Método de dimensionamiento super simplificado para sistemas solares fotovoltaicos utilizado en el taller dictado por Garage Lab. 2013

1. [Energía Solar Fotovoltaica]
Taller
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
[Julio 2013]
Instructor: Tec. Pablo Maril
15-6276-2046
http://www.pablomaril.com.ar
pablo_maril@yahoo.com.ar
@pmaril
http://www.facebook.com/energiasolarfotovoltaica
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2. [Energía Solar Fotovoltaica]
El Sol: Fuente de energía
El Sol es la principal fuente de energía. Alrededor de él giran todos los planetas de nuestro sistema.
En su núcleo se producen poderosas fusiones nucleares, que liberan una gran cantidad de energía. Esta
energía viaja en forma de radiación electromagnética hasta llegar a la tierra.
La energía irradiada por el sol en todas direcciones es:
400.000. 000. 000. 000. 000. 000. 000 = 4x1023
Watts
Y la que recibe la tierra:
Esta inmensa energía, viaja hacía todas las direcciones del universo, donde sólo una ínfima parte de ella es
captada por la Tierra, tardando solamente 8 minutos en recorrer los 150 millones de kilómetros que hay
entre el Sol y la Tierra hasta llegar al exterior de la atmósfera de nuestro planeta, incidiendo con una
intensidad constante de 1353 W/m2
, llamada constante solar.
La porción de energía que llega a la Tierra es de :
170. 000. 000. 000. 000. 000. = 17x1016
Watts
Dicho valor es :
- 141 millones de veces más grande que la Central Hidroeléctrica del Chocón o 38 millones de veces más
que la Central Hidroeléctrica de Yacíreta.
- 130.000 veces más que la potencia de todas las centrales eléctricas de la Tierra trabajando juntas.
Este valor (1353 W/m2
) es conocido como IRRADIACIA, y la unidad mas común es la de W/m2
. Podríamos
decir que es la POTENCIA (recordemos el término) que tiene la luz solar en una superficie de 1m2
, la
INTENSIDAD de la luz solar, se calcula que en la superficie terrestre se reciben 1000 W/m2
perdiendo parte
de su intensidad al atravesar la atmósfera.
Podemos conocer los valores estimados y calculados a través del link de NASA's Applied Science Program
in the Science Mission Directorate developed by POWER: Prediction of Worldwide Energy Resource Project:
http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/sse.cgi?+s01#s01
Estos valores son conocidos como IRRADIACION o INSOLACION y se corresponden con la ENERGIA
(Potencia x unidad de tiempo = Wh) por unidad de superficie. La unidad mas común es el kWh/m2
.
¿Cómo utilizamos estos valores?
Para "dimensionar" o proyectar cualquier instalación fotovoltaica necesitamos, en principio, conocer:
- Nuestra DEMANDA, o consumo energético.
- Nuestro RECURSO, o irradiación en el sitio de emplazamiento de la instalación.
- El tamaño y características del SISTEMA FV.
Empecemos con la DEMANDA.
Para conocer nuestra demanda, se cual fuere, debemos realizar una sencilla investigación de los artefactos
que debemos alimentar, su POTENCIA y la cantidad de horas de utilización de los mismos, con lo que
obtendremos la ENERGIA necesaria.
Ambiente Artefacto
Potencia
nominal [W]
Cantidad
Potencia x
Cantidad
Horas de Uso / día
[h/día]
Subtotal
[Wh/día]
Cocina
Receptor de
radio
10 1 10 7 70
Taller Luz ambiente 30 2 60 3 180
Demanda de potencia máxima simultánea [DPMS]
∑ Potencia x Cantidad
70 W
Total de consumo
[Cd1]
250
Esta tabla es un ejemplo, pero sirve para conocer los datos mas importantes sobre la DEMANDA en
POTENCIA Y ENERGIA.
El resultado de la sumatoria en la columna de "Potencia x Cantidad" nos brinda la información necesaria
para elegir los cables, los elementos de seguridad, y algunos sistemas que podríamos necesitar como
inversores, por ejemplo.
En este caso, son 70W.
Por último obtenemos la sumatoria del subtotal de la energía consumida diariamente por nuestro equipo o
instalación, para el ejemplo 250 Wh/día.
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Sistemas fotovoltaicos
Antes de seguir avanzando, miremos un poco los componentes de un Sistema Fotovoltaico [FV]
asincrónico, como el que estaremos dimensionando.
La Celda o Célula Fotovoltaica
Recordamos la denominación de escala para los componentes del generador fotovoltaico, y nos iremos
concentrando en cada uno de ellos:
Vemos en principio las celdas
(cell), que conectadas en series y
paralelos forman el módulo o
panel (module or panel), con
estos módulos o paneles creamos
una fila, serie, cuerda o cadena
(PV String) y varias de estas
series, cuerdas o cadenas forman
el arreglo (Array).
Un módulo fotovoltaico,
generalmente, está compuesto
por grupos de celdas fotovoltaicas
en serie y paralelo, con la
finalidad de llegar a una tensión y
corriente utilizable.
Nuestro GENERADOR estará compuesto por uno o mas módulos FV.
El Regulador de Carga
El trabajo que hace el regulador de carga es MUY IMPORTANTE, ya que monitorea constantemente el
estado de carga de la batería, y actúa en consecuencia, protegiéndola de descargas profundas,
sobrecargas, y que realiza varias tareas de mantenimiento preventivas (dependiendo del tipo de equipo)
que harán que el banco de baterías dure mucho mas tiempo.
Visualización
de Carga
Visualización
de estado de Carga
Visualización
de estado de
Consumo
El Banco de Baterías
Nuestro sistemas básico es ASINCRONICO, con esto queremos decir que durante el día acumulamos
energía en baterías, y durante la noche consumimos esa energía.
Para que este proceso se pueda llevar a cabo, contamos con las baterías.
Esta tecnología lleva ya muchos años entre nosotros, y manejamos con
comodidad.
En Sistemas FV utilizamos baterías de CICLO PROFUNDO o SOLARES,
que soportan descargas del 70% de su capacidad sin sufrir daños.
Dependiendo de la aplicación, se consiguen en 12V, 6V y 2V.
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4. [Energía Solar Fotovoltaica]
Determinando el RECURSO
Utilizamos la fuente de datos de NASA's Applied Science Program in the Science Mission Directorate
developed by POWER: Prediction of Worldwide Energy Resource Project
http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/sse.cgi?+s01#s01
En el sitio debemos elegir "Data tables for a
particular location", que nos llevará a una
página de registro (gratuito) donde nos pedirá el
correo y una contraseña.
Luego ingresaremos las coordenadas en
Latitud y Longitud, en notación decimal.
Entre una cantidad grande de opciones que
ofrece la plataforma debemos elegir "Radiation
on ecuator-tilted surfaces" ya que los módulos
deben orientarse hacia el ecuador, y contar una
inclinación determinada (normalmente Latitud +
15º) para lograr su mejor funcionamiento
durante todo el año.
Por último llegamos a la
tabla de valores, donde
figuran los datos de
IRRADIACION promedio
diaria para determinados
meses y con valores
determinados de inclinación
(Tilt).
Elegimos, si el sistema es
utilizado todo el año y esta
fijo, Tilt 49 y la columna de
Junio (peor mes del año) lo
que nos da un valor de 3,62.
Este valor esta dado en Horas Solares Pico [HSP] o [kWh / m2
día], y es la energía que recibiremos
diariamente por unidad de superficie, y que necesitamos para elegir nuestro generador.
Si observamos la tabla, veremos que los valores varían según la inclinación y el mes del año, por lo que
debemos pensar su nuestro sistema debe actuar todo el año, o en un período determinado. Con ese dato,
podemos elegir la mejor inclinación para el período elegido.
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5. [Energía Solar Fotovoltaica]
Eligiendo el Generador
Este método no utiliza las corrientes y tensiones involucradas en el sistema ya que trata el generador y el
acumulador en vatios [W], por lo que debemos siempre tomar este valor como referencia y considerar que
las tensiones a las que trabaje el sistema deben ser las mismas a lo largo del mismo.
La fórmula que utilizamos para determinar la potencia instalada en [Wp] de nuestro generador es la
siguiente:
NP =
Fs x Cd
HSP x PFP x 0,8
Donde:
Fs: Factor de seguridad que considera el envejecimiento del panel, rendimientos, etc. = 1,2
Cd: Demanda diaria de energía diaria.
HPS: Horas equivalentes de máxima radiación radiación.
PFP: Es la Potencia pico del panel elegido según su fabricante.
0,8: Los módulos fotovoltaicos pierden eficiencia con la temperatura, y muy rara vez trabajan al valor
nominal entregado por el fabricante, por lo que debemos corregir este valor..
NP =
1,2 x 250 Wh / día
3,62 HSP x 60 Wp x 0,6
Esta cuenta nos da un valor de 2,3 por lo que redondeamos en 2 módulos de 60 Wp conectados en
paralelo, o buscaremos otro módulo, que se acerque al valor esperado redondo, por ejemplo 35Wp => 4.
Banco de Baterías
Para el banco de baterías se utiliza una ecuación similar. Recordemos siempre que en este método
utilizamos las unidades en vatios hora [Wh]; por lo tanto las baterías debemos incluirlas en esta unidad de
almacenamiento de energía.
NB =
Cd x Da
(ALM x Pd)
NB: Número de baterías.
Cd: Demanda diaria de energía.
Da: Tiempo de autonomía del sistema, normalmente entre 3 y 5, dependiendo de los días nublados (dato
que podemos sacar también de la tabla).
ALM: Capacidad de almacenamiento de la batería en Wh.
Pd: Profundidad de descarga recomendada por el fabricante. Mantendremos 0,7.
Elegiremos baterías de 165 Ah, solo para este ejemplo, y una tensión nominal de 12 V, nos da una
capacidad de: 45 [Ah] x 12 [V] = 540 [Wh]
NB =
250 Wh / día x 3 días
(540 Wh x 0,7)
Esto nos da 1,98 baterías de 45 Ah conectadas en paralelo.
El regulador
Por último, pero no por ello menos importante, debemos seleccionar un regulador de carga, para ello
usamos el valor de la DPMS (70 W) y dividiéndolo por la tensión del sistema (12V) obtendremos un valor de
corriente de consumo, que deberá manejar el regulador.
Para estos valores son 5,8 A.
Por otro lado, el regulador debe también regular la corriente proveniente desde los módulos. Si calculamos
2 módulos de 60 Wp y el sistema es de 12V, tenemos (2x60W)/12V = 10 A.
Esto nos dice que un regulador de carga que maneje 10 A estará muy justo, y deberíamos ir a uno de 20A.
Con esta última elección tendremos armado el sistema básico fotovoltaico para nuestra demanda.
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