Instalaciones Solares Fotovoltaicas

CALCULO DE UNA INSTALACION SOLAR FOTOVOLTAICA AISLADA

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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.