Instalaciones Solares Fotovoltaicas

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Las maneras de generar energía eléctrica se pueden dividir en dos bloques

  1. Con fuentes de energía renovable
  2. Con fuentes de energía no renovables.
A continuación se explica cada uno de ellos mediante una breve explicación, un vídeo y una fotografía del sistema.

Energías renovables

Definición: No se agotan con el uso, ya que la naturaleza las transforma de alguna manera para poderlas reutilizar. No siempre están disponibles cuando se necesitan.

-Transforma la energía luminosa del sol en electricidad de corriente continua a través de paneles fotovoltaicos.
-Se usa en lugares a los que no llegan las compañías eléctricas, aplicaciones espaciales, como generador de energía eléctrica de autoconsumo, etc.
-El coste por kilovatio es dos veces superior al de una central térmica o nuclear y emplea para ello bastante más superficie. 
-Esta energía solo está disponible cuando hace sol.
-Transforma la fuerza del viento en movimiento a través de sus hélices, para mover un generador eléctrico de corriente alterna.
-Ha de estar situado en un lugar suficientemente alto para aprovechar la fuerza el viento.
-Esta energía solo está disponible si hace viento.
-Transforma la energía calorífica del sol para calentar agua.
-Se utiliza para calefacción en viviendas o agua caliente sanitaria (ACS) y para cocinar con cocinas solares.
-Solo está disponible cuando hace sol.
  • Energía de combustión de biomasa (Vídeo):
-Transforma el calor producido en la combustión de la biomasa en calor.
-El calor mueve una turbina que conectada a un generador produce electricidad.
-Se puede quemar madera, pellet, hueso de aceituna, astillas, etc.
-Tiene efecto neutro sobre el CO2. El CO2 producido en la combustión se compensa con el oxígeno que se generó en la vida del árbol.
-Está disponible siempre que se necesita.


-Utiliza el movimiento del agua del mar para mover turbinas que generan electricidad.
-Está disponible cuando hay olas y cambios en las mareas.


-Transforma el calor del interior de la tierra en energía que mueve turbinas para generar electricidad.
-Puede utilizarse como sistema de apoyo de otros sistemas de generación de energía.
-Siempre está disponible.


-Aprovecha la fuerza del agua que sale de los embalses de un embalse para mover turbinas que generan electricidad.
-La fuerza del agua se almacena en forma de energía potencial.
-Está disponible siempre que el embalse tenga suficiente agua.
-Se puede poner en marcha y parar en función de las necesidades energéticas.



Energías no renovables

Definición: Son fuentes de energía limitadas que se agotan con el uso. Cuando se agotan no se regeneran a corto plazo y no vuelven a estar disponibles.
  • Gasolina, gasóleo, petroleo
-Aprovecha el calor de la combustión para generar un movimiento mecánico, que se aprovecha para generar electricidad mediante turbinas.
-El nivel de contaminación producido es alto y favorece el efecto invernadero y el calentamiento global.
-Siempre está disponible mientras se tenga combustible suficiente.

  • Gas butano y propano.
-Aprovecha el calor de la combustión para generar un movimiento mecánico, que se aprovecha para generar electricidad mediante turbinas.
-El nivel de contaminación producido es alto y favorece el efecto invernadero y el calentamiento global.
-Contamina menos que los combustibles anteriores. Es una energía más límpia.
-Siempre está disponible mientras se tenga combustible suficiente.

-

Clasificación de la energía

  • Energía primaria: Es la energía tal y como se encuentra en la naturaleza, sin ningún tipo de transformación.
  • Energía final: Es la energía que se obtiene en los puntos de consumo, normalmente ha sufrido algún tipo de transformación para que llegue de una manera cómoda al usuario final. La energía final obtenida siempre es inferior a la energía primaria de la que se obtuvo esta. Se puede calcular su valor con la fórmula   Energía final = Energía primaria - Pérdidas de Transformación - Pérdidas de Transporte.
  • Energía útil: Es la energía utilizada realmente en el punto final incluyendo las pérdidas que producen los equipos finales de usuario. Por ejemplo una caldera de gas convencional solo produce 0,8Kw por cada Kw de gas consumido, ya que no es capaz de aprovechar todo el poder calorífico del combustible con un rendimiento pequeño (80%). Una de gas de condensación produce 1,1Kw por cada Kw de gas consumido, con lo que tiene un rendimiento mayor (110%).

La energía en el mundo

En los siguientes gráficos se puede ver que tipos de tecnología se utilizan en España y en el mundo para obtener la energía que se consume en la actualidad y los porcentajes de utilización.
En el siguiente gráfico se puede observar de donde obtiene España la energía en el año 2015.


A nivel mundial las energías consumidas provienen de:

Las reservas de combustibles son:


Las 10 mayores reservas de combustible:

Los combustibles se agotarán:

El efecto invernadero

Es un efecto por el que aumenta la temperatura ambiente de las ciudades o incluso a nivel mundial debido a la acumulación de gases conocidos como de efecto invernadero, como lo es el dióxido de carbono. Actualmente se trata de reducir la emisión de gases contaminantes al máximo para evitar el aumento de este efecto sobre todo en las grandes ciudades. En el siguiente dibujo se ve como actúa el efecto invernadero.

El protocolo de Kioto

Es un acuerdo internacional que tiene por objetivo reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global:  Dióxido de carbono (CO2), gas metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), y los gases fluorados: hidrofluorocarburos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre. En la siguiente imagen se pueden ver los países que están comprometidos con dicho protocolo y cuales no.
En este aspecto España se comprometió a limitar el aumento de sus emisiones un máximo del 15 % en relación al año base. Pero es el país miembro que menos posibilidades tiene de cumplir lo pactado. El incremento de sus emisiones en relación a 1990 durante los últimos años ha sido como sigue: 1996: 7 %; 1997: 15 %; 1998: 18 %; 1999: 28 %; 2000: 33 %; 2001: 33 %; 2002: 39 %; 2003: 41 %; 2004: 47 %; 2005: 52 %; 2006: 49 %; 2007: 52 %; 2008: 42,7 %.

Vídeos relacionados

Quien hace la luz

Cómo se fabrica una celda solar

Fabricación de celdas solares

Cómo funciona un Panel Solar Fotovoltaico

CONCEPTOS Y MOVIMIENTOS DEL SOL Y LA TIERRA

La energía que proviene del sol es la responsable de las fuentes de energía que se utilizan en la actualidad, entre ellas:
  • La arquitectura bioclimática, a través del efecto invernadero. Ver libro Energía renovable Práctica
  • El viento producido por las diferencias de presión producida por los cambios de temperatura.
  • Los combustibles fósiles que provienen de la energía del sol.
  • La energía solar térmica y fotovoltaica.

Movimiento de la tierra

En la siguiente imagen se puede apreciar el movimiento de la tierra alrededor del sol, los solsticios de verano e invierno, los equinoccios de primavera y otoño junto con sus fechas. Observar también la inclinación del eje de la tierra puesto que es el que marca las temporadas de verano e invierno en los hemisferios terrestres.


En la imagen de más abajo se puede apreciar la distancia de la tierra al sol en cada una de las posiciones que toma alrededor del sol. Aparece el concepto de AU (Unidad Astronómica), que es la distancia de la tierra al sol en los equinoccios de primavera y otoño.

En la siguiente imagen se puede apreciar como el 21 de diciembre es invierno en el polo norte y verano en polo sur


También hay que saber que la inclinación del eje de la tierra es de 23,27º con respecto al plano de la eclíptica.


En la siguiente imagen se puede ver como están organizadas las coordenadas geográficas de la tierra, de manera que se puede localizar cualquier punto del globo terráqueo con ellas de manera precisa.


Links:

La carta solar

A continuación se muestran varios tipos de cartas solares. Se utilizan para determinar la altitud y azimut del sol en un momento determinado y en una fecha determinada para una latitud concreta. También se puede obtener la hora de salida y puesta del sol para cada época del año.

Darse cuenta que en la carta solar se repiten las lineas de tiempo para los meses de Enero-Noviembre, Febrero-Octubre, Marzo-Septiembre, Abril-Agosto y Mayo-Julio, ya que las posiciones del sol para esos meses son las mismas.

Hay que tener en cuenta que las cartas solares están diseñadas para la zona horaria 0, (GMT) o hora Zulú. En España se utilizan dos horarios, de invierno y de verano. En horario de invierno la hora que se utiliza es la GMT+1 y en verano GMT+2. Este cambio se hace para un supuesto ahorro de energía que se obtiene al aprovechar más las horas del sol.

En las siguientes imágenes se puede ver por donde pasa el meridiano de Greenwich por España y las distintas zonas horarias que se utilizan en el mundo.


El horario de invierno en España va desde el último domingo de Octubre hasta el último domingo de Marzo

El horario de verano en España va desde el último domingo de Marzo hasta el último domingo de Octubre.

Carta solar esférica de Madrid


Carta solar 3D de Sevilla


Carta solar cilíndrica de Madrid


Carta solar Latitud 40º para zona horaria GMT+2

En el siguiente Link se pueden introducir los datos de cualquier punto del globo terráqueo y calcular la hora de salida y puesta del sol.
En el siguiente Link se puede ver la carta solar de cualquier lugar. Otras herramientas están disponibles en http://www.sunearthtools.com
Otro Link con acceso a las horas de salida y puesta del sol. Gobierno Español

La radiación solar

La radiación solar es la energía que se recibe del sol en forma de energía luminosa y térmica, la que interesa para las instalaciones fotovoltaicas es la primera, que se presenta en tres formatos distintos:


  • Radiación directa (I): Son los rayos que provienen del sol
  • Radiación difusa (D): Es la luz solar que proviene de la bóveda terrestre y que que no llega de forma directa del sol. Es la energía que se recibe en días nublados, en los que la luz es dispersada por las nubes.
  • Radiación reflejada o de albedo (R): Es la luz recibida por efecto de la reflexión de la luz en las montañas, el suelo, agua, edificios, etc.

La radiación solar se mide en W/m2, su valor máximo medido en la tierra en plena luz del día y en verano es de 1000W/m2
Medido por satélites y fuera de la atmósfera terrestre, se han calculado valores de unos 1366W/m2. A este valor se le conoce como constante solar.

Para medir la potencia solar disponible en una instalación se utilizan los siguientes parámetros:
  • Irradiancia: Potencia solar recibida por unidad de superficie. Se mide en W/m2
  • Irradiación: Suma de la irradiancia a lo largo de un periodo de tiempo determinado. Se mide en Wh/m2. En la siguiente imagen se puede apreciar la irradiación media recibida en España.

LA CÉLULA SOLAR

Estructura

Características

Las características de la célula solar las da el fabricante para una radiación solar de 1000W/m2 y una temperatura de 25ºC. Las características fundamentales son:
  • Voltaje en circuito abierto (VOC): Es el voltaje que máximo que se puede obtener en la célula solar cuando no tiene conectada ninguna carga a su salida. Su valor marca el voltaje máximo que puede tener el regulador de una instalación fotovoltaica en determinadas condiciones de trabajo.
  • Intensidad de cortocircuito (ISC): Es la intensidad máxima que se puede obtener de la célula solar cuando se ponen sus terminales de salida en cortocircuito.  Su valor marca la intensidad máxima que puede presentarse en los paneles solares de una instalación en determinadas condiciones de trabajo.
  • Voltaje a máxima potencia (VMP): Es el voltaje que tiene el panel solar cuando trabaja a su máxima potencia de salida. 
  • Intensidad a máxima potencia (IMP): Es la intensidad que genera un panel solar en su máxima potencia de salida. 
  • Potencia máxima (PMP): Es la potencia máxima que puede entregar un panel solar. Pmp = Vmp x Imp
  • Factor de forma (FF): Es la relación entre la potencia máxima que puede entregar la célula solar y el producto del voltaje en circuito abierto y la corriente de cortocircuito. Suele tener un valor entre 0,7 y 0,8. 
  • Rendimiento: Indica el porcentaje de energía solar que se aprovecha del sol. Con la tecnología actual solo se han conseguido rendimientos de un 25% en paneles monocristalinos.
Para el panel solar IS-10 de Isofotón (De 10W de potencia) los parámetros que da el fabricante son:
  • Potencia máxima: 10W  +- 10%
  • Intensidad en cortocircuito: 0,82 A
  • Tensión en circuito abierto: 21,6 V
  • Intensidad a máxima potencia: 0,58 A
  • Tensión a máxima potencia: 17,4 V

Orientación


La inclinación de un panel solar se rige según la siguiente fórmula βopt = |ɸ|, en donde:
  • βopt: ángulo de inclinación óptima (grados)
  • |ɸ|: latitud del lugar, sin signo (grados)

Pero atendiendo según que necesidades se ha de aplicar:

Inclinación de un panel solar. Link
Distancia entre paneles solares. Link
Software cálculos sombreado. Link

El módulo fotovoltaico


Los módulos fotovoltaicos pueden estar compuestos por distinto número de celdas y por lo tanto su aplicación varía en función de estas:
  • Módulo de 36 celdas y 12V. Funciona con cualquier regulador, tanto PWM y MPPT
  • Módulo de 72 celdas y 24V. Funciona con cualquier regulador, tanto PWM y MPPT
  • Módulo de 60 celdas y 24V. Funciona solo con el regulador PWM, más caro que el PWM, aunque el panel es más barato.
El rendimiento máximo de un panel solar fotovoltaico esté entre 15-16%, hay un modelo de LG que llega al 20% pero es más caro.

Prácticas





EL REGULADOR SOLAR

Hay dos tipos de reguladores de carga PWM y MPPT.

El regulador MPPT solo funciona con paneles de 36 ó 72 celdas y son más baratos que los PWM.

El regulador PWM se puede poner en paralelo con otros reguladores del mismo modelo, manejan más potencia, pueden trabajar con cualquier tipo de panel solar fotovoltaico, pero son más caros que lo MPPT

TIPOS DE INSTALACIÓN SOLAR

Existen varios tipos de instalaciones solares, dependiendo de la aplicación final de la energía y el tipo de instalación. Estas son:
  • Instalación fotovoltaica aislada: Este tipo de instalación funciona totalmente aparte de la instalación eléctrica convencional y ha de cumplir el requisito de poderse conectar a la red eléctrica de la compañía. Está formada por el conjunto de paneles solares, regulador, baterías a inversor. Proporciona electricidad totalmente gratis al usuario, lógicamente inversión aparte.
En este tipo de instalación el coste de la inversión se suele dividir como:
- 10% El regulador
- 20% El inversor-cargador
- 1%   Monitorización
- 40% Baterías
- 9%   El material eléctrico
- 20% Paneles solares

El grupo electrógeno necesario para garantizar el suministro de la instalación no estaría incluido en el presupuesto.
  • Instalación de autoconsumo: Este tipo de instalación está conectada permanentemente a la red eléctrica de la compañía y proporciona un ahorro energético al usuario, ya que la energía que aportan los paneles solares no se consume de la red eléctrica. Si hay energía sobrante se puede volcar a la red. Hay un contador que lleva la cuenta de cuanta energía proviene de cada fuente de energía.
En este tipo de instalación el coste de la inversión se suele dividir como:
- 20% El inversor a red
- 10% Legalización de la instalación
- 65% Paneles solares
  • Bombeo solar: Se utiliza para sacar agua de un pozo con la energía que proviene de los paneles solares. La energía solar queda almacenada en un depósito de agua, que se utilizará para regar.
En este tipo de instalación el coste de la inversión se suele dividir como:
- 60% Los paneles solares
- 30% La bomba. En DC es más eficaz
- 10% Las protecciones eléctricas

ESQUEMA DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AISLADA

El siguiente esquema muestra como se interconectan los equipos que componen una instalación solar fotovoltaica aislada de la red. Esto significa que la instalación no tendrá ningún apoyo de la red eléctrica de ninguna compañía y que no podrá vender la energía sobrante a éstas.

Comparativa OCU sobre paneles solares.

CALCULO DE UNA INSTALACION SOLAR FOTOVOLTAICA AISLADA

Ver diseño idealista.com

En el diseño de una instalación solar fotovoltaica hay que seguir una serie de pasos determinados en los que hay que ir aplicando los datos de la instalación a diseñar, como son: Ubicación de la instalación, consumo eléctrico diario, tiempo de reserva de las baterias, el voltaje de trabajo de la instalación y otra serie de factores que se verán a continuación.

La explicación se va a realizar junto con un ejemplo de una instalación solar fotovoltaica para una vivienda situada en una parcela que no tiene suministro eléctrico situada en San Martín de Valdeiglesias en la provincia de Madrid. Los requerimientos eléctricos de la instalación serán los siguientes:
  • La iluminación de la vivienda se hará con bombillas de bajo consumo y 12V en corriente continua.
  • Habrá una parte de la instalación que funcionará a 220V en alterna, utilizada para la alimentación los electrodomésticos habituales
  • El salón está iluminado con 3 bombillas de 11W .
  • La vivienda tiene 2 dormitorios, 1 baño y 1 cocina. Cada uno está iluminado con dos bombillas de 11W.
  • Se dispone de TV plana en el salon con un consumo de 120W, microondas de 800w, lavadora que consume unos 450Wh por cada lavado, frigorifico que consume aproximadamente 1KWh/día, ordenador con un consumo de unos 85W, cargador de móvil 5W.

Paso 1: Determinación de la radiación solar recibida en el lugar en donde se van a pone los paneles solares fotovoltaicos.
En este paso se ha de recurrir al uso de Internet para conectarse a la página que mostrará los datos de radiación solar recibida en el lugar de la instalación. Esta página permite introducir las coordenadas geográficas de la ubicación de la instalación y obtener la radiación solar recibida a lo largo del año con una inclinación de panel determinada. Es este caso se buscará la ubicación de la vivienda en San Martín de Valdeiglesias.

Inclinación = Latitud de la instalación = 40º
Inclinación para favorecer la radiación en verano = Latitud de la instalación - 10º = 30º
Inclinación para fovoreces la radiación en invierno = Latitud de la instalación + 10º = 50º

Como la instalación va a ser utilizada durante todo el año hay que favorecer la radiación en invierno ,con lo que la inclinación de los paneles se hara favorable para esa época del año. Si la latitud de la ubicación es de 40º, los paneles estarán inclinados 50º.

Introduciendo esos datos a la página web:



Se le da al botón "Calculate" y se obtienen los siguientes resultados:


El resultado que se busca es el de la radiación del sol sobre superficie inclinada "Hd" más desfavorable de todo el año, para asegurar que la instalación funciona en las condiciones más desfavorables. En este caso el menor valor de Hd es el del mes de diciembre, con un valor de 3.67 KWh/m2

Paso 2: Determinación del consumo eléctrico de la instalación, tanto de la parte de corriente continua como de la de corriente alterna.
Hay que hacer la estimación del consumo de energía en corriente continua y corriente alterna por separado.


Análisis del consumo en corriente continua a 12V:

Iluminación del salón: 3 bombillas de 11W. Se enciende 6 horas al día.
Iluminación de 2 dormitorios: 2 bombillas de 11W cada uno. Se encienden 3 horas al día.
Iluminación del baño: 2 bombillas de 11W. Se enciende 2 horas al día.
Iluminación de la cocina: 2 bombillas de 11w. Se enciende 3 horas al día.

Cálculo de los consumos:

Salon: 3bombillas x 11W x 6horas = 198Wh
Dormitorios: 2dormitorios x 2 bombillas x 11W x 3horas = 132Wh
Baño: 2bombillas x 11W x 2horas = 44Wh
Cocina: 2bombillas x 11W x 3horas = 66Wh

CONSUMO TOTAL DC = 440Wh cada día

Análisis del consumo en corriente alterna a 220V:

TV plana: 120W. Se enciende 4 horas al día
Microondas: 800w. Se enciende 1 hora al día.
Lavadora: 450Wh por cada lavado. 1 lavado diario.
Frigorifico: 1KWh/día. Siempre está encendido.
Ordenador: 85W. Se usa 3 horas al día.
Cargador de móvil: 5W. Se cargan dos móviles al día durante 3 horas cada uno.

Cálculo de los consumos:

TV Plana: 120W x 4horas = 480Wh
Microondas: 800W x 1hora = 800Wh
Lavadora: 450Wh x 1 Lavado = 450Wh
Frigorífico: 1KWh
Ordenador: 85W x 3horas = 255Wh
Cargadores: 2Móviles x 5W x 3Horas = 30Wh

CONSUMO TOTAL AC = 3015Wh cada día

En el consumo AC hay que tener en cuenta que no se obtiene directamente de las baterías como en DC. Se obtiene de la conversión de la energía almacenada en las baterías a corriente alterna a través de un inversor, que produce pérdidas de energía en la conversión de un 10% (Su rendimiento es de un 90%, aunque habría que analizar cada inversor de manera individual). Por lo tanto se necesitará más de energía a la entrada del inversor para obtener la energía AC calculada.

Consumo real AC = 3015Wh / 0.9 = 3350Wh

El consumo total de la instalación será la suma de AC y DC. 3350Wh en AC y 440Wh en DC.

TOTAL CONSUMO ENERGÉTICO = 3790Wh cada día.


Paso 3: Cálculo de la potencia que tienen que generar los paneles solares para los requerimientos de la instalación.
En este punto se sabe la energía que aporta el sol en la ubicación de la instalación y la potencia eléctrica necesaria para la vivienda. Solo falta calcular el número de paneles solares que son necesarios en la transformación fotovoltaica. Para ello se puede utilizar la siguiente fórmula:

Potencia módulos solares = FSG x Consumo_Instalación / Radiación solar

FSG: es un factor de seguridad, para compensar varios factores como: pérdidas por envejecimiento de los paneles, suciedad, tolerancias de fabricación, temperaturas y otros. Suele valer entre 1,2 y 1,4. Aquí se va a utilizar el valor medio 1,3.
Consumo_Instalación: El consumo calculado en el punto anterior en Wh.
Radiación Solar: Radiación del sol que recibe el panel en Kwdía/m2.

Sustituyendo valores se obtiene:

Potencia de los módulos solares = 1.3 x 3790Wh / 3.67 KWh/m2 = 1342,5W  Es la potencia del generador fotovoltaico.


Paso 4: Elección de los paneles solares y el método de asociación para los requerimientos de la instalación.
Sabiendo la potencia de los paneles solares (1343W) y el voltaje de trabajo de la instalación en DC (los 12V que utilizan las bombillas) se han de buscar en los distintos proveedores de material paneles que se adapten a la instalación y al presupuesto de cada cual.

Cuándo hay que elegir el voltaje de la instalación fotovoltaica se pueden seguir las siguientes recomendaciones:
  • Instalaciones con consumos menores de 1800Wh/día se elige un voltaje de 12V
  • Instalaciones con consumos entre 1800Wh/día y 6000Wh/día se elige un voltaje de 24V
  • Instalaciones con consumos superiores a 6000Wh/día se elige un voltaje de 48V

En este caso se han seleccionado paneles de Ecosolar de 140W para instalaciones de 12V. Se puede ver el panel y sus características en este link.


Características del panel:

Potencia (en Wattios): 140W
Voltaje en circuito abierto (Voc): 21,90V
Voltaje en el punto de máxima potencia (Wmp): 17,60V
Corriente de cortocircuito (Isc): 8,7A
Corriente nominal (Impp): 7,97A
Sistema de voltaje máximo: 1000VDC
Rendimiento: 14,07%
Tolerancia: +/-3ºC

Tipo de célula: Policristalina

Dimensiones: 1480 x 670 x 35 mm
Peso: 10,50 Kg
Garantía contra defectos de fabricación: 4 años

Lo único que falta es calcular cuantos paneles son necesarios para la instalación y como asociarlos con el fin de sumar sus potencias para obtener una potencia final igual o superior a la que necesita la instalación.

Número de paneles >= que Potencia solar total / Potencia de un panel.

Número de paneles = 1342,5W /140W = 9,59 paneles. Se ha de redondear al entero superior, con lo que de un total de 10 paneles solares de 140W.

En esta caso para mantener el voltaje del panel y aumentar la potencia se van a asociar en paralelo. Se obtendrá un voltaje en circuito abierto de 21,90V y una intensidad en cortocircuito de 10 x 8.7A = 87A, con una potencia total de 10 x 140W = 1400W.


Paso 5: Cálculo de las baterias. Se ha de calcular la capacidad de las baterias en función del consumo de la instalación y la reserva de energía deseada para cuando no hay radiación solar.
El cálculo se puede hacer con la siguiente fórmula, indicando los valores calculados en los puntos anteriores. Se va a hacer una reserva de energía para 5 días.

Capacidad batería (Ah) = (Consumo instalación x Días de autonomía)/(Profundidad de descarga x Voltaje batería)

Si se ponen baterías solares de descarga profunda se supondrá un 80% de profundidad de descarga máxima, en otros tipos de batería solo se puede poner hasta un 40-50%. Sustituyendo valores:

Capacidad batería (Ah) = (3790Wh x 5días)/(0,8 x 12V) = 1973,96Ah

Hay que buscar baterías que cumplan con estos requerimientos. Buscando por Internet se puede encontrar la batería OPzS Solar 1990, con una capacidad de 1950Ah c100, es decir para un periodo de descarga de 100horas, lo que se ajusta a las necesidades de la instalación.

Se han de poner 6 unidades en serie para obtener los 12V requeridos por la instalación.


Paso 6: Elección del regulador. Es otro de los elementos clave de la instalación solar fotovoltaica. Se encarga de cargar de manera correcta de las baterías, evitar descargas de la batería no deseadas, proteger los paneles solares cuando no hay radiación de corrientes provinientes de la bateria y regular la tensión de funcionamiento de la instalación en corriente continua.

Tiene que ser capaz de soportar la energía máxima que pueden generar los paneles solares en un momento de terminado. Este valor es máximo cuando los paneles reciben radiación solar y se pone el cableado en cortocircuito. Con la siguiente fórmula se puede calcular dicho valor:

        Intensidad de entrada al regulador = ISC del generador fotovoltaico

Dependiendo del tipo de asociación de los paneles la fórmula puede variar. En este caso al estar los paneles en paralelo la intensidad total es la suma de las intensidades generadas en cada panel, es decir 8,7A x 10 paneles = 87A. Con este valor de instensidad máxima se ha de buscar el regulador adecuado.

El modelo seleccionado es un Phocos mppt midnite classic 96A, que soporta hasta 96A de intensidad máxima de entrada.


Paso 7: Elección del inversor. Es el encargado de convertir los 12V de tensión continua de las baterías a 230V en alterna para los equipos de consumo doméstico tradicionales.

En este caso el cálculo es sencillo, basta con saber la potencia máxima que se puede consumir en corriente alterna al tener encendidos todos los equipos eléctricos de 230V. En el caso de esta instación sería, TV 120W, microondas 800W, lavadora 1800W, ordenador 85W, cargadores 30W y nevera 300W. En total 3135W con todos los equipos funcionando a la vez. Se ha de buscar un inversor con al menos esa potencia.

El modelo elegido es un PowerBright 3500 con una potencia máxima de 3500W.

Paso 8: Esquema de la instalación solar fotovoltaica. El interconexionado de los dispositivos se ha de hacer como muestra la siguiente figura.



Paso 9: Cálculo de la sección del cableado.

BATERÍAS

Conceptos básicos

Capacidad de la batería

La capacidad de la batería se mide en Amperios-Hora (Ah). Como concepto básico se puede decir que indica cuantos amperios puede dar la batería durante una hora hasta que esta se queda completamente sin carga. Esto no es completamente cierto, ya que la duración de la batería varía en función del ritmo de descarga.

Para explicar como se gestiona la capacidad de la batería hay que tener en cuenta el ritmo de descarga de éstas. Las capacidad eléctrica de las baterías se pueden comparar con la capacidad del depósito de un coche. Un coche con un depósito de 50 litros puede hacer 500Km a una velocidad de 140Km/h y un consumo de 10l/100km, pero se pueden hacer 700Km a una velocidad de 100Km/h y un consumo menor de 7l/100km, con el mismo depósito y el mismo combustible.

Lo mismo pasa con las baterías. Una batería de 800Ah puede llegar a dar una corriente de 80A durante 10horas (Ciclo C10) 80Ax10horas=800Ah, pero también puede dar una corriente de 12A durante 100horas (Ciclo C100) 12Ax100horas=1200Ah. Es decir que cuanto más despacio se descarga una batería más capacidad de carga útil tiene.

Cuanto más rápido se descarga una batería menor es su capacidad de descarga y menor la potencia entregada a la instalación.

A la hora de comprar una batería es importante fijarse en su capacidad de Ah y en que tipo de ciclo de descarga nos lo da el fabricante, C10 ó C100.

Para convertir la capacidad de la batería de C10 a C100 se multiplica su capacidad por 1,5.

Las instalaciones solares siempre se calculan con la capacidad C10, ya que cada día se produce un ciclo de carga y descarga.

Además hay que tener en cuanta que las baterías no se pueden llegar a descargar al 100%, ya que cada tipo de batería tiene un límite de profundidad de descarga para que su vida útil sea la que marca el fabricante. En las baterías de litio esto tiene una menor importancia y se pueden llegar a descargar a un 100% sin romperse.

Si se hacen ciclos de descarga completos en baterías de plomo, éste se acumula en las paredes de las placas y la batería "se comunicará" en 2 a 3 semanas.

Si la batería se descarga al 50% hay que recargarla en ese ciclo al 100%, con lo que a veces hay que utilizar la red eléctrica para recargar la batería y evitar así su deterioro prematuro.

Densidad del electrolito

El electrolito de una batería es una disolución de ácido sulfúrico. Hay que tener cuidado que no esté en contacto con la piel, ya que puede provocar graves quemaduras.

La densidad del electrolito de la batería varía si está cargada o descargada. Se puede medir con un densímetro. Podemos decir que:

  • La batería está cargada al 100% con una densidad de 1,24. Ácido en la disolución
  • La batería está descargada al 50% con una densidad de 1,17

La densidad de la batería puede variar en función del tipo de batería.

  • Batería solar 1,24Kg/litro
  • Batería de coche y gel 1,27Kg/litro
  • Batería monoblock 1,29Kg/litro

La batería siempre se rellena con agua destilada, ya que el ácido siempre está en su interior y no se evapora. Cuando está descargada el ácido está dentro de las placas de plomo y la densidad del electrolito es baja. Siempre se rellena de agua destilada cuando la batería esta cargada, no se puede rellenar cuando está descargada, ya que disminuimos la densidad del electrolito aún más. Siempre se rellena cuando el electrolito tiene densidad alta y el ácido esta fuera de las placas.

En el proceso de carga el electrolito tiene que burbujear.

PDF Baterías de Plomo de http://www.olaje.com

Vida útil

Se denomina vida útil de la batería cuando la batería llega a funcionar solo hasta el 80% de su capacidad nominal. Cuando una batería de 1000Ah solo se carga hasta 800Ah, se considera que ha terminado su vida útil, aunque en la realidad es posible seguirla utilizando.

Una batería tubular OPZS tiene unos 3000 ciclos de carga-descarga y puede durar de 12 a 14 años.

Una batería monobloque tiene unos 800 ciclos de carga-descarga y puede durar de 3 a 4 años.

Normalmente las baterías no suelen hacer ciclos completos de carga-descarga todos los días, con lo que su vida útil se alargará un poco más.

Si la batería trabaja a una temperatura mayor de 25ºC se está reduciendo su vida útil. A veces es necesario poner aire acondicionado en la ubicación de las baterías para no acortar su vida útil.

Voltaje de trabajo

Se suele trabajar en voltajes de 12, 24 o 48V. Para alcanzar estos voltajes se pueden poner varias baterías en serie, de manera que se sumen los voltajes.

Ciclos de carga de las baterías

Para ver como es el estado de carga de una batería hay que desconectar sus bornes, y dejarla reposar 20 minutos. Después se puede aplicar la siguiente fórmula: Voltaje=Densidad+0.84.

Ejemplo: Si en una batería se miden 2,08V y se despeja la densidad se obtiene una densidad de 1,24, lo que significa que está cargada al 100%.

La carga de baterías dura de 6 a 8 horas y pasa por tres fases de carga distintas. En unas fases se cargan por tensión y en otras por intensidad. La fase Bulk (Carga rápida) dura de 2 a 2,5 horas

La intensidad de carga ha de ser del 10 al 15% de la capacidad de la batería en C10

No todas las instalaciones fotovoltaicas están bien diseñadas para que la carga de la batería se haga de manera correcta.

En el siguiente gráfico se pueden ver las tres fases de carga de una batería.


Tipos de baterías

Hay varios tipos de baterías, que se pueden dividir en tres grandes bloques. En las baterías de plomo se recomienda trabajar con baterías con un contenido de antimonio inferior al 2%.

  • Basadas en elementos de 2V. Tienen la placa positiva tubular y una gran duración.
La nomenclatura de estas baterías suele ser similar a "8 OPZS 800". Esto significa que tiene 8 placas positivas "8", es de placa tubular "Z" y una capacidad de 800Ah en C10 "800", con lo que tiene 8 placas de 100Ah cada una. Estas baterías siempre tienen una plana negátiva más, que de placas positivas. Así en esta batería se tienen 8 placas positivas y 9 placas negativas.

La profundidad de descarga de estas baterías es del 50%. Si se sobrepasa este nivel de descarga se dismuye su vida útil drásticamente y se habrá estropeado la batería. En el siguiente gráfico se pueden ver los ciclos de descarga de estas baterías, aunque siempre hay que consultar la hoja de datos del fabricante para cada tipo de batería.

Se puede ver que cuanto menos se fuerza la descarga de las baterías mayor número de ciclos de descarga se consiguen y por lo tanto se alarga la vida útil de la batería.


  • Monobloque de 12V. Tienen la placa positiva plana y una menor duración que las de 2V.

  • Litio. Es la batería que comercializa Tesla y tienen un coste elevado, entre 7000 y 8000€. Son baterías mucho más ligeras que las de plomo-ácido

Los modelos BTD tienen un precio un 50% más bajo.
Permiten descargas con una profundidad del 100% de su capacidad y no hace falta controlar las cargas y descargas de la batería.
Pueden soportar 6.000 ciclos de carga con una profundidad de descarga del 90%
Pueden descargar toda su energía en 1 hora si fuese necesario.
No desprende gases



El mayor inconveniente de este tipo de baterías es que nadie sabe como reciclarlas cuando ha terminado su vida útil.

Notas varias

- Las baterías siempre se compran cargadas.
- Las baterías de polipropileno son un 25% más baratas que las OPZS, pero solo hay baterías hasta 1000Ah, se deforman con el calor.
- Las baterías OPzS pueden llecar a capacidades de 3000Ah
- Las baterías TOPzS pasan de 3000 ciclos de OPzS a 2700 ciclos, pero son un 10% más baratas.
- Las baterías OPzV (Gel) son un 35% más caras y si se cargan o descargan más de la cuenta el gel se seca y hay que tirar la batería. Se utilizan en telecomunicaciones, en donde no son la fuente principal de alimentación. No se puede ver el electrolito
- Monoblock: Son para pequeños consumos, como móviles, TV y poco más. Si se conecta a un compresor de aire, la batería se cae. Tienen 3 o 4 años de duración.
- Batería de coche: Pesa menos que la batería solar del mismo tamaño y solo duraría 1 año en una instalación solar. Tiene las placas de plomo más finas que las baterías solares.
- Baterías AMG para arranque de motores.
El siguiente link hace el cálculo de una instalacion fotovoltica-eolica dependiendo de la ubicacion y sus potenciales energéticos
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