCIALES DISPONIBLES
NECESIDADES ENERGÉTICAS RADIACIÓN SOLAR DISPONIBLE
CARACTERÍSTICAS DE LA INSTALACIÓN
COSTE DE LA INSTALACIÓN
Radiación Solar Disponible
Se deberá de consultar el Atlas Solar publicado por el SENAMHI
Se pueden tomar medidas de radiación con un medidor de intensidad de radiación solar.
La radiación solar es mayor en los meses de verano comprendidos entre Diciembre y Marzo.
Los peores meses son los de invierno, de Junio a Septiembre.
La radiación solar e Huancayo puede oscilar entre 4,5 y 6,5 kW-h/m2
Método de Cálculo para Sistemas de CC
POTENCIA MAXIMA DEL PANEL P max,panel = P max,celula .Ns.Np = Pmax
U0,panel = U0,célula . Ns = U0
Icc,panel = Icc,célula. Np = Icc
P max,panel Potencia máxima del panel P max,celula Potencia máxima de la célula Ns Número de células en serie en cada rama del panel Np Número de células en paralelo del panel U0,panel Tensión a circuito abierto del panel U0,célula Tensión a circuito abierto de la célula
Método de Cálculo para Sistemas de CC
FACTOR DE FORMA Es la potencia máxima teórica FF=(UM.IM)/(U0.IC)
Método de Cálculo para Sistemas de CC
CÁLCULOS PARA LA CARGA
Edemandada= Ecarga / ƞ Ecarga = Energía de la carga (en kW-h) Ƞ = Rendimiento del conjunto de elementos
(regulador, transformador, inversor) * Normalmente puede oscilar entre 0.80 y 0.95
Método de Cálculo para Sistemas de CC
GENERADOR FOTOVOLTAICO
Erad = Gp.S.Nps.Npp
Erad = Irradiación media captada por los paneles Gp = Irradiación media del lugar S = Área del panel Nps. = Número de paneles en serie Npp = Número de paneles en paralelo *Tomaremos para el cálculo el dato del peor mes.
Método de Cálculo para Sistemas de CC
Ep = ƞp.Erad
Ep = Energía media diaria suministrada en condiciones nominales por los paneles.
ƞp = Eficiencia del panel (0.12 – 0.34 dependiendo del fabricante) Estos valores son a condiciones nominales y en circuito abierto, por lo que en
condiciones de trabajo hay que usar un factor de corrección Cf.
Eg=Ep/Cf Cf=(1+Fc)
Fc puede variar entre 15% y 20% (0.15 y 0.20) La energía generada debe ser igual a la energía demandada.
Método de Cálculo para Sistemas de CC
CÁLCULO DEL NÚMERO DE PANELES
Nps=Unom/Up
Nps = Numero de paneles en serie Unom= Tensión Nominal del sistema Up = Tensión Nominal de Cada panel (Dato del fabricante, por lo
general son 24V) Npp=Edemandada/Eg
Donde el número total de paneles estará dado por:
Ntp= Nps x Npp
Método de Cálculo para Sistemas de CC
DIMENSIONANDO LAS BATERIAS El segundo balance energético es el que se establece entre
la batería (la otra fuente de energía de la instalación) y la carga. Desde el punto de vista de la última energía que debe suministrar la batería para un día viene dada por la siguiente expresión:
EB = CB.UB.ƞB
CB = Es la capacidad de la batería expresada en Amp-hora UB = Es la tensión nominal de la instalación ƞB = Es la profundidad de descarga EB = Energía suministrada por la batería.
Método de Cálculo para Sistemas de CC
Cuando no siempre se puede contar con la irradiación necesaria debido a las condiciones climatológicas, las baterías deben garantizar varios días de autonomía.
CB=[EB/(Unom. ƞB)]x Ndias
Cálculo del número de elementos en serie que
constituirán el banco de baterías:
NmB= Unom/ Um
DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE TIPO AISLADO
Dimensionamiento de sistemas de tipo aislado
Electrificación rural de viviendas
Pozos tubulares con bomba tipo sonda
Telefonía (Unidades remotas de conmutación)
Meteorología
Caso práctico
Vamos a plantear el diseño de una instalación en Toledo (latitud 40° N, aproximadamente), para alimentar durante 4 horas diarias una carga de 1 kW a una tensión de 220 V en corriente alterna. Para ello se dispone de:
Paneles del tipo monocristalino con una tensión nominal de 24V, área del panel 0,6 m2.
Una batería de apoyo de plomo-ácido, con una profundidad de descarga máxima del 70%
Un inversor de tensión de entrada de 48V Sabiendo que el rendimiento del conjunto de los elementos
de acondicionamiento de potencia de la instalación (regulador, transformador e inversor) es de un 90%.
A partir de los datos de la carga, su consumo energético diario es de:
Ecarga = 1 kW x 4 h = 4 kWh
Teniendo en cuenta las pérdidas significativas de la propia instalación (1 inversor, en las baterías y en el regulador), expresadas a través del rendimiento de la misma, la energía diaria que demanda la instalación, incluida la carga, y que debe suministrar el generador, es de:
Edemandada = E carga /ƞ = 4/0,9 = 4,44 kWh
Este rendimiento suele oscilar habitualmente entre el 0,8 (80 %) Y el (95 %).
Generador fotovoltaico: los paneles El punto de partida para calcular la energía eléctrica generada
por el conjunto de paneles fotovoltaicos, es la irradiación media del lugar (Gp) y del área de paneles.
El primero de estos datos depende del lugar (principalmente de su latitud) entorno geográfico donde esté la instalación) y de la inclinación de los paneles.
Este valor puede ser calculado de forma teórica (a partir únicamente de la latitud, aunque, para muchos lugares, se dispone de valores medios mensuales obtenidos partir de series históricas y que se suministran a través de tablas o gráficos.
Así, la irradiación media captada por el conjunto de paneles será:
Erad = Gp.S.Nps.Npp
Para aumentar la irradiancia captada por el panel, este se debe inclinar un determinado ángulo orientado hacia el sur (caso del hemisferio norte) y hacia el norte (nuestro caso, hemisferio sur)
Calculando la Energía diaria suministrada (Ep) Tomando como valor de Gp el correspondiente al
mes de enero (mínimo), y teniendo en cuenta el rendimiento del panel en condiciones normales de utilización, la energía diaria suministrada en condiciones nominales por los paneles resulta:
Ep = ƞp.Erad =0,126 x 3,6795 x 0.6 Nps.Npp (kW-h)
Sin embargo, las condiciones reales en cada instante no coinciden realmente con las condiciones nominales de temperatura, de irradiancia y de rendimiento de la instalación que se utilizan para calcular el rendimiento del panel, por lo que hay que aplicar un factor de corrección, asociado a la fiabilidad de la instalación, que depende de la localización y de las condiciones climatológicas.
En España, en general , un factor de fiabilidad aceptable, Cf está entre el 15% y el 20 %. Así, finalmente la potencia generada por los paneles sería: Eg=Ep/Cf = 0,278.Nps.Npp/1.2 = 0,2317.Nps.Npp
Determinando el número de paneles en serie: El número de paneles en serie se determina a partir
de la tensión nominal de cada panel (24 V) Y de la tensión de salida que debe dar el generador fotovoltaico. Así tendremos:
Nps = Unom/Up= 48/24 = 2 paneles
Determinando el número de paneles en paralelo: Finalmente, con todos los valores calculados y los datos
nominales del panel, se obtiene el valor que queda para definir el generador fotovoltaico, esto es, el número de paneles en paralelo (aunque se llama así, en realidad es el número de ramas en paralelo de Nps paneles conectados en serie cada una), con lo que se obtiene:
Npp =Edemandada/(0,2317 x Nps) =4,44/(0,2317 x 2) = 9,6 De donde diremos, que el número total de paneles em
paralelo será: 10 paneles
Dimensionamiento de sistemas conectados a red
Montaje de la conexión a red de instalaciones fotovoltaicas Las instalaciones de conexión a la red son instalaciones fotovoltaicas
conectadas a la red eléctrica pública que la alimentan con toda la energía eléctrica generada por el sol.
La dimensión de una instalación conectada a red depende de distintos factores: de las superficies de tejado, de las fachadas, de las posibilidades financieras, de las normas legales, etc.
La mayoría de las instalaciones privadas europeas conectadas a red alcanzan volúmenes de rendimiento de desde dos hasta diez kilovatios.
Si se desea alcanzar tal rendimiento con una instalación sobre un tejado inclinado, se necesita para dos kilovatios (FV) tener una superficie de
aprox. 18 m² y para diez kilovatios una de aprox. 90 m².
Dimensionamiento de sistemas conectados a red
COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN CONECTADA A RED Las componentes esenciales de una instalación acoplada a la red son: Paneles fotovoltaicos Inversores Estructuras metálicas de soporte. Dispositivo de protección para la desconexión automática de la red
de corriente en caso de averías Medidor de energía para el registro de la cantidad de corriente
alimentada. Subestación de potencia Línea de transmisión para la interconexión.
Esquema de un sistema conectado a red
CADENA DE PANELES FOTOVOLTAICOS
CADENA DE PANELES FOTOVOLTAICOS
CADENA DE PANELES FOTOVOLTAICOS
INVERSOR
INVERSOR
INVERSOR
TRANSFORMADOR 440V / 13,2 KV /60 KV
LT 60 KV
BARRA
Tensiones Nominales en CC
24V, 48V, 96V en sistemas de baja potencia 100V, 110V,120V, 175V, 400V, 440 V , 480V Tensiones Nominales de salida en CA
220V/230V/280V/440V Caidas máximas de tensión:
INVERSORES DE HASTA 5500W
INVERSORES DE 10 – 15 kW
INVERSORES DE 25 – 1000 kW
CABLES PARA CORRIENTE CONTINUA
CONECTORES PÀRA CABLES
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
Dispositivos para la protección contra sobretensiones Las sobretensiones provocadas por impactos de rayos o acciones de conmutación
son a menudo el motivo de daños o averías de los recursos eléctricos. El defecto de un inversor significa un daño muy costoso de equipamiento.
Pérdidas de beneficios y costes de reparación son consecuencias que pueden ser evitadas mediante dispositivos de protección contra sobretensiones.
Los dispositivos de protección contra sobretensiones deben tomarse en consideración para todos los cables: tanto en tensión continua entre L+, L- y del potencial de tierra, como también en tensión alterna entre las fases L1, L2, L3, del cable neutro y del potencial de tierra.
Además el resto de circuitos que van conectados al inversor deben ser protegidos con equipos adecuados.
Los sistemas de protección irán tanto en el lado de CC como el de CA
PLANTAS CONECTADAS A RED
Planta FV de Toledo
BIBLIOGRAFÍA
Jaime Gonzalez Velasco, ENERGÍAS RENOVABLES, Ed. Reverté 2009.
Apuntes de Ciencia y Sociedad, Universidad Continetal, 2012 Tomas Perales, GUIA DEL INSTALADOR DE ENERGIAS RENOVABLES,
Ed. Limusa 2009. J. Carta, Roque Calero CENTRALES DE ENERGÍAS RENOVABLES, Ed.
UNED y Pearson 2009
