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Estudio de reconocimiento de la Energía Solar Fotovoltaica como Alternativa Energética para uso en Instalaciones Eléctricas Domiciliarias

Alfonso Durán Chico - Brayman H. Romero

Manual de Prácticas 950 – SPT1

Anexo 1

2

Estudio de reconocimiento sobre la Energía Solar Fotovoltaica como Alternativa Energética para uso en

Instalaciones Eléctricas Domiciliarias

Manual de Prácticas

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales

Tecnología en Gestión Ambiental y Servicios Públicos

Octubre, 2016 Bogotá D.C, Colombia

3

Estudio de reconocimiento sobre la Energía Solar Fotovoltaica como Alternativa Energética para uso en Instalaciones Eléctricas Domiciliarias

Elaborado por:

Alfonso Durán & Brayman Romero

[email protected]

[email protected]

Apoyo técnico, revisión y aportes:

Ing. Rafael E. Ladino

2016

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

4

Fecha de publicación: octubre de 2016

Autores: Alfonso Durán Chico - Brayman Herney Romero

Diseño, diagramación: Alfonso Durán Chico & Brayman H. Romero

Dibujos: Piktochart – Autodesk Inventor Professional (2016) Revisión y aportes: Ing. Rafael E. Ladino

Portada: Banco solar fotovoltaico (2016) – Autodesk Inventor

Descargo de Responsabilidad:

Esta publicación puede ser reproducida total o parcialmente y de cualquier forma para fines

educativos y no lucrativos sin que se requiera un permiso especial de los autores, sobre los

derechos de propiedad intelectual, siempre y cuando se declare el origen de la información.

Queda prohibido el uso de esta publicación para su venta o para algún otro propósito comercial sin

la autorización previa escrita de los autores. La designación de las entidades geográficas y la

presentación del material que aquí se incluye no implican la expresión de opinión alguna por parte

de la Universidad Distrital o de las organizaciones participantes acerca de la situación legal del país,

de algún territorio o área, o de sus autoridades, relativa a la delimitación de sus fronteras o límites

territoriales. Los nombres y símbolos de marcas comerciales se utilizan para fines editoriales y sin intención de infringir las leyes sobre derechos de

marca o propiedad intelectual.

5

Contenido

Introducción ..................................................................................................................... 8

Conceptos Básicos.......................................................................................................... 9

Simbología básica ......................................................................................................... 12

Previo a la práctica. ....................................................................................................... 14

Calculo del consumo de energía ................................................................................... 15

Determinación número de paneles en una instalación fotovoltaica ............................... 18

Practica 1. Instrumentos de medición de la radiación solar .......................................... 23

Práctica 2. Reconocimiento del sistema fotovoltaico ................................................... 25

Práctica 3. Conexión del banco de baterías en serie y en paralelo ............................... 39

Práctica 4. Conexión de los módulos FV, en circuito serie y circuito paralelo para

alimentar cargas en CC ................................................................................................. 50

Práctica 5. Conexión del sistema independiente de la red en corriente continua. ........ 61

Práctica 6. Conexión del sistema independiente de la red en corriente alterna. ........... 67

Práctica 7. Conexión del sistema interactivo a la Red, sin respaldo de baterías. Uso del

micro-inversor y del Envoy ............................................................................................ 73

Práctica 8. Conexión del sistema bimodal con conexión a un banco de baterías y a la

red ................................................................................................................................. 79

Práctica 9. Medición de la energía consumida (Contador mecánico o de rueda) ......... 85

Práctica 10. Medición de la energía consumida (Contador electrónico) ...................... 89

Bibliografía .................................................................................................................... 92

Anexos .......................................................................................................................... 94

Lista de figuras

Figura 1 Multímetro Digital - Fuente: PeakTech® (2010) ..........................................................13

Figura 2. Desarrollo de las prácticas .........................................................................................14

Figura 3. Procedimiento para establecer el consumo eléctrico Fuente: Los autores .................16

Figura 4. Irradiancia (W/m2) Vs. Tiempo en Bogotá D.C ...........................................................24

Figura 5. Elementos de la estación fotovoltaica ........................................................................37

Figura 6. Medición Voltaje en el multímetro .............................................................................41

Figura 7. Configuración multímetro para medir voltaje en DC ...................................................41

Figura 8. Medición de VDC con multímetro en el BSFV ............................................................42

Figura 9. Conexión en serie de un banco de baterías ...............................................................44

Figura 10. Conexión en paralelo de un banco de baterías ........................................................45

Figura 11. Conexión del Banco de baterías en serie/paralelo ...................................................46

Figura 12. Elementos básicos de un circuito eléctrico ...............................................................50

Figura 13. Conexión de los módulos fotovoltaicos en serie y curva (I) Vs. (V) ..........................51

Figura 14. conexión en paralelo de los PSF y curva (I) vs (V). ..................................................53

Figura 15. Conexión de una matriz fotovoltaica en circuito mixto ..............................................54

Figura 16. Conexión en serie de los Paneles solares ................................................................56

Figura 17. Conexiones DC ........................................................................................................56

Figura 18. - Multímetro ..............................................................................................................57

Figura 19. Medición de corriente con la pinza ...........................................................................57

Figura 20. Conexión en paralelo de los paneles solares fotovoltaicos .......................................58

Figura 21. Conexiones DC ........................................................................................................58

Figura 22. Conexión en paralelo de los paneles solares FV ......................................................62

Figura 23. Conexiones DC y conexión del banco de batería en paralelo. ..................................62

Figura 24. Conexiones DC y conexión de las cargas CC. .........................................................63

Figura 25. Pantalla de configuración de voltaje del controlador de carga ..................................64

Figura 26. Pantalla de configuración de la contraseña ..............................................................65

Figura 27. Pantalla de estado por defecto del controlador de carga ..........................................65

Figura 28. Conexión en serie de los Paneles solares ................................................................68

Figura 29. Conexión sistema autónomo con banco de baterías en serie...................................69

Figura 30. Conexión sistema autónomo (inversor independiente y contador mecánico) ...........70

Figura 31. Conexión sistema autónomo con cargas en AC .......................................................71

Figura 32.Conexión en serie de paneles FV .............................................................................75

Figura 33. Conexión micro-inversor ..........................................................................................75

7

Figura 34. Conexión a la red con contador eléctrico digital .......................................................76

Figura 35. Conexión en serie de los paneles solares FV ...........................................................81

Figura 36. Conexión del controlador de carga y banco de baterías en serie .............................81

Figura 37. Conexión del Inversor bimodal con salida para cargas AC .......................................82

Figura 38. Conexión del Inversor bimodal con entrada en AC proveniente de la Red ...............83

Figura 39. – Conexión del contador ..........................................................................................86

Figura 40. - Circuitos conectados a la corriente continua proveniente del módulo solar. ...........87

Figura 41. Conexión contador electrónico .................................................................................90

Lista de tablas

Tabla 1. Simbología eléctrica básica .........................................................................................12

Tabla 2. Aparatos de medición ..................................................................................................12

Tabla 3. Tabla de cálculo de consumo o demanda eléctrica .....................................................16

Tabla 4. Radiación mensual en Bogotá .....................................................................................19

Tabla 5. Instrumentos meteorológicos para la medida de radiación .........................................23

Tabla 6. Algunos elementos del BSF ........................................................................................26

Tabla 7. Porcentaje de carga para batería estándar del Banco Solar ........................................43

Lista de ecuaciones

Ecuación 1. Banco baterías conectadas en serie ......................................................................44

Ecuación 2. Banco de baterías conectado en paralelo ..............................................................45

Ecuación 3. Banco de baterías conectado en paralelo ..............................................................46

Ecuación 4. Potencia y porcentaje de descarga en baterías .....................................................47

Ecuación 5. Tiempo de descarga de una batería ......................................................................48

Ecuación 6. Paneles FV conectados en serie ...........................................................................52

Ecuación 7. Paneles FV conectados en serie ...........................................................................53

Ecuación 8. Potencia total de una matriz FV .............................................................................55

Lista de mapas

Mapa 1. Irradiación – Medio diario mes de abril (2014) .............................................................20

[Para sir texto de los marcadores de posición (como este), selecciónelo y empiece

8

Introducción

El presente Manual de Prácticas es un trabajo realizado desde una óptica enfocada en

compartir el conocimiento, difundirlo e incitar una visión interpretativa e investigativa en

los estudiantes y compañeros de la Universidad Distrital, al cual este dirigido este

manual; en el tema de las energías renovables, concretamente la energía solar

fotovoltaica.

Es indudable que el cambio climático es el tema apremiante en la actualidad, bajo el cual

todos en general debemos aportar una solución. Es un asunto que nos incluye a todos,

desde diferentes perspectivas en mayor o menor grado, pero sin que eso nos excluya de

responsabilidad.

El manual de prácticas: “Estudio de reconocimiento sobre la Energía Solar Fotovoltaica

como Alternativa Energética para uso en Instalaciones Eléctricas Domiciliarias” es un

trabajo realizado con responsabilidad, dedicación y entrega científica e investigativa cuyo

objetivo es forma una base sólida para que se siga integrando el tema energético

sostenible en el panorama actual de la Universidad. ¿Por qué la energía solar

fotovoltaica? Colombia según la (Unidad de Planeación Minero Energetica - UPME,

2015, pág. 14). “A junio de 2015, la capacidad de generación eléctrica del Sistema

Interconectado Nacional (SIN) fue del 70,35% para la generación hidráulica, y de 18,45%

para la generación térmica, las plantas menores y cogeneradores el resto”.

Es imprescindible hacer la integración de las fuentes no convencionales de energía

renovable ya que, aunque la generación hidráulica sea catalogada “limpia” y sostenible,

en realidad es cuestionable por sus descomunales impactos al medio ambiente, así como

también es muy endeble frente a los fenómenos climatológicos, por lo cual no asegura

la calidad de la energía eléctrica en pleno.

Y que mejor que empezar en la academia, reconociendo las potencialidades de la

energía solar a través de uno los equipos del laboratorio de servicios públicos: el Banco

Solar Fotovoltaico -BSF.

PROCESO: GESTIÓN DE LABORATORIOS Estudio de reconocimiento sobre la Energía Solar Fotovoltaica como Alternativa Energética para

uso en Instalaciones Eléctricas Domiciliarias -MANUAL DE PRÁCTICAS

Código: GL-PR-001-FR-001

MACROPROCESO: APOYO A LO MISIONAL

Versión: 01

Aprobación: agosto de 2016

9

Conceptos Básicos

Para el presente capítulo se pretende dar una introducción general acerca de los

conceptos básicos relacionados con las instalaciones eléctricas. Pues partiendo que, del

entendimiento correcto de estos conceptos, se aprovechara más el contenido del

presente manual de prácticas.

Sin embargo, también es preciso aclarar que el manual está dirigido a personas y

estudiantes que, aunque no tengan cierto grado de entendimiento en el tema, se les

facilitará comprender el manual al leerlo y analizarlo, pues se toman los conceptos más

relevantes. No obstante, es también preciso mencionar que no es una transcripción, y si

bien probablemente falten algunos, se invita a buscarlos en libros, revistas, o base de

datos especializados.

g

Corriente eléctrica Se denomina corriente eléctrica a todo movimiento de cargas eléctricas en un medio cualquiera. Estas cargas pueden ser electrones libres, iónes o partículas cargadas, el medio en el que se desplazan pueden ser sólido, liquido o gaseoso. (Juana, 2007)

Circuito El circuito es un conjunto de componentes eléctricos interconectados entre sí, y donde puede circular una corriente eléctrica. Para que la corriente circule este debe estar cerrado. (Harper, 2005a)

Circuito en serie

Es la conexión de elementos uno a continuación del otro en una única trayectoria para

el paso de la CE. La CE que atraviesa dichos elementos es la misma para todos.

(Harper, 2005b)

Circuito en paralelo o derivación

Es una conexión en la cual el conductor se bifurca en dos ramas paralelas. La corriente

que llega a la bifurcación se separa en dos de intensidades distintas, una para cada

rama, que se unen a la salida y dan una corriente de intensidad igual a la de entrada.

(Harper, 2005c)





Versión: 01


10

V

Intensidad de la corriente eléctrica Es la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección del conductor en una unidad de tiempo. I=q/t (Juana, 2007b)

Voltaje (V) Diferencia de potencial. Es la cantidad de trabajo que puede hacer una

carga a lo largo de un circuito. (Harper, 2005d)

Resistencia (R)

Es la capacidad que presenta un material frente a la oposición al flujo de electrones.

(Harper, 2005e)

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica es la capacidad que tiene un aparato para convertir la energía

eléctrica en otro tipo de energía. (Agencia Alemana para la Coperación Internacional,

2013a)

Corriente continua (CC) Es la corriente que fluye en una sola dirección. Las baterías, las celdas solares, etc., producen corriente continua. Este tipo de corriente no cambia su magnitud ni su sentido en el tiempo. (Acuña, 2010)

Corriente alterna (CA) Es la corriente eléctrica que cambia su amplitud en forma periódica en el tiempo. (Acuña, 2010b)

Fuentes Convencionales de Energía Las FCE son aquellos recursos provenientes principalmente de combustibles fósiles (gas natural, petróleo, carbón etc) y combustibles nucleares. Estos recursos se presentan en cantidades ilimitadas, además de generar un alto impacto ambiental negativo, además de una elevada producción de GEI, especialmente los fósiles. (Harper, 2005f)





Versión: 01


11

Fuentes No Convencionales de Energía Renovable – Energías Renovables Según la Ley 1715 de 2014:

Son aquellos recursos de ER disponibles a nivel mundial que son ambientalmente sostenibles, pero que no son empleados de manera marginal en el país y no se comercializan ampliamente. Se consideran FNCER la biomasa, los pequeños aprovechamientos hidroeléctricos, la energía eólica, la geotérmica, la solar y los mares.

Efecto Fotoeléctrico “efecto fotoeléctrico consiste en la liberación de un electrón cuando ciertos materiales absorben un fotón de luz con energía suficiente” (Aden B. Meinel y Marjorie P. Meinel, 1982)

Irradiancia y radiación solar Irradiancia es la potencia solar incidente en una superficie por unidad de área. Mientras RS es la energía electromagnética emitida por el sol. La radiación se aplica al cuerpo que radia, mientras que irradiación al objeto expuesto a la radiación. (Harper, 2005g)

Ley de Ohm Es la ley según la cual la corriente en un circuito es directamente proporcional al voltaje, y es inversamente proporcional a la resistencia del circuito. (Agencia Alemana para la Coperación Internacional, 2013b)

𝑰 =𝑽

𝑹

Radiación global Es la suma de la radiación difusa mas la radiación directa. (Harper, 2005h)

Energía Solar Fotovoltaica Es aquélla que se obtiene a través de la transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica por células fotovoltaicas. (Twenergy, 2012)





Versión: 01


12

Simbología básica

Tabla 1. Simbología eléctrica básica

Símbolo Significado Símbolo Significado

Corriente continua CC

Lámpara o bombillo.

Corriente Alterna CA

Interruptor, normalmente

abierto

+

Polaridad positiva

Batería o acumulador

Polaridad negativa

Voltímetro

Interruptor

Amperímetro

ON Encendido OFF Apagado

Polo a Tierra

Motor

Potencial cero

Vatímetro

Fuente: Adaptado por los autores de (Agencia Alemana para la Coperación Internacional, 2013) Nota: La anterior tabla, aunque contiene la simbología internacional se aplica de forma exclusiva para el

BSF del laboratorio de servicios públicos.

Aparatos de medición

Tabla 2. Aparatos de medición

Multímetro

Es el instrumento más útil para hacer mediciones eléctricas, pues nos permite medir el

voltaje o tensión eléctrica, la resistencia y la corriente, todo en uno solo instrumento.

Amperímetro Es el instrumento que mide la intensidad de corriente eléctrica que pasa a su través. Para medir CC es necesario ajustar esté o bien sea en el multímetro en DC, y si lo que se busca medir es CA, es necesario ajustarlo en AC.

Voltímetro Es un instrumento que mide la diferencia de potencial eléctrico en dos puntos de un circuito. Para medir el Voltaje es preciso disponer una escala dentro de la cual este por debajo el voltaje que se va a medir





Versión: 01


13

Óhmetro “Es el instrumento que mide la resistencia. El óhmetro tiene el propósito de permitir que circule una corriente a través de la resistencia por medir. Una aplicación externa de voltaje puede arrojar una lectura incorrecta o dañar el instrumento”.

Fuente: Adaptado por los autores de (Harper E. , Fundamentos de electricidad, 1994) y (Douglas Figueroa,

2006)

Figura 1 Multímetro Digital - Fuente: PeakTech® (2010)





Versión: 01


14

Nota: Las figuras de conexiones realizadas en el

sistema de aprendizaje se incluyen en anexos con el fin de dar flexibilidad al manual. El procedimiento

descrito en la Figura 2 solo es aplicable a las

prácticas que se desarrollen exclusivamente con el sistema de aprendizaje

Previo a la práctica.

Para el desarrollo de las siguientes prácticas del presente manual, y en responsabilidad

con el laboratorio, sus equipos y apoyo humano es importante cumplir con el

requerimiento de establecer unos pasos que garanticen la correcta ejecución de todas

las actividades a desarrollar (Ver Figura 2).

Figura 2. Desarrollo de las prácticas

Fuente: Los autores

Las siguientes dos unidades previas a las prácticas se incluyen para realizar una

introducción acerca de algunos conceptos básicos eléctricos y algunos cálculos que se

pueden complementar y consultar en la literatura eléctrica.

Antes1. Conecte la estación móvil (Paneles) al tablero de aprendizaje (BSF).

2. Conectar los enchufes de tablero y de la estación movíl a su toma corriente correspondiente.

3. Verificar que no haya ninguna conexión en el tablero de aprendizaje, y que las protecciones esten apagadas.

4. Quitar el paño de protección de la estación movil fotovoltaica.

Durante

1. Establecer las conexiones de la práctica hacer desarrollada.

2. Encender las lámparas hálogenas o exponer los módulos fotovoltaicos a la irradiación solar.

3. Subir y/o encender las proteciones.

4. Establecer las mediciones y actividades propuestas en el manual.

Despues

1. Apagar todos las protecciones y elementos del BSF; y desconectar todos los accesorios conectados, incluyase el cableado.

2. Recoger todos los elementos, acesorios y equipos en el estado conforme fueron entregados.

3. Desenchufar el BSF y la estación movil fotovoltaica, recoger y enrrollar cables, para finalmente entregarlo al personal técnico del laboratorio.

4. Colocar el paño de protección a los módulos fotovoltaicos.





Versión: 01


15

Calculo del consumo de energía

Fuente: Piktochart (2016)

Objetivos de aprendizaje

Realizar un dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos (FV) determinando la

capacidad que tienen estos para satisfacer la demanda de energía eléctrica.

Hacer un estimado del requerimiento o consumo energético en una instalación

domiciliaria.

Introducción

La presente práctica parte como base fundamental para iniciar un dimensionamiento en

las instalaciones eléctricas domiciliarias y en los sistemas FV, pues es imprescindible

conocer y determinar la capacidad que necesitara el sistema FV para responder ante el

consumo o demanda eléctrica de los usuarios.

Y es que la respuesta del sistema debe ser lo más acertada posible ya que de esto

dependerá de que el sistema sea confiable.

Si bien calcular la demanda eléctrica es importante, también es importante calcular las

pérdidas del sistema. Sin embargo, estas serán calculadas en la siguiente práctica.





Versión: 01


16

Procedimiento

El procedimiento frecuente en textos, manuales y libros, del cálculo de la energía

consumida por los electrodomésticos en un día (Wh/día) es hacer una lista de los

aparatos eléctricos, multiplicar la potencia de cada aparato (V) por el número de estos

aparatos que se tienen en una IED, y luego multiplicar por el número de horas en

funcionamiento en un día. (Ver Figura 3).

Figura 3. Procedimiento para establecer el consumo eléctrico Fuente: Los autores

Tabla 3. Tabla de cálculo de consumo o demanda eléctrica

Ítem Aparato Potencia (W) Número Horas de funcionamiento Diario

kWh

1 Bombilla de filamento 100 5 4 2

2 TV LCD 42" 230 1 3 0,69

3 Computador portátil 25 1 6 0,15

4 Computador de mesa 300 1 2 0,6

5 Nevera 530 1 24 12,72

6 Radio 40 1 1 0,04

7 Cargador de celular 3,1 1 3 0,0093

8 Ventilador 37 2 2 0,148

9 Impresora genérica 50 1 0,15 0,0075

10 Plancha de vapor domestica 1070 1 0,15 0,1605

Consumo neto 16,525

Nota: El resultado de la multiplicación de la potencia, por el número de aparatos y las horas de funcionamiento fue

dividido en 1000 para obtener kWh. Fuente: Los autores





Versión: 01


17

En la Tabla 3, el total de consumo de nuestros aparatos eléctricos fue de 16,525 kWh/día;

este valor es el que nos ayudara a seleccionar nuestro sistema FV, además también

puede darnos un aproximado económico del sistema, pues se puede comprobar que

tanto puede llegar a ser el ahorro del sistema, al realizar una comparación con el precio

del kWh de la empresa proveedora del servicio, y el costo del sistema FV a largo plazo.

Recursos recomendados

Una de las plataformas más completas es es.calcuworld.com pues es muy sencilla, tan solo necesitamos ir añadiendo los aparatos eléctricos que tenemos en el hogar, el número de aparatos y la plataforma calcula en tan solo segundos, pues contiene un listado de la potencia genérica de varios aparatos eléctricos.

Actividad

El valor de la potencia se puede encontrar en los manuales de algunos de los aparatos eléctricos, también en tablas genéricas de libros, o calculadoras de consumo eléctrico en la internet.

Realizar el cálculo de la demanda eléctrica de

cada uno de sus hogares.

http://es.calcuworld.com/ahorro/calculadora-de-consumo-electrico/





Versión: 01


18

Determinación número de paneles en una instalación fotovoltaica

Fuente: Piktochart (2016)


Reconocer cuales son los aparatos de medición para la radiación solar.

Calcular el número de paneles requeridos para cualquier instalación eléctrica

domiciliaria.

Introducción

El cálculo del número de paneles necesarios para una instalación FV, obedece a dos

factores básicos, el primero es la cantidad y tipo de aparatos eléctricos de la instalación,

pues estos revelaran la cantidad de energía demandada, y el segundo es la radiación

solar disponible incidente en el área donde se instalará el sistema.

La cantidad de energía demandada ya la calculamos en la unidad anterior, por lo tanto

solo queda conocer la radiación solar disponible, esta se puede obtener de tablas o

mapas para diferentes regiones del país, actualmente lo más preciso que tiene el país

es el Atlas Interactivo del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales





Versión: 01


19

de Colombia (IDEAM), con el apoyo de la UPME, un atlas climatológico, uno de radiación

solar y otro de vientos del país.

Para la realización de esta práctica, se tomará la radiación solar incidente de Bogotá ya

que es el lugar donde se realizará el ejercicio. Para esto hemos buscado una tabla de

los promedios mensuales de la radiación (Wh/m2) en la capital (Ver Tabla 4.)

Tabla 4. Radiación mensual en Bogotá

Fuente: Atlas interactivo de Radiación solar – IDEAM disponible en:

http://atlas.ideam.gov.co/basefiles/RadiacionPDF/Bogota.pdf con acceso el [06-03-2016]

Estos promedios mensuales se toman en cuenta porque se parte de que, de la condición

más desfavorable de radiación incidente, se calculará y diseñará el sistema, pues así se

garantiza que se cubrirá la demanda durante todo el año. Entre más promedios mejor.

http://atlas.ideam.gov.co/basefiles/RadiacionPDF/Bogota.pdf





Versión: 01


20

En ese orden de ideas como el promedio del mes de abril (3,2704 kWh/m2) fue el más

desfavorable (Ver Mapa 1), escogemos el valor registrado en ese mes para el cálculo

del número de paneles y de nuestro sistema FV en general.

Fuente: IDEAM (2014)

Mapa 1. Irradiación – Medio diario mes de abril (2014)





Versión: 01


21

Procedimiento

Conociendo la radiación incidente del área donde se instalará el sistema FV, esta se

divide entre la radiación solar incidente utilizada para calibrar los módulos (potencia pico),

entregada por los fabricantes, la cual generalmente es de 1000 W/m2 o 1 kW/m2, de esta

forma se obtendrá la cantidad de horas sol pico (HSP*).

# horas equivalentes téoricas =3,2704 kW/m2

1, 0 kW/m2

# horas equivalentes teóricas = 3,2704 HSP

Ahora con el dato de las HSP, calcularemos la producción teórica de energía por panel.

Esta producción teórica se calcula con base a las HSP, a la capacidad de trabajo y al

rendimiento de cada módulo1. La capacidad de trabajo varía dependiendo del tamaño

del panel, si es mono-cristalino, poli-cristalino, entre otras variables.

Para este ejercicio utilizaremos un panel genérico de 180 W, con un porcentaje de

pérdidas del 30%.

# paneles teóricos =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎

𝐻𝑆𝑃∗ (𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜)

# paneles teóricos =16,525 kW

3,2704 kW∗ 0,18𝐾𝑊 = 0,9 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠

# paneles teóricos =0,9 paneles

0,7=1,28 paneles

# Paneles teóricos ≈ 2 paneles

1 El rendimiento de trabajo tiene en cuenta pérdidas producidas por el posible ensuciamiento y/o deterioro de los paneles. - http://www.clickrenovables.com/





Versión: 01


22

Actividad Calcular teniendo en cuenta la radiación solar incidente del área de instalación, con una potencia pico de 1000 W/m2, y un porcentaje de pérdidas del 35% para el panel.

Calcular el número de paneles que requiera la

demanda de energía de su casa, calculada previamente.


Atlas interactivo IDEAM: http://atlas.ideam.gov.co/presentacion

Moro, Miguel. (2010) Instalaciones solares fotovoltaicas. Ed. Paraninfo

GIZ (2013) Manual de instalación de un sistema fotovoltaico domiciliario. Lima

http://atlas.ideam.gov.co/presentacion





Versión: 01


23

Practica 1. Instrumentos de medición de la radiación solar


Conocer los diferentes instrumentos para la medición

de la radiación solar y su importancia para la instalación y

desarrollo de una IED.

Introducción

Existen variados instrumentos de mediación, estos se

pueden clasificar según numerosos criterios: “el tipo de

variable que se quiera medir, el campo de visión, la

respuesta espectral, etc.” (IDEAM, 2014)

La radiación se mide en forma directa, y los valores

registrados dependerán de la inclinación planetaria, de la

nubosidad, de la hora del día, de la distancia en la que se

encuentre el planeta en relación al sol en el momento de la

medición, de la altitud, del acimut etc. (Myers, 2013). En la siguiente tabla (Ver Tabla 5),

se encuentra alguno de los instrumentos y el parámetro de medida.

Tabla 5. Instrumentos meteorológicos para la medida de radiación

Tipo de instrumento Parámetro de medida

Piranómetro espectral a) Radiación global, b) Radiación directa, c) Radiación difusa, d) Radiación solar reflejada.

Pirheliómetro absoluto Radiación global en intervalos espectrales de banda de ancha

Pirheliómetro de incidencia normal Radiación directa

Pirheliómetro (con filtros) Radiación directa

Actinógrafo Radiación global

Pirgeómetro Radiación difusa

Radiómetro neto ó piranómetro diferencial Radiación neta

Heliógrafo Brillo solar Fuente: (IDEAM, 2014)

Inventor Autodesk (2016)





Versión: 01


24

En Laboratorio de Servicios Públicos actualmente se cuenta con piranómetro, el

instrumento más usado en la medición de la radiación solar, este instrumento también

conocido como solarímetro o actinómetro mide la radiación directa y difusa la cual se

mide sobre una superficie horizontal en un ángulo de 180 grados. El piranómetro tiene

un sensor diseñado para medir la densidad del flujo de la radiación solar.

La unidad de medida es el watt/m2.

Actividad Con el piranómetro, registrar la radiación solar

fuera del laboratorio durante diferentes horas del día y elaborar una tabla de la radiación registrada.

Indicar cuál es el punto pico y explicar.

Realizar la gráfica Irradiancia Vs. Tiempo

(Mire el ejemplo que aparece en la Figura 4)

Ejemplo: Figura 4. Irradiancia (W/m2) Vs. Tiempo en Bogotá D.C

Fuente: Adaptado por los autores del Atlas interactivo de Radiación solar – IDEAM disponible en:

http://atlas.ideam.gov.co/basefiles/RadiacionPDF/Bogota.pdf con acceso el [06-03-2016]

Recursos complementarios

Myers, D. R. (2013). Solar Radiation: Practical Modeling for Renewable Energy Applications. CRC Press.

Organización Meteorológica Mundial - https://www.wmo.int

Kipp & Zonen – www.kippzone.es

0

100

200

300

400

500

6:00 -7:00

7:00 -8:00

8:00 -9:00

9:00 -10:00

10:00 -11:00

11:00 -12:00

12:00 -13:00

13:00 -14:00

14:00 -15:00

15:00 -16:00

16:00 -17:00

17:00 -18:00

W/m

2

Tiempo

Bogotá D.CIrradiancia (W/m2) Vs. Tiempo

http://atlas.ideam.gov.co/basefiles/RadiacionPDF/Bogota.pdf

https://www.wmo.int/

http://www.kippzone.es/





Versión: 01


25

Práctica 2. Reconocimiento del sistema fotovoltaico

Fuente: Amatrol (2016)


Reconocer el funcionamiento y la aplicabilidad del Banco Solar Fotovoltaico.

Identificar cada uno de los elementos del BSF.

Introducción

Sistema Fotovoltaico 950 – SPT1

El sistema fotovoltaico es un banco de aprendizaje que permite desarrollar habilidades

especializadas y conocimientos en operación, programación y solución de problemas en

AC y DC, especializados en la transformación de la radiación solar en energía eléctrica.

El banco incluye una estación móvil con dos paneles, una caja combinadora, un

controlador de carga MPPT, medidores digital y análogo, lámparas halógenas (simulan la

energía transmitida por el sol en ambientes cerrados y cuando hay mal tiempo), baterías

y un inversor conectado a la red. (Laboratorio de Servicios Públicos, 2016)





Versión: 01


26

Además de lo mencionado anteriormente el banco de aprendizaje también cuenta con

cajas de protección y cajas de distribución tanto en CA como en CC y un micro-inversor

que transforma la energía proveniente de los paneles solares de corriente continua (CC)

a corriente alterna (CA) que es la que se utiliza en los domicilios.

En la siguiente tabla (Ver Tabla 6) se describe ciertas funciones de algunos de los

elementos del Banco, sin embargo, para mayor conocimiento de los elementos que

componen el Banco, se recomienda consultar el Manual de Instrucciones del equipo, de

Amatrol, el cual está en el Laboratorio de Servicios Públicos, o en la página web de

Amatrol.

Tabla 6. Algunos elementos del BSF

Ítem Función y descripción

Caja

co

mb

ina

do

ra

La caja combinadora es usada para conectar los módulos de forma adecuada (en serie y en paralelo). La caja contiene una protección para el circuito: interruptores de circuito. La elección de la caja combinadora depende de la instalación fotovoltaica, cada fabricante especifica la conexión y cantidad de paneles que soporta o para la cual está diseñada. Las tomas de conexión de entrada están situados a la izquierda de la caja combinadora y las tomas de salida están situadas a la derecha de la caja.





Versión: 01


27

PV

Arr

ay

Dis

co

nn

ec

t

Este dispositivo se utiliza para conectar y desconectar los módulos fotovoltaicos al BSF. Se encuentra a la derecha de la Caja combinadora y las tomas de salida están situados a la derecha de la caja. Este dispositivo también incluye interruptores para protección de sobre-corriente. Usualmente se utiliza para conexiones en DC.

Carg

a v

ari

ab

le

La carga variable es un reóstato de 500 Ohm que se utiliza para variar la carga eléctrica de los módulos fotovoltaicos. Las tomas de conexión se encuentran por debajo del dispositivo. Esta puede ser regulada con la manija y así poder asignar la resistencia adecuada para calcular el valor de corriente.





Versión: 01


28

Ban

co

de

Ba

terí

as

El banco de baterías se encuentra en la parte inferior del chasis del BSF en el lado izquierdo. Las tomas de conexión para el banco de baterías se encuentran en el lado inferior izquierdo de la parte de potencia. Las tomas de conexión permiten conectar las baterías en serie o en paralelo. Acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante los periodos prolongados de mal tiempo. Proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede integrar.

Batt

ery

Dis

co

nn

ec

t

Battery Disconnect se utiliza para aislar las baterías del sistema cuando sea necesario. Incluye los fusibles para la protección del circuito. Battery Disconnect están cableados entre las baterías y las tomas de conexión del Banco de Baterías.





Versión: 01


29

Mic

ro-i

nv

ers

or

El micro inversor convierte la corriente continua directamente de los módulos fotovoltaicos en CA. El voltaje de esta energía es compatible con la red eléctrica (la energía que usa los electrodomésticos). Este tipo de inversor no requiere batería de respaldo. El micro inversor también incluye una pantalla remota (Display) para ver los datos del micro inversor. Las tomas de entrada están situados a la izquierda del micro inversor y las tomas de salida están situados a la derecha. El micro inversor elimina la necesidad de conectar largas cadenas de módulos en serie dándole más flexibilidad al diseño del sistema solar.

Mo

nit

or

de

en

erg

ía

Todos los micro-inversores Enphase integran la tecnología necesaria para monitorear cada módulo del sistema solar de forma independiente; cada micro-inversor transmite el estado y funcionamiento del sistema a una plataforma web: Enligthen, la cual muestra una representación exacta y en tiempo real del sistema.





Versión: 01


30

Pro

gra

ma

do

r

El programador es un dispositivo de interfaz de usuario llamado MATE. El programador permite al usuario ver varios parámetros del regulador de carga, parámetros de red del controlador de carga, del inversor, del monitor de DC, del centro de comunicaciones, y también permite al usuario programar funciones que se apliquen a determinados dispositivos que estén conectados a ella a través de la red.

Pu

nto

de

po

ten

cia

má

xim

a d

e s

eg

uim

ien

to

(MP

PT

)

Es un dispositivo de tipo regulador de carga. El controlador de carga MPPT puede ajustar automáticamente la carga eléctrica para mantener el sistema funcionando con eficiencia máxima para un mayor tiempo. Las tomas de entrada están situados a la izquierda del controlador de carga y las tomas de salida están situados a la derecha del controlador de carga.





Versión: 01


31

Cen

tro

de

co

mu

nic

acio

ne

s

El centro de comunicaciones proporciona un punto de conexión a la red central para el programador, el controlador de carga, el monitor de DC y el inversor. La toma de conexión a la red se encuentra por debajo del centro de comunicaciones.

Mo

nit

or

DC

El monitor de CC es un dispositivo que monitoriza y recoge estado de la batería (corriente, tensión y potencia) y suministra los datos para mostrarlos en el programador. La toma de entrada se encuentra a la izquierda de la pantalla de CC y la toma de salida está a la derecha del monitor CC. Un enchufe de red se encuentra en el lado derecho del monitor CC.





Versión: 01


32

In

ve

rso

r in

tera

cti

vo

Inversor interactivo - El inversor interactivo convierte la corriente en DC del banco de baterías en corriente alterna (CA), que puede manejar cargas o pueden introducirse en la red eléctrica. Este tipo de inversor requiere una batería de respaldo.

Co

nta

do

r E

léc

tric

o

El medidor de potencia o contador eléctrico de potencia, es un medidor de potencia trifásica que se utiliza cuando la salida de la instalación fotovoltaica es trifásica de corriente alterna.





Versión: 01


33

Co

nta

do

Me

cá

nic

o

Este dispositivo es un medidor de potencia monofásica mecánico, que se utiliza cuando la salida de la instalación fotovoltaica es monofásica, de corriente alterna.

Pa

ne

l d

e D

istr

ibu

ció

n D

C

El panel de distribución de DC se utiliza para conectar la salida de DC del sistema fotovoltaico para cargas de DC. Contiene interruptores de circuito para proteger a las cargas conectadas a la misma.





Versión: 01


34

Carg

as

de D

C

Las cargas en DC proporcionan las cargas eléctricas de la instalación fotovoltaica. Las cargas incluyen un ventilador de DC y tres tipos diferentes de lámparas de DC.

Inte

rru

pto

res

de

ca

rga

Los interruptores de carga se utilizan para controlar las cargas de DC o AC. Estos son el mismo tipo de interruptores utilizados en aplicaciones comerciales y residenciales.





Versión: 01


35

In

terr

up

tor

AC

Este elemento proporciona un medio para desconectar la salida AC del inversor fotovoltaico del sistema de las cargas de AC y a la red. Incluye los fusibles de protección del circuito.

Pa

ne

l d

e D

istr

ibu

ció

n A

C

El panel de distribución AC proporciona las conexiones entre el sistema fotovoltaico y la red. Tanto la red y la instalación fotovoltaica puede proporcionar energía a las cargas a través de este panel.





Versión: 01


36

Carg

as

AC

Las cargas de AC proporcionan cargas eléctricas estándar para simular sistemas eléctricos comerciales y residenciales. Las cargas incluyen una toma dúplex y tres tipos diferentes de lámparas de corriente alterna. Diferentes dispositivos de AC se pueden conectar a la salida dúplex.

Caja

de

de

sc

on

ex

ión

Esta caja posee una palanca que actúa como un interruptor de control maestro para la interfaz con la red. También proporciona protección de circuito en forma de fusibles.





Versión: 01


37

Fuente: Adaptado por los autores del Software de instalación 950-SPT1(CD) y Autodesk Inventor Professional

(2016)

Figura 5. Elementos de la estación fotovoltaica

Fuente: (Barrera, M. y Fernandez, M., 2015)


www.amatrol.com/

Solar Troubleshooting Learning system: http://goo.gl/kbyPWQ

Barrera, M. y Fernandez, M. (2015). Análisis del rendimiento de un banco solar de energía fotovoltaica por medio del programa Enlighten. Bogotá.

Herr

am

ien

tas

de

Me

dic

ión

Se proporcionan tres herramientas de medición diferentes: un multímetro digital, un amperímetro de pinza y un vatímetro.

http://www.amatrol.com/

http://goo.gl/kbyPWQ





Versión: 01


38

Actividad

Teniendo en cuenta la información anteriormente presentada, buscar en la siguiente

tabla las parejas correspondientes y unirlas en la tabla de respuestas.

1. Caja combinadora.

A. Convierte la corriente continua directamente de los módulos fotovoltaicos en CA. El voltaje de esta energía es compatible con la red eléctrica (la energía que usa los electrodomésticos). Este dispositivo no requiere batería de respaldo.

2. Banco de baterías.

B. Este dispositivo es un medidor de potencia monofásica, que se utiliza cuando la salida de la instalación fotovoltaica es monofásica, de corriente alterna.

3. Micro inversor.

C. Puede ajustar automáticamente la carga eléctrica para mantener el sistema funcionando con eficiencia máxima para un mayor tiempo.

4. Regulador de Carga

MPTT.

D. Es usada para conectar los módulos de forma adecuada (en serie y en paralelo). Contiene una protección para el circuito: interruptores de circuito.

5. Inversor interactivo.

E. se encuentra en la parte inferior del chasis del BSF en el lado izquierdo. Acumula la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante los periodos prolongados de mal tiempo.

6. Medidor mecánico

F. Es un medidor de potencia trifásica que se utiliza cuando la salida de la instalación fotovoltaica es trifásica de corriente alterna.

7. Medidor eléctrico.

G. Convierte la corriente CC del banco de baterías en corriente alterna (CA), que puede manejar cargas o pueden introducirse en la red eléctrica. Este tipo de dispositivo requiere una batería de respaldo.

RESPUESTAS

1. ____ 2. ____ 3. ____ 4. ____ 5. ____ 6. ____ 7. ____





Versión: 01


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Práctica 3. Conexión del banco de baterías en serie y en paralelo

Fuente: Los autores

Objetivos

Identificar la diferencia de conexión en serie y en paralelo de las baterías del BSF

Identificar el comportamiento de Voltaje y Carga dependiendo la conexión de las

baterías del BSF

Reconocer el estado de carga de una batería mediante la medición del voltaje.

Introducción

En una instalación fotovoltaica típica, las baterías solares se cargan mediante la

absorción de la energía solar excedente creada durante el día por los módulos

fotovoltaicos (paneles solares), y la descarga es mediante la liberación de la energía en

la noche para alimentar las cargas como; bombillos, computadores, televisores etc. El

proceso de carga y descarga de cada día se conoce como un ciclo.

En la mayoría de los casos, las baterías solares se drenan y se recargan en los ciclos

diarios. Baterías diseñadas para operar de esta manera se denominan baterías de ciclo

profundo.

Un indicador usado a menudo para determinar la carga restante de una batería es el

voltaje de circuito abierto. Se trata del voltaje de la batería, y se mide en los terminales

de la batería, sin ningún circuito conectado. La batería debe estar desconectada de

cualquier circuito antes de medir la tensión en circuito abierto, debido a que la tensión en

los bornes de la batería hay cambios durante la descarga.





Versión: 01


40

Una batería completamente cargada de 12 voltios tiene un potencial nominal de 12,6 a

13,0 voltios, mientras que una batería a punto de descarga máxima tiene un potencial

nominal de entre 10,8 y 11 voltios.

Antes de realizar la medición, identificar los terminales de la batería positivo y negativo.

El terminal positivo puede ser de color rojo, o puede estar marcado con un signo más

(+). El terminal negativo puede ser negro o puede estar marcado con un signo negativo

(-). La carga restante de una batería se puede estimar a partir de la tensión medida

mediante una escala lineal con 13 voltios que representan el 100% de la carga y 10,8

voltios que representan el 25% de carga. (Amatrol, 2016)

Materiales y Equipos

Para la correcta ejecución de esta práctica se necesitarán los siguientes elementos:

Materiales Equipos

Cables color rojo Cables color negro

Carro del panel solar 95-SPA1 Tablero 950-SPT1 Banco de baterias Multímetro Pinzas

Procedimiento

Conecte la sonda de prueba roja, al terminal positivo de la batería, y la sonda de prueba

negra al terminal negativo de la batería (La sonda o cable rojo debe estar conectado en

el espacio del multímetro señalado para medir Voltios, la sonda o cable negro debe estar

conectado en el espacio del multímetro señalado como “COM”). Luego tome la lectura

usando un multímetro con las puntas de prueba en contacto con los terminales de las

baterías. Usa la tabla 7 para estimar el porcentaje de carga de la batería.





Versión: 01


41

Figura 6. Medición Voltaje en el multímetro

Fuente: Adaptado por los autores del Software de instalación 950-SPT1

Medición de voltajes

La Medición debe efectuarse primero en cada batería y luego en todo el banco de

baterías, según la conexión establecida (El multímetro debe estar en paralelo, en

corriente directa (DC por sus siglas en inglés) e inicialmente en 200V, tal y como se

observa en la Figura 7), si el voltaje es menor de 20V se puede reducir la escala en el

multímetro.

Figura 7. Configuración multímetro para medir voltaje en DC

Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol. Software de instalación 950-SPT1 [CD-ROM]





Versión: 01


42

1. Mida y tome lectura de cada batería del banco de baterías tal y como se observa

en la imagen.

Figura 8. Medición de VDC con multímetro en el BSFV

Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol. Software de instalación 950-SPT1 [CD-ROM]

2. Determine el estado de cada batería según la información presentada en esta

tabla.

El estado de las baterías en el Banco Solar se puede conocer a través del Monitor

de sistema de CC avanzado, FLEXnet™DC el cual recoge, supervisa y registra

los datos del estado la batería.

*El LED inferior esta siempre apagado a menos que la carga sea inferior al 60%





Versión: 01


43

Tabla 7. Porcentaje de carga para batería estándar del Banco Solar

Fuente: Amatrol. Software de instalación 950-SPT1 [CD-ROM]

Capacidad de las baterías

Un banco de baterías se compone de dos o más baterías conectadas entre sí, en serie

y / o paralelo, para almacenar la energía excedente creada por un sistema fotovoltaico.

“La tensión de funcionamiento, la salida de corriente de pico, y la capacidad requerida determinan

el número y tipo de baterías para un banco de baterías. La forma en que se conectan las baterías

en un banco determina si los voltajes son acumulativos o las capacidades son acumulativas. En

ambos casos, las baterías funcionan para absorber y liberar la energía creada por el sistema FV”.

(Amatrol, 2016b)

Existen dos maneras básicas para conectar baterías:

En serie: El voltaje de la batería va aumentando respecto al número de baterías que

estén conectadas, y la capacidad de las baterías permanece estable sin importar el

número de baterías conectadas (Amatrol, 2016c). Para determinar el voltaje y capacidad

total de este tipo de conexión se utiliza la siguiente formula.





Versión: 01


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Voltaje de baterías conectadas en serie:

𝐕 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐢𝐧𝐚𝐜𝐢ó𝐧 = 𝐕𝐵1 + 𝐕𝐵2 … + 𝐕𝐵𝑛

Donde:

V combinación = Voltaje de las baterías combinadas

VB1 = Voltaje de la batería 1


VBn = Voltaje de la batería n

Capacidad de baterías conectadas en serie = Siempre es igual al de una sola batería.

Ecuación 1. Banco baterías conectadas en serie Fuente: Amatrol. Software de instalación 950-SPT1 [CD-ROM]

Ejemplo: Al conectar un banco de baterías (2 baterías) de 12V y 25Ah en serie se

obtiene el siguiente resultado.

Figura 9. Conexión en serie de un banco de baterías


En paralelo: El voltaje de la batería permanece estable sin importar el número de

baterías conectadas, y la capacidad de las baterías va aumentando respecto al

número de baterías que estén conectadas (Amatrol, 2016d). Para determinar el

voltaje y capacidad total de este tipo de conexión se utiliza la siguiente formula.





Versión: 01


45

Capacidad de las baterías conectadas en paralelo:

𝐂 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐢𝐧𝐚𝐜𝐢ó𝐧 = 𝐂𝐵1 + 𝐂𝐵2 … + 𝐂𝐵𝑛

Donde:

C combinación= Capacidad de las baterías combinadas

CB1 = capacidad de la batería 1


CBn = capacidad de la batería n

Voltaje de las baterías conectadas en paralelo = Siempre es igual al de una batería.

Ecuación 2. Banco de baterías conectado en paralelo


Ejemplo: Al conectar un banco de baterías (2 baterías) de 12V y 25Ah en paralelo se

obtiene el siguiente resultado.

Figura 10. Conexión en paralelo de un banco de baterías

Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol. Software de instalación [CD-ROM]

La combinación entre ambas conexiones se denomina conexión mixta; En este

tipo de conexiones se debe efectuar una cuidadosa observación para poder

realizar el cálculo teórico del voltaje y capacidad de carga del banco de baterías.

En este tipo de conexiones siempre hay un aumento de voltaje al igual que la

capacidad de carga de las baterías.





Versión: 01


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Voltaje de baterías conectadas en serie/paralelo:

𝐕 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐢𝐧𝐚𝐜𝐢ó𝐧 = 𝐕𝐵1 + 𝐕𝐵2 … + 𝐕𝐵𝑛 Donde:

V combinación = Voltaje de las baterías combinadas



VBn = Voltaje de la batería n

Capacidad de las baterías conectadas en serie/paralelo:

𝐂 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐢𝐧𝐚𝐜𝐢ó𝐧 = 𝐂𝐵1 + 𝐂𝐵2 … + 𝐂𝐵𝑛

Donde:

C combinación= Capacidad de las baterías combinadas



CBn = capacidad de la batería n

Ecuación 3. Banco de baterías conectado en paralelo Fuente: Amatrol. Software de instalación [CD-ROM]

Ejemplo: Al conectar un banco de baterías (4 baterías) de 12V y 25Ah en serie/paralelo

se obtiene el siguiente resultado.

Figura 11. Conexión del Banco de baterías en serie/paralelo


Es importante en un sistema FV establecer la demanda energética (watts o Kw) de las

cargas (lámparas, tv, computadores etc) para poder dimensionar el banco de baterías y





Versión: 01


47

que este pueda suplir dicha demanda durante el tiempo de insolaciones prolongadas y

también en las noches.

Para ello es importante las fórmulas para conocer la potencia y el tiempo de descarga de

la capacidad de una batería.

Formula de Potencia Formula de porcentaje de capacidad de

descarga

𝐏𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 𝐕𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 x 𝐈𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎

Donde:

PBateria = Potencia (watts)

Vbateria= Voltaje (voltios)

IBateria= Corriente de la batería

(Amperios)

Capacidad = PBateria x Tiempo = (Wh)

𝐄𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐈𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 x 𝐓𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝑪𝑩𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂

Donde:

EDescarga = Porcentaje de capacida de descarga (%)

IDemanda= Tasa de demanda de corriente (Amp)

TDescarga= Tiempo de descarga (Horas)

CBateria= Capacidad de carga de la batería (Ah)

Ecuación 4. Potencia y porcentaje de descarga en baterías


Ejemplo 1: Una batería solar de 12 Voltios que suple 25 amperios a varias Cargas

durante 7 horas. La capacidad requerida sería; 2100 Wh.

𝐏𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 𝐕𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 x 𝐈𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 12 Voltios x 25 Amps = 300 Watts

Capacidad = 300 Watts x Horas = 2100 Wh

Nota: Estas ecuaciones se cumplen tanto para calcular la capacidad de una batería o para un banco de baterías. (Para cálculos con el banco de baterías se utilizan valores totales)





Versión: 01


48

Ejemplo 2: Existe una tasa de demanda en la noche de 3 Amperios por parte de varias

cargas conectadas en el circuito durante 5 horas, la capacidad de carga de la batería es

de 100 Ah. El porcentaje de descarga sería del; 15%

𝐄𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐈𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 x 𝐓𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝑪𝑩𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂 =

3A x 5 Horas

100 𝐴ℎ = 0.15 = 15%

Si solo queremos saber el tiempo de descarga de una batería o de un banco de

baterías lo podemos hacer con la siguiente formula:

Tiempo de descarga de una batería

𝐓𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝑪𝑩𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂

𝑰𝑫𝒆𝒔𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂

Donde: CBateria= Capacidad de carga de la batería (Ah) IDemanda= Tasa de demanda de corriente (Amp) TDescarga= Tiempo de descarga (Horas)

Ecuación 5. Tiempo de descarga de una batería Fuente: Amatrol. Software de instalación [CD-ROM]

Ejemplo: Una batería de 150 Ah proporciona a varias cargas una tasa de corriente de 5

Amps. Cuanto seria el tiempo para que la batería se descargue totalmente.

T𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐶𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎

𝐼𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

150 𝐴ℎ

5 𝐴 = 30 Horas





Versión: 01


49

Actividad

1. Calcule el voltaje y la capacidad de un banco de cuatro baterías conectadas en

serie, cada batería tiene una capacidad de 125 Ah y 12 V. (hacer esquema de la

conexión del banco de baterías)

2. Calcule el voltaje y la capacidad de un banco de cuatro baterías conectadas en

paralelo, cada batería tiene una capacidad de 125 Ah y 12 V. (hacer esquema de

la conexión del banco de baterías)

3. Calcular el tiempo requerido para descargar una batería solar con una capacidad

de 250Ah y una demanda de corriente de 7,5 Amperios.


Software de instalación 950-SPT1 – Amatrol. E- learning. Módulo 4. Baterías.

http://fc.uni.edu.pe/mhorn/baterias.html

http://fc.uni.edu.pe/mhorn/baterias.html





Versión: 01


50

Práctica 4. Conexión de los módulos FV, en circuito serie y circuito paralelo para alimentar

cargas en CC

Fuente: Los autores

Objetivos

Realizar las conexiones del sistema fotovoltaico para alimentar las cargas de

prueba en CC.

Establecer las diferencias de conectar los paneles en serie y paralelo.

Introducción

Un circuito eléctrico (Ver figura 12) se compone por cuatro elementos básicos, los cuales

son; fuente eléctrica (Todo equipo o sistema que suministre energía eléctrica) en

nuestro caso son los paneles fotovoltaicos, conductores (por donde se lleva o transmite

la energía eléctrica emanada por la fuente al receptor), receptores (es quien recibe y

transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía) e interruptor (elemento que sirve

para conectar y desconectar el circuito a voluntad del usuario). (Zavala, 2001)

Figura 12. Elementos básicos de un circuito eléctrico Fuente: Adaptado por los autores de Piktochar (2016)





Versión: 01


51

Básicamente los circuitos se pueden clasificar en tres grupos; en serie, paralelo y mixto.

Se dice que las partes están “conectadas en serie” siempre que los componentes o

partes de un circuito están conectados de manera secuencial y que se constituya una

sola trayectoria para el paso de la corriente, eso significa que en un circuito en serie la

corriente es la misma en cualquier parte del circuito. (Harper E. , Fundamentos de

Electricidad, 1994, págs. 97-98) En la (Ver Figura 13) se muestra la conexión en serie

de tres paneles fotovoltaicos, e incluye una gráfica de comportamiento de la corriente (I)

Vs el Voltaje (V).

Figura 13. Conexión de los módulos fotovoltaicos en serie y curva (I) Vs. (V) Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (S.f). Software de instalación [CD-ROM]

El cálculo teórico utilizado para determinar el valor de corriente y voltaje en una

instalación FV conectada en serie se puede expresar en la siguiente formula:





Versión: 01


52

Recordando algunos conceptos En un circuito en serie:

Fluye la misma corriente por todo el circuito.

La suma de los voltajes parciales es igual al voltaje total aplicado en el circuito.

La resistencia total de un circuito en serie es la sumatoria de todas las resistencias individuales dentro del circuito.

Fórmula para paneles FV conectados en serie

Voltaje máximo en una cadena FV Corriente máxima en una cadena FV

𝑽𝑚𝑐 = 𝑵𝑝𝑐 𝑥 𝑽𝑚

Donde:

Vmc= Voltaje máximo en una cadena

Npc= Número de paneles FV conectados en una cadena

Vm= Voltaje máximo de cada panel FV

𝑰𝑚𝑐 = 𝑰𝑚

Donde:

Imc= Corriente máxima en una cadena FV

Im= Corriente máxima de cada panel FV

Ecuación 6. Paneles FV conectados en serie Fuente: Amatrol. Software de instalación [CD-ROM]

Ejemplo: En una Instalación FV en serie de 3 paneles solares de 12 VDC y 3 Amperios

se desea conocer la producción total de Corriente y voltaje;

Entonces, para calcular el voltaje total de la instalación se utiliza la Ecuación 6,

𝑽𝑚𝑐 = 𝑵𝑝𝑐 𝑥 𝑽𝑚 = 3 𝑥 12 𝑉𝐷𝐶 = 36 VDC

La corriente es la misma en toda la instalación ya que está conectada en serie: 3

Amperios.

El circuito en paralelo se caracteriza porque los componentes o partes del circuito

reciben el mismo voltaje y están conectados a las terminales de la fuente eléctrica. En

paralelo el voltaje es el mismo en cualquier parte del circuito. (Harper E. , Fundamentos

de Electricidad, 1994, págs. 120-122) En la Figura 14 se muestra la conexión en paralelo

de tres paneles fotovoltaicos, e incluye una gráfica de comportamiento de la corriente (I)

vs el Voltaje (V).





Versión: 01


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Figura 14. conexión en paralelo de los PSF y curva (I) vs (V). Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (S.f) Software de instalación [CD-ROM].

Fórmula para paneles FV conectados en paralelo

Corriente máxima Voltaje máximo

𝑰𝑚𝑚 = 𝑵𝑝𝑐 𝑥 𝑰𝑚

Donde:

Imm= Corriente máxima en una matriz FV

Npc= Número de paneles FV conectados

Im= Corriente máxima de cada panel FV

𝑽𝑚𝑚 = 𝑽𝑚

Donde:

Vmm= Voltaje máximo en una matriz FV

Im= Voltaje máximo de cada panel

Ecuación 7. Paneles FV conectados en serie Fuente: Amatrol (S.f) Software de instalación [CD-ROM]

Ejemplo: En una Instalación FV en paralelo de 3 paneles solares de 12 VDC y 3

Amperios se desea conocer la producción total de Corriente y voltaje;

Entonces, para calcular la corriente total de la instalación se utiliza la ecuación 7,

𝑰𝑚𝑚 = 𝑵𝑝𝑐 𝑥 𝑰𝑚 = 3 𝑥 3𝐴 = 9A





Versión: 01


54

El voltaje es el mismo en toda la instalación ya que está conectada en paralelo: 12VDC

Recordando algunos conceptos

En un circuito en paralelo:

La corriente total del circuito es la suma de las corrientes parciales.

El voltaje es igual en cualquier parte del circuito.

La resistencia equivalente de un circuito en paralelo siempre es menor que la resistencia parcial más pequeña.

Un circuito mixto, es aquel que presenta la combinación de los circuitos serie y paralelo.

En algunos textos se conocen como circuitos serie-paralelo. (Ver Figura 15)

Figura 15. Conexión de una matriz fotovoltaica en circuito mixto Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (S.f) Software de instalación [CD-ROM].

Ejemplo: Una matriz fotovoltaica está conformada por 3 cadenas FV conectadas en

paralelo, cada cadena está conformada por 3 paneles solares en serie de 12VDC y 3A,

se pide calcular la potencia total (W) de la instalación FV.

Primero se calcula el valor de voltaje y corriente en una cadena, la cual está conformada

por 3 paneles solares en serie. Se utiliza la ecuación 6 para hallar dichos valores:

Voltaje: 𝑽𝑚𝑐 = 𝑵𝑝𝑐 𝑥 𝑽𝑚 = 3 𝑥 12 𝑉𝐷𝐶 = 36 VDC

Corriente: Es la misma en toda la instalación ya que está conectada en serie 3 Amps.





Versión: 01


55

Luego se calcula el valor de las 3 cadenas en paralelo, para lo cual utilizamos la

Ecuación 7:

Corriente: 𝑰𝑚𝑚 = 𝑵𝑝𝑐 𝑥 𝑰𝑚 = 3 𝑥 3𝐴 = 9A

Voltaje: Es el mismo en toda la instalación ya que está conectada en paralelo: 36VDC

Nota: Vmm (Voltaje máximo de la matriz FV) es igual a Vmc (Voltaje máximo en una

cadena).

Por ultimo para calcular la potencia total de la matriz FV utilizamos la Ecuación 8.

Fórmula para Potencia total de una matriz FV

𝑷𝑇𝑀 = 𝑰𝑚𝑚 𝑥 𝑉𝑚𝑐

Donde:

PTM= Potencia Total de la matriz FV Imm= Corriente máxima de la matriz FV Vmm= Voltaje máximo de la matriz FV

Ecuación 8. Potencia total de una matriz FV Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (S.f) Software de instalación [CD-ROM]

𝑷𝑇𝑀 = 𝑰𝑚𝑚 𝑥 𝑉𝑚𝑐 = 9A x 36VDC = 324 Watts

La potencia total de la matriz FV es de 324 W

Materiales y Equipos Para la correcta ejecución de esta práctica se necesitarán los siguientes elementos:

Materiales Equipos

Cables color rojo Cables color negro Cables color verde

Carro del panel solar 95-SPA1 Tablero 950-SPT1 Caja combinadora Desconexión de matriz FV Panel de distribución DC Cargas DC Multímetro Pinzas

La energía producida por los paneles solares fotovoltaicos es en Corriente Continua (CC), las cargas que se van a utilizar son (DC) por lo tanto solo necesitamos elementos

protectores para evitar cualquier sobre carga. Es necesario revisar las especificaciones de las cargas, ya que la mayoría trabajan a 12 o 24 voltios (VDC), y proporcionar lo requerido

por las cargas para evitar cualquier daño o deterioro.





Versión: 01


56

Procedimiento

Conexión en serie

1. Realizar la conexión en serie con la ayuda de los cables, ver Figura 16.

Figura 16. Conexión en serie de los Paneles solares

Fuente: Los autores

2. Luego seguir con las conexiones de los demás elementos.

Se conectan las salidas de la caja combinadora directamente a las entradas de la

desconexión de la matriz FV, cuyas salidas se conectan a la entrada del panel de

distribución DC, finalmente se conectan las cargas a la salida del Panel de

distribución.

Figura 17. Conexiones DC Fuente: Los Autores





Versión: 01


57

Medición de voltajes

Medir el voltaje de entrada al tablero, proveniente de cada panel. (El multímetro debe

estar en paralelo, en corriente directa (DC) y en 200V, tal y como se observa en la Figura

18)

Figura 18. - Multímetro Fuente: Adaptado por los autores del Software de instalación 950-SPT1, Amatrol. Estados Unidos.

Nota: La medición se hace en cada panel y luego a la salida de la caja combinadora.

Medición de corriente

Medir la corriente de entrada al tablero, proveniente de cada panel. (La pinza debe

estar en corriente directa (DC) y en Amperios). Tal como se observa en la Figura

19.

Figura 19. Medición de corriente con la pinza

Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (2004) Modulo E-Learning [CD]. Estados Unidos.





Versión: 01


58

Conexión en paralelo

1. Realizar la conexión en paralelo con la ayuda de los cables, tal como se ve en la

figura 20.

Figura 20. Conexión en paralelo de los paneles solares fotovoltaicos

Fuente: Los autores

2. Luego seguir con las conexiones de los demás elementos.

Figura 21. Conexiones DC

Fuente: Los Autores

Una vez hecho las conexiones, para suministrar corriente a las cargas (Lámparas y

ventilador) se proceden a; Descubrir los paneles o módulos FV y encender todos los

interruptores.

Encender las lámparas de la matriz de carro 95-SPA1 Panel Solar o exponer a la

radiación solar.





Versión: 01


59

Encender los interruptores de circuito de la caja combinadora.

Encender los interruptores de circuito de la caja de Desconexión FV.

Encender los interruptores en el PANEL de distribución de DC.

Esto debe suministrar energía a la carga que desee conectar.

Para cambiar de carga a ser conectada a la corriente, apague los interruptores en

el PANEL de distribución de DC.

Cambie los cables y conecte la otra carga.

Encienda los interruptores del panel de distribución de DC para proporcionar

corriente.

Asegúrese de tener la polaridad correcta cuando conecte el ventilador ya que es

sensible a la polaridad.

Medición de voltajes y corriente

Ver procedimiento en las Figuras (18 y 19)





Versión: 01


60

Actividad

1. Llenar la siguiente tabla con los datos tomados en los instrumentos de medición.

CONEXIÓN CIRCUITO

SERIE

VOLTAJE (V) (PV MOD1 + PV MOD 2)

CORRIENTE (A) (PV MOD1 + PV

MOD 2)

POTENCIA (W)

CONEXIÓN

CIRCUITOPARALELO

VOLTAJE (V) (PV MOD1 + PV MOD 2)

CORRIENTE (A) (PV MOD1 + PV

MOD 2)

POTENCIA (W)

2. Explique las diferencias de conectar los paneles en serie y paralelo.

3. Calcular la Potencia total de una matriz fotovoltaica que está conformada por 5

cadenas FV conectadas en paralelo, cada cadena está conformada por 3 paneles

solares en serie de 17,79 VDC y 2,53 A. Realizar esquema de la matriz

mencionada.





Versión: 01


61

Práctica 5. Conexión del sistema independiente de la red en corriente continua.

Fuente: Los Autores


Reconocer las conexiones necesarias para operar un sistema FV en CC.

Identificar los elementos que componen un sistema FV en CC.

Introducción

A menudo este tipo de sistema independiente o autónomo se utiliza en lugares donde la

red eléctrica pública no está disponible, ya que la ubicación es remota, o es muy costosa

debido al precio de la ampliación de las líneas de alta tensión. Este tipo de sistema

autónomo sirve para alimentar los aparatos de corriente continua, tales como televisores,

equipos de sonido y luces fluorescentes en los hogares en lugares remotos o inclusive

plantas de bombeo. (Amatrol, 2016e)

Materiales y equipos

Materiales Equipos

Cables color rojo Cables color blanco Cables color verde

Carro del panel solar 95-SPA1 Tablero 950-SPT1 Caja combinadora Desconexión de matriz FV Controlador de carga Banco de baterías Panel de distribución DC Multímetro Pinzas





Versión: 01


62

Procedimiento

1. Usted deberá conectar los módulos FV en paralelo.

Figura 22. Conexión en paralelo de los paneles solares FV

Fuente: los Autores

2. De la salida de la caja combinadora, conectar la entrada de la desconexión de la

matriz FV, y de cuya salida, conectar a la entrada del controlador de carga. A la

salida del controlador se conecta el banco de baterías teniendo en cuenta que el

cable rojo (+) debe conectarse en el borne positivo del BAT1 y el cable negro o

negativo (-) debe conectarse al borne negativo del BAT1. Verificar que el banco

de baterías se encuentre conectado en paralelo. (Tal y como se observa en la

figura 23)

Figura 23. Conexiones DC y conexión del banco de batería en paralelo.

Fuente: los autores





Versión: 01


63

3. Finalmente, de la salida banco de baterías (El cable rojo (+) debe conectarse en

el borne positivo del BAT2 y el cable negro o negativo (-) debe conectarse al borne

negativo del BAT2) luego al banco de baterías se conecta el panel de distribución

CC y a este se conectan las cargas.

Figura 24. Conexiones DC y conexión de las cargas CC.

Fuente: los autores



interruptores para proporcionar energía a las cargas.

Una vez encendido los interruptores se debe configurar el controlador de carga

dependiendo del voltaje de entrada proveniente de los paneles FV y el de salida que

alimenta a las baterías.

Por ejemplo, si los paneles están conectados en serie deben proporcionar un Voltaje

nominal de +/- 36 Voltios, eso significa que las baterías se deben conectar de modo

que sea similar a ese voltaje, pero siempre con un valor menor para que las baterías

no sufran daños y se puedan cargar normalmente, en este caso se debe conectar el

banco de baterías en serie para proporcionar +/- 24V. Con el valor de voltaje de las

baterías se configura el controlador de carga en este caso sería a 24V.

En el caso de conectar los paneles en paralelo estos deben proporcionar un Voltaje

nominal de +/- 18 Voltios, lo cual significa que el banco de baterías también se debe

conectar en paralelo para proporcionar +/- 12V. Con este nuevo valor de Voltaje se

configura el controlador de carga a 12V. (El procedimiento para configurar el

controlador de carga se describe a continuación)





Versión: 01


64

Procedimiento para configurar el controlador de carga

Mirar a la pantalla del controlador de carga y determinar qué voltaje está seleccionado.

El voltaje seleccionado tiene dos símbolos de intercalación (^) por debajo de ella. Por

ejemplo, 12 voltios está seleccionada en la figura 25. La segunda tecla debe tener una

flecha a la derecha () por encima de él. Puede usar esta tecla para elegir la tensión

correcta del sistema. La tercera tecla es la tecla ENTER. Usted usará esta tecla una vez

escogida la tensión correcta del sistema, para ajustar la tensión del sistema.

Usted necesitará seleccionar un voltaje del sistema de 12 V para que coincida con la

salida de banco de batería. Las baterías de 12 V se conectan en paralelo para crear 12

V.

Figura 25. Pantalla de configuración de voltaje del controlador de carga Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (2004) guía de instalación. Estados Unidos

Si 12 no es el voltaje elegido, use la tecla segunda () para elegir.

Cada vez que pulse la tecla programable (), se elige la tensión siguiente a la derecha

hasta que sea seleccionada la última tensión. Pulsar la tecla () para seleccionar el

voltaje de la primera a la izquierda, que es de 12 V.

NOTA: Cuando se cambia la tensión del sistema, puede pedirle que introduzca la

contraseña, que es 141. Si es así, la contraseña aparecerá en la pantalla, similar a la figura 26. Puede utilizar la segunda tecla (-) y la tercera tecla (+) para cambiar el valor

mostrado, hasta 141. Luego presione la tecla ENTER.

Nota: Cuando ya vaya alimentar las cargas asegúrese de tener la polaridad correcta al conectar el ventilador ya que es sensible a la polaridad.





Versión: 01


65

Figura 26. Pantalla de configuración de la contraseña

Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (2004) guía de instalación]. Estados Unidos

Una vez cuando 12 es elegido como la tensión del sistema, pulse la tecla ENTER para

fijar 12 voltios a la tensión del sistema.

Otro mensaje aparecerá para verificar que usted está seguro que desea hacer el cambio.

Oprima la tecla “Yes” suavemente.

La pantalla del controlador de carga debería cambiar a la pantalla de estado

predeterminado, similar a la que se muestra en la figura 27. La pantalla de estado

muestra el voltaje de entrada y corriente de los módulos FV en la primera línea, el voltaje

de la salida y la corriente del Banco de baterías en la segunda línea, la potencia

instantánea y diario acumulado kWh en la tercera línea y el estado de salida auxiliar de

control y el modo de funcionamiento actual del cargador en la parte inferior.

Figura 27. Pantalla de estado por defecto del controlador de carga Fuente: Adaptado por los autores de Amatrol (2004) guía de instalación. Estados Unidos





Versión: 01


66

Si aparece la pantalla de estado, el controlador de carga está recibiendo energía a través

de los otros componentes. Si el controlador de carga ni la pantalla de estado enciende,

indica que existe un problema con uno de los otros componentes. Verifique todos los

interruptores, y si esto no corrige el problema, póngase en contacto con el auxiliar de

laboratorio o el docente encargado.

Mediciones

Tomar medición de voltaje y corriente a la salida de la caja combinadora

Tomar medición de voltaje y corriente a la salida del panel de distribución DC

Para medición de corriente y voltaje seguir el procedimiento de la figura 18 y 19.

Actividad

1. Llene los valores con las mediciones efectuadas

CONEXIÓN CIRCUITO

SERIE

VOLTAJE (V) (PV MOD1 + PVMOD 2)

CORRIENTE (A) (PV MOD1 + PV MOD 2)

POTENCIA (W)

CONEXIÓN CIRCUITO

PARALELO



POTENCIA (W)

CONEXIÓN CIRCUITO

SERIE

VOLTAJE (V) (salida panel de distribución DC)

CORRIENTE (A) (salida panel de distribución DC)

POTENCIA (W)

CONEXIÓN

CIRCUITOPARALELO

VOLTAJE (V) (salida panel de distribución DC)

CORRIENTE (A) (salida panel de distribución DC)

POTENCIA (W)

2. Realice un esquema de la conexión total para encender las cargas en DC de

acuerdo a la práctica realizada.


Software de instalación 950-SPT1 (CD). Amatrol. Estados Unidos.





Versión: 01


67

Práctica 6. Conexión del sistema independiente de la red en corriente alterna.

Fuente: Picktochart (2016)

Objetivos

Reconocer las conexiones necesarias de un sistema FV autónomo

Reconocer los elementos básicos en una conexión de un sistema autónomo

aislado de la Red eléctrica.

Introducción

Un sistema fotovoltaico autónomo funciona de manera independiente de la red eléctrica.

Un sistema autónomo utiliza un banco de baterías para proporcionar energía CC a un

inversor independiente. Los módulos fotovoltaicos (paneles FV) no suministran energía

al inversor. El único propósito de los módulos fotovoltaicos en un sistema autónomo es

para cargar las baterías, siempre y cuando haya suficiente luz.

Si no hay suficiente luminosidad para que los módulos fotovoltaicos puedan cargar las

baterías, el inversor autónomo se apaga después de que las baterías se descargan al

nivel mínimo permitido a menos que haya una fuente secundaria, como un generador o

turbina de viento, para cargar las baterías.

La salida del inversor aislado es conectada a cargas de CA, a través de un panel de

distribución CA. Dado que no proporcionan energía a la red o conexión con ella, los

inversores independientes no tienen que proporcionar una salida de onda sinusoidal

pura. Los sistemas autónomos o independientes son muy populares en lugares remotos

donde el acceso a la red eléctrica es limitado o inexistente.





Versión: 01


68


Materiales Equipos

Cables color rojo Cables color blanco Cables color verde Cables color azul claro Cables color gris

Carro del panel solar 95-SPA1 Tablero 950-SPT1 Caja combinadora Desconexión de matriz FV Controlador de carga Banco de baterías Inversor independiente Contador mecánico monofásico Interruptor de desconexión CA Panel de distribución CA Desconexión de Red Cargas CA y Duplex Outlet Multímetro Pinzas

Procedimiento 1. Se realiza una conexión en serie de los paneles fotovoltaicos. (Realizar la

conexión en serie con la ayuda de los cables, tal como se ve en la Figura 28).

Figura 28. Conexión en serie de los Paneles solares

Fuente: Los autores

2. Realizar la conexión de entrada a la “Desconexión de matriz FV” con los cables

provenientes de la salida de la caja combinadora. Luego conectar el controlador

de carga con los cables provenientes de la salida de la desconexión de matriz





Versión: 01


69

FV. la salida positiva (+) del controlador de carga se conecta al borne positivo

del (BAT 1) y la salida negativa (-) se conecta al borne negativo del (BAT 2), el

banco de baterías debe estar conectado en serie, tal y como se observa en la

figura.

Figura 29. Conexión sistema autónomo con banco de baterías en serie.

Fuente: Los autores

3. De las mismas terminales del banco de baterías se conecta el inversor

independiente, teniendo en cuenta de conectar la terminal positiva a la entrada

del DC BREAKER 1, ese mismo cable se conecta a la entrada DC del inversor

independiente (DC IN) desde la salida del DC BREAKER 1. En cuanto a la terminal

negativa que sale del banco de baterías se conecta directamente a la terminal

negativa de la entrada DC (DC IN). Hasta aquí hemos conectado la entrada DC

del inversor independiente. A la salida del inversor en AC (AC OUT) se conectan

una línea con carga (L) y una neutra (N) que van directamente a la entrada del

contador eléctrico mecánico (L1 y N), en la salida del contador, se conecta un

Tener en cuenta de configurar el Controlador de Carga en 24 voltios después de hacer la conexión del banco de baterías y haber

activado todas las protecciones)





Versión: 01


70

cable de L1 a L2 y el neutro (N) se conecta a la entrada del interruptor de

desconexión AC. Respecto a la otra línea se conecta un cable desde la entrada

del contador eléctrico mecánico (L2) hasta la entrada del interruptor de

desconexión AC.

Figura 30. Conexión sistema autónomo (inversor independiente y contador mecánico)

Fuente: Los autores

4. A la salida del interruptor de desconexión CA se conecta la línea con carga (L)

directamente al panel de distribución CA a la linea1 (L1) al igual que el neutro (N)

a la salida del panel de distribución CA se conecta la línea con carga (L) y el neutro

(N) directamente al Duplex Outlet y de este solo (L) va a un interruptor (interruptor





Versión: 01


71

3) y luego esa misma línea junto con el neutro cierran el circuito paralelo para

alimentar a las tres cargas CA. (todas las conexiones deben estar conectadas con

el polo a tierra.

Figura 31. Conexión sistema autónomo con cargas en AC

Fuente: Los autores



interruptores para proporcionar energía a las cargas. Luego seguir el procedimiento de

finalización de práctica descrito en la Figura 2. (Procedimiento para después de las

prácticas)

Mediciones

Para efectuar las mediciones de voltaje y corriente antes del inversor independiente se

sigue el procedimiento con el que se ha venido midiendo (figura 18-19), para mediciones

después del inversor se cambia tanto el multímetro como la pinza a configuración de

Corriente Alterna





Versión: 01


72

Actividad


CONEXIÓN CIRCUITO

SERIE

VOLTAJE (V) (PV MOD1 + PVMOD

2)

CORRIENTE (A) (PV MOD1 + PV MOD

2) POTENCIA (W)

CONEXIÓN

CIRCUITOPARALELO

VOLTAJE (V) (PV MOD1 + PVMOD

2)

CORRIENTE (A) (PV MOD1 + PV MOD

2) POTENCIA (W)

CONEXIÓN CIRCUITO

SERIE

VOLTAJE (V) (salida panel de distribución AC)

CORRIENTE (A) (salida panel de distribución AC)

POTENCIA (W)

CONEXIÓN

CIRCUITOPARALELO



POTENCIA (W)

2. Realice un esquema de la conexión total para encender las cargas en DC de








Versión: 01


73

Práctica 7. Conexión del sistema interactivo a la Red, sin respaldo de baterías. Uso del micro-

inversor y del Envoy

Objetivos

Monitorear de forma remota la producción fotovoltaica

Identificar el procedimiento general para verificar el estado, conexión y

funcionamiento del BSF.

Reconocer la importancia de los sistemas de comunicación en los sistemas

fotovoltaicos.

Introducción

El Banco posee un micro-inversor el cual es un tipo especial de inversor interactivo que

normalmente se instala directamente en el panel fotovoltaico. Los Micro-inversores son

pequeños en comparación con otros tipos de inversores para que puedan caber

fácilmente en el panel fotovoltaico. (Amatrol, 2016f)

El micro-inversor convierte la corriente continua (CC) directamente de los módulos

fotovoltaicos en AC. El voltaje de esta energía es compatible con la red eléctrica.

El micro inversor elimina la necesidad de conectar largas cadenas de módulos en serie

dándole más flexibilidad al diseño del sistema solar. Este tipo de inversor no requiere

batería de respaldo. El micro inversor está conectado a un sistema de comunicaciones

de Enphase, llamado Envoy. Esté recoge información sobre el rendimiento de cada

módulo solar en el sistema y transmite estos datos a la página web del proveedor:





Versión: 01


74

Enlighten, donde el usuario del sistema puede ver y gestionar de forma remota el

rendimiento de los módulos del sistema fotovoltaico.

En la siguiente ilustración (Ver Ilustración 3) se detalla el funcionamiento de cada uno

de los componentes del sistema para la transmisión de datos.

Ilustración 3. Función de los componentes del sistema para la transmisión de datos. Fuente: Los autores, adaptado de: (Enphase Energy Inc., 2014)

Materiales y equipos Para la correcta ejecución de esta práctica se necesitarán los siguientes elementos;

Materiales Equipos

Cables color rojo, blanco, verde, azul claro, café y gris.

Carro del panel solar 95-SPA1 Tablero 950-SPT1 Caja combinadora Microinversor y envoy AC distribution panel Grid disconnect (entrada de red) Contador eléctrico trifásico Cargas AC y Duplex Outlet Multimetro Pinzas





Versión: 01


75

Procedimiento

1. Se realiza una conexión en serie de los paneles fotovoltaicos (Realizar la conexión

en serie con la ayuda de los cables, tal como se ve en la figura).

Figura 32.Conexión en serie de paneles FV

Fuente: Los autores

2. Luego seguir con las conexiones de los demás elementos. Se conectan las salidas

de la caja combinadora directamente a las entradas del micro-inversor (PV

PANELS). El micro-inversor transforma la entrada (DC) en (AC) distribuidas en

L1, L2, L3 y Neutro las cuales se conectan a las cuatro líneas de salida del (AC

Distribution Panel).

Figura 33. Conexión micro-inversor

Fuente: Los autores





Versión: 01


76

Figura 34. Conexión a la red con contador eléctrico digital

Fuente: Los autores

En las entradas del AC DISTRIBUTION PANEL se ubican los cuatro cables provenientes

de la salida del medidor eléctrico y a las entradas del medidor se conectan los cuatro

cables y el polo a tierra proveniente de la RED eléctrica.





Versión: 01


77

Una vez hecho las conexiones, para suministrar corriente a las cargas (Lámparas) se

proceden a; Descubrir los paneles o módulos FV y encender todos los interruptores para

proporcionar energía a las cargas.

Asegúrese de tener la polaridad correcta cuando conecte el Duplex outlet ya que es


Procedimiento para conectar el envoy

Enchufe el Envoy a la toma corriente del banco; basta con conectar un cable de Ethernet

desde el Envoy a un Router de banda ancha. Los datos de rendimiento se transmiten a

través de protocolos de Ethernet de banda ancha para el acceso inmediato a la

información de rendimiento en la página web.

El Envoy trabaja en conjunto con el Micro-inversor de Enphase y el sitio web:

www.enlighten.enphaseenergy.com

Luego seguir el procedimiento de finalización de práctica descrito en la figura 2.

(Procedimiento para después de las prácticas)

Nota: Para ingresar a la página web de Enlighten es necesario tener la clave de acceso y haber registrado el micro-inversor previamente. (Consultar con el auxiliar del

laboratorio). Cuando en la pantalla del Envoy se indica (+WEB) significa que el Envoy está

conectado y comunicándose con los servicios de Enlighten. El número de barras que aparecen en el Envoy indica la intensidad de la señal de la comunicación entre el

Envoy y los micro-inversores conectados. Si en la pantalla se indica (-WEB), significa que no hay transmisión de datos, por lo tanto, verifique las conexiones nuevamente o consulte el manual de instalación y

operación del Envoy.

http://www.enlighten.enphaseenergy.com/





Versión: 01


78

Actividad

Medir la potencia producida por los paneles, y compare sí cambia el valor del

voltaje y la potencia cuando los módulos están en serie y/o paralelo. (Mediciones

antes de la entrada al micro-inversor).

MEDICIÓN Voltaje (V) Corriente (A) Potencia (W)

Serie

Medir voltaje a la entrada y salida del micro-inversor (Expliqué lo sucedido).

Explique la conveniencia de un sistema de comunicaciones en una instalación

fotovoltaica.


Manual de instalación y operación: Envoy Communications Gateway - http://enphase.com/sites/default/files/Envoy_Installation_and_Operation_NA.pdf Enlighten: www.enlighten.enphaseenergy.com

http://www.enlighten.enphaseenergy.com/





Versión: 01


79

Práctica 8. Conexión del sistema bimodal con conexión a un banco de baterías y a la red

Fuente: Amatrol (2016)

Objetivos

Establecer las conexiones necesarias para el uso del inversor bimodal.

Identificar las diferencias entre los 3 tipos de inversores del laboratorio.

La importancia de un contador eléctrico trifásico

Introducción

Los inversores bimodales incluyen las características de funcionamiento de un inversor

autónomo y un inversor interactivo, en una sola unidad. Ellos reciben energía de un

banco de baterías, que es cargada por el generador fotovoltaico al igual que los

inversores independientes.

La salida de un inversor bimodal está conectada en paralelo con la red de suministro

eléctrico como el inversor interactivo. El inversor proporciona energía a las cargas y

suministra cualquier exceso de energía a la red eléctrica.

La principal diferencia es que un inversor bimodal en realidad puede desconectarse de

la red y operar en modo autónomo cuando sea necesario, proporcionando energía para

cargas críticas, como computadoras, refrigeradores, bombas, y la iluminación.

Algunos inversores bimodales incluyen una función especial que les permite utilizar la

red eléctrica para cargar las baterías cuando no hay suficiente luz para la matriz FV para





Versión: 01


80

mantener las cargas. Esto es posible porque el inversor bimodal está conectado

directamente a la red.

El inversor bimodal rectifica la alimentación de línea, convirtiéndola en energía de CC

que está condicionado y se utiliza para cargar las baterías. Un inversor bimodal con esta

característica también incluye funciones MPPT de modo que mantiene la carga

adecuada en el banco de baterías.

Una instalación fotovoltaica conectada a la red con respaldo de batería incluye

componentes que se encuentran tanto en un sistema independiente y un sistema

interactivo. Contiene banco de baterías y el controlador de carga de un sistema

independiente.

Sin embargo, la instalación fotovoltaica conectada a la red con respaldo de batería

(bimodal) utiliza una carga sub-panel separado para alimentar cargas críticas durante los

cortes de energía de la red. (Amatrol, 2016g)


Materiales Equipos

Cables color rojo, blanco, verde, azul claro, café y gris.

Carro del panel solar 95-SPA1 Tablero 950-SPT1 Caja combinadora Desconexión de la matriz FV Controlador de carga Banco de baterias Inversor bimodal Contador mecánico monofásico Switch de desconexión CA Panel de distribución CA Desconexión de Red Contador eléctrico trifásico Cargas AC y Duplex Outlet Multímetro Pinzas





Versión: 01


81

Procedimiento

1. Se realiza una conexión en serie de los paneles fotovoltaicos (Realizar la conexión

en serie con la ayuda de los cables, tal como se ve en la Figura 35).

Figura 35. Conexión en serie de los paneles solares FV

Fuente: Los autores

2. Luego seguir con las conexiones de los demás elementos. Se conectan las salidas

de la caja combinadora directamente a las entradas de la desconexión de la matriz

FV, cuyas salidas se conectan a la entrada del controlador de carga. La salida del

controlador de carga se conecta a las terminales del banco de baterías el borne (+)

se conecta al BAT 1 y el borne negativo (-) al BAT 2. Las baterías deben estar

conectadas en serie.

Figura 36. Conexión del controlador de carga y banco de baterías en serie

Fuente: Los autores





Versión: 01


82

3. De las mismas terminales del banco de baterías se conecta el inversor bimodal,

teniendo en cuenta conectar la terminal positiva (+) a la entrada del DC BREAKER 1,

ese mismo cable se conecta a la entrada DC, del inversor bimodal (DC IN) desde la

salida del DC BREAKER 1. En cuanto a la terminal negativa (-) que sale del banco

de baterías se conecta directamente a la terminal negativa de la entrada DC (DC IN).

A la salida del inversor en AC (AC OUT) se conectan una línea con carga (L) y una

neutra (N) que van directamente a la entrada del contador eléctrico mecánico (L1 y

N), en la salida del contador, se conecta un cable de L1 a L2 y el neutro (N) se conecta

a la entrada del interruptor de desconexión AC. Respecto a la otra línea se conecta

un cable desde la entrada del contador eléctrico mecánico (L2) hasta la entrada del

interruptor de desconexión AC.

A la salida del interruptor de desconexión AC se conecta la línea con carga (L)

directamente a un interruptor (interruptor 3) y luego esa misma línea se conecta a la

carga AC que se elija conectar, respecto a la línea neutra (N) se conecta un cable

desde la salida del interruptor de desconexión AC directamente a la carga que se elija

encender.

Figura 37. Conexión del Inversor bimodal con salida para cargas AC Fuente: Los autores

4. La conexión para la entrada en AC del inversor bimodal (AC IN) se describe a

continuación;





Versión: 01


83

De la entrada (AC IN) se desprenden dos cables que son conectados directamente a la

salida del contador eléctrico digital (L1 y N), el contador cuenta con tres líneas y una

línea neutra (L1, L2, L3 Y N) las cuales se conectan en las entradas del panel de

distribución AC, quien a su vez alimentará las cargas. Respecto a la entrada del contador

eléctrico se conectan los cuatro cables y el polo a tierra proveniente de la RED eléctrica.

A la salida del panel de distribución AC se conectan las tres cargas y el dúplex outlet en

conexión paralelo.

Figura 38. Conexión del Inversor bimodal con entrada en AC proveniente de la Red

Fuente: Los autores

Una vez hecho las conexiones, para suministrar corriente a las cargas (Lámparas) se

proceden a; Descubrir los paneles o módulos FV y encender todos los interruptores para

proporcionar energía a las cargas.

Asegúrese de tener la polaridad correcta cuando conecte el Duplex outlet ya que es


Luego seguir el procedimiento de finalización de práctica descrito en la figura 2.

(Procedimiento para después de las prácticas)





Versión: 01


84

Mediciones

El multímetro y la pinza deben estar en CA cuando se dese medir el valor de corriente y

voltaje después de utilizar el inversor. Para mediciones de CC utilizar el procedimiento

en la figura 18 y19.

Actividad


CONEXIÓN CIRCUITO

SERIE



POTENCIA (W)

CONEXIÓN

CIRCUITOPARALELO



POTENCIA (W)

CONEXIÓN CIRCUITO

SERIE



POTENCIA (W)

CONEXIÓN

CIRCUITOPARALELO



POTENCIA (W)

2. Realice un esquema de la conexión total para encender las cargas en CA de








Versión: 01


85

Práctica 9. Medición de la energía consumida (Contador mecánico o de rueda)

Objetivo de aprendizaje

Reconocer la importancia de registrar y medir el consumo de la energía eléctrica en

una IED.

Introducción

Un vatihorímetro o también conocido como contador mecánico de rueda, es un

instrumento “destinado a medir la energía activa mediante la integración de la potencia

activa con respecto al tiempo” (International Electrotechnical Commission, 2001) o, en

otras palabras, a medir el consumo de energía eléctrica de un circuito, en un periodo de

tiempo determinado.

Un contador mide el trabajo eléctrico en Kilovatios hora (kWh).

Conversión:

De acuerdo a (Batian et al, 2001) “el contador mecánico tiene tres bobinas. Una bobina

de tensión y dos de corriente conectadas en serie. Las dos últimas producen campos

magnéticos, el cual pone en movimiento una placa circular en el contador”

1 kWh = 1000 Wh = 3600 kJ

Fuente: Los Autores





Versión: 01


86

“El campo magnético de las bobinas da un resultado vectorial tal, que produce el giro

sobre el disco. Estos giros son proporcionales a la potencia consumida por el circuito”.

(Vatihorímetro, s.f.)

Procedimiento Circuitos y conexión del contador

El procedimiento tan solo se basa en identificar en las siguientes imágenes, la conexión

de los circuitos, por color, y en que abertura (entradas y las salidas). La Figura 39 y 40

son una pauta para realizar la conexión, con CC y CA.

Figura 39. – Conexión del contador

Nota: Circuitos conectados a la corriente alterna directamente.

Fuente: Los Autores

Instrucciones: Antes de conectar el equipo, se debe realizar el circuito. Primero, tomar varios cables (preferiblemente de dos colores diferentes, en este ejemplo usaremos el

azul y el blanco), luego empezar desde la caja (De conexión a la red), hasta la salida de la caja de distribución, y sacar una conexión por la entrada de esta hasta la entrada del contador, para finalmente sacar dos cables, uno del L2 y el otro de N, hasta la entrada

de la toma corriente de aparatos eléctricos. Nota: En las conexiones en las que haya oportunidad para realizar una conexión a

tierra siempre es necesario hacer la conexión.





Versión: 01


87

Figura 40. - Circuitos conectados a la corriente continua proveniente del módulo solar.

Fuente: Los Autores

Instrucciones: Antes de conectar el equipo, se debe realizar el circuito. Primero, tomar varios cables (preferiblemente de dos colores diferentes, en este ejemplo usaremos el rojo

y el blanco), luego empezar con una conexión en (PARALEO O SERIE) desde el combinador de entrada de los módulos (COMBINER INPUT), hasta la salida de la caja

combinadora, y sacar una conexión hasta la entrada del contador; sacar dos cables de la salida del contador, hasta la entrada de la toma corriente de aparatos eléctricos.

Nota: En las conexiones en las que haya oportunidad para realizar una conexión a tierra siempre es necesario hacer la conexión.





Versión: 01


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Actividad El contador tiene una constante (ubicarla en la placa), esta indica el número de vueltas que da el disco del contador cuando se consume 1 kWh.

Lo primero es hacer los circuitos con sus respectivas conexiones, conectando el contador. Luego, enchufar solamente un aparato, preferiblemente que registre un alto consumo y que el banco esté conectado con corriente continua, proveniente de la red, pues con la energía producida por el módulo resulta muy dificultoso ya que es baja la cantidad de energía que este ofrece; por último, solamente es contar las vueltas que registre el consumo del aparato, durante un minuto, y se calcula el número de vueltas para una hora.

Calcular la potencia consumida

Equipos - contador y un reloj.

Ejemplo: El contador cuya constante es C = 150 * 1 kWh, tiene conectado un calefactor.

Este contador gira cinco veces en un minuto. ¿Qué potencia eléctrica consume el

calefactor?

𝑃 = 𝑛

𝐶=

5 ∗ 60 1/h

150/ kWh = 𝟐 𝒌𝑾


International Electrotechnical Commission. (Julio de 2001). Electropedia. Recuperado el 10 de marzo de 2016, de http://goo.gl/gv0Ood

Comisión Federal de Energía - lectura de medidor: https://goo.gl/IIC4F9

Nota: El contador mecánico del BSF del Laboratorio de Servicios Públicos tiene una constante C= 200.

http://goo.gl/gv0Ood

https://goo.gl/IIC4F9





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Práctica 10. Medición de la energía consumida (Contador electrónico)


Reconocer la importancia de registrar y medir el consumo de la energía eléctrica

para una instalación trifásica.

Introducción

Aunque el manual está destinado para aplicarse en las IED, es preciso tener una visión

de las instalaciones eléctricas trifásicas, las cuales generalmente solo se encuentran en

las instalaciones industriales.

En las instalaciones solares fotovoltaicas que están conectadas a la red y que producen

energía para el sistema, pero que no es consumida por las cargas instaladas en la

instalación, sino vendida a la red eléctrica, existen dos contadores: “Uno para la energía

producida a la venta, y otro para la energía que consume las cargas conectadas a la

instalación”. (Componentes de una instalación fotovoltaica, 2016)

De acuerdo a (Universidad de San Buenaventura, S.f)

“en los medidores electrónicos la medición de energía se efectúa a través de un proceso

análogo-digital por medio de un microprocesador y memorias. Este tipo de medidores se

diferencian de los medidores mecánicos, básicamente porque pueden registrar otros

parámetros adicionales, como el factor de potencia, la energía reactiva, etc.”.





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Procedimiento Circuitos y conexión del contador electrónico

El procedimiento tan solo se basa en identificar en las siguientes imágenes, la conexión

de los circuitos, por color, y en que abertura (entradas y las salidas). La Figura 41, es

una pauta para realizar la conexión (solo con CA).

Figura 41. Conexión contador electrónico

Fuente: Los Autores

Nota: Aunque este tipo de contadores son trifásicos, la conexión final a la toma corriente solo se hace con el cable neutro y con L1, L2 o L3, dependiendo el voltaje que queremos que llegue. L1, 120 V, L2,

240 V y L3, 480 V.





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Actividad

1. Realizar la conexión (esquema) y tomar lectura del consumo eléctrico antes y después de conectar todas las cargas en AC.

Antes de encender las cargas Después de encender las cargas

Lectura: Lectura:

Esquema

2. Describa el consumo de las Cargas después de que estas hayan estado conectadas durante 30 minutos.


Bolto W, (1995) Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas, capítulo 12. Barcelona





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México: Universidad Autónoma de baja California.





Versión: 01


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Anexos

1. Conexión de cargas en DC en Serie y Paralelo

Fuente: Los Autores





Versión: 01


2. Conexión sistema independiente de la red

Fuente: Los Autores





Versión: 01


3. Conexión sistema interactivo con la red, sin batería de respaldo

Fuente: Los Autores





Versión: 01


4. Conexión sistema bimodal con conexión a red y baterías de respaldo.

Fuente: Los Autores





Versión: 01


5. Formato de estandarización de pruebas en el laboratorio de servicios públicos.

Documents

Estudio de reconocimiento de la Energía Solar ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/4778/2/Anexo 1 Manual... · presentación del material que aquí se incluye no ... Estudio