Instalaciones Solares Fotovoltaicas

CÁLCULO DE UNA INSTALACIóN SOLAR FOTOVOLTAICA AISLADA

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 baterías, el voltaje de trabajo de la instalación y otra serie de factores que se verán a continuación.

En la explicación se va a diseñar 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.

  • 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.

  • Habrá una parte de la instalación a 230V en alterna, utilizada para la alimentación los electrodomésticos habituales

  • Se dispone de TV plana en el salón con un consumo de 120W, microondas de 800w, lavadora que consume unos 450Wh por cada lavado, frigorífico que consume aproximadamente 1KWh/día, ordenador con un consumo de unos 85W, cargador de móvil 5W.

En esta imagen se puede ve el esquema de la instalación que hay que diseñar.

Hay que calcular las características de cada uno de los elementos de la instalación.

Los primeros datos que se necesitan son el consumo diario (en Wh) que va a presentar la instalación eléctrica de la vivienda y la cantidad de sol disponible diariamente (en Kwh/m2) en su ubicación.

Con esos datos se pueden calcular con una simple fórmula la potencia que tienen que tener los paneles solares que se necesitan para generar la potencia eléctrica necesaria para la instalación.

A más potencia necesaria en la instalación se necesitarán más paneles solares, baterías más grandes y equipos de control más potentes.

A continuación se van a hacer, en cierto orden, los cálculos necesarios para los distintos componentes de la instalación

Paso 1: Consumo eléctrico de la instalación

En este punto se calculará el consumo eléctrico de la instalación, tanto de la parte de corriente continua como de la de corriente alterna.

Si pensamos en el rendimiento máximo de la instalación hay que tener en cuanta que el inversor de red, que convierte la energía de corriente continua a corriente alterna, tiene un consumo interno que disminuye el rendimiento final de la instalación. En este equipo se puede perder hasta un 10% de la energía generada por nuestra instalación, aunque los equipos más moderno suelen tener rendimientos cercanos al 98%.

Por este motivo se deben instalar el mayor número de equipos alimentados directamente en corriente continua. Los equipos que tengan que funcionar en corriente alterna se tendrán que conectar a la salida del inversor de 230V.

En esta imagen se pueden ver la cantidad de equipos eléctricos y electrónicos que pueden estar conectados a la instalación de la vivienda.

Para calcular el consumo de la vivienda se pueden utilizar dos métodos distintos. Se utilizará el método disponible para cada caso.

Primer método:

En viviendas en donde se tenga una factura eléctrica se podrá obtener el consumo diario de la instalación fijándonos en el consumo reflejado en la factura y convirtiéndolo a consumo diario. En este caso se diseñará una instalación para podernos desconectar de la compañía eléctrica.

Segundo método:

En instalaciones en que no haya posibilidad de conectarse a la rede eléctrica y por lo tanto no haya factura hay que calcular directamente el consumo de los equipos eléctricos de la vivienda. En este método hay que recopilar la información de consumo de cada dispositivo de manera individual y su tiempo de utilización diario.

Hay que calcular el consumo de los equipos que se alimentan en corriente continua que están directamente conectados a la salida del regulador además del consumo de corriente alterna de los equipos conectador en corriente alterna a la salida del inversor de red.

En la vivienda del ejemplo se tienen los siguientes datos:

Análisis del consumo en DC (corriente continua a la salida del regulador):

Hábito de consumo DC:

Salón: 3 bombillas de 11W. Encendido de 6 horas al día.

Dormitorios (2): 2 bombillas de 11W. Encendido 3 horas al día.

Baño: 2 bombillas de 11W. Encendido 2 horas al día.

Cocina: 2 bombillas de 11w. Encendida 3 horas al día.

Cálculo del consumo DC:

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 día

Análisis del consumo en AC a 230V (corriente alterna a la salida del inversor de red):

Hábito de consumo AC:

Televisor de 120W. Encendido 4 horas al día

Microondas de 800w. Encendido 1 hora al día.

Ordenador de 85W. Encendido 3 horas al día.

Cargador de móvil de 5W. Se cargan dos móviles 3 horas cada uno.

Lavadora: 450Wh por cada lavado. 1 lavado diario.

Frigorífico: 1KWh/día. Siempre está encendido.

Cálculo del consumo AC:

Televisor: 120W x 4horas = 480Wh

Microondas: 800W x 1hora = 800Wh

Ordenador: 85W x 3horas = 255Wh

Móviles: 2Móviles x 5W x 3Horas = 30Wh

Lavadora: 450Wh x 1 Lavado = 450Wh

Frigorífico: 1KWh

CONSUMO TOTAL AC = 3015Wh día

NOTA: En el consumo AC hay que tener en cuenta que esa energía se obtiene de la conversión de la energía almacenada en las baterías a corriente alterna a través de un inversor, que tiene asociadas unas pérdidas de conversión de alrededor de un 10% (Su rendimiento es de un 90%). Por lo tanto se necesitará más de energía a la entrada del inversor para obtener la energía AC calculada.

Para tener en cuenta el 10% de pérdidas del inversor a corriente alterna hay que realizar la siguiente operación

Consumo real AC = Consumo/(Rendimiento/100)= 3015Wh/(90/100) = 3350Wh

El consumo total de la instalación será la suma del consumo DC y el consumo AC (440Wh en DC + 3350Wh en AC)

TOTAL CONSUMO ENERGÉTICO = 3790Wh cada día


Paso 2: Voltaje de la instalación DC

En este punto ya se puede decidir a que voltaje debe trabajar la parte de corriente continua de la instalación. Dependiendo de la potencia total requerida diariamente por la instalación solar se seleccionarán los siguientes voltajes DC con el objetivo de que la sección del cableado DC esté dentro de unos límites razonables, así como las pérdidas de energía que se producirían por las grandes corrientes manejadas.

Se elegirá:

  • 12V para instalaciones de menos de 1800Wh/día

  • 24 V para instalaciones de entre 1800Wh/día y 6000Wh/día

  • 48V o más para instalaciones con consumos superiores a 6000Wh/día

En nuestra instalación se elegirá un voltaje de trabajo de 24V para las baterías y la parte de DC

Paso 3: Radiación Solar Recibida por la Instalación

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. Con PVGIS podemos 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.

Enlace a PVGIS: https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis

Entramos a la opción "PV Performance Tool" y aparecerá la siguiente página en donde elegiremos el tipo de instalación que vamos a diseñar, en este caso al ser una instalación aislada elegiremos la opción "Conectado a Red". La página debe ser como la de la imagen.

Aunque nuestra instalación va a ser aislada en lugar de conectada a la red, necesitamos saber los valores de radiación solar en donde va a estar ubicada la instalación. Esos valores solo los podemos obtener en la opción "Conectado a Red", ahora veremos como hacerlo.

Lo primero que hay que hacer es seleccionar en el mapa la ubicación de la instalación fotovoltaica. Para ello ampliaremos el mapa y buscaremos la ubicación de la instalación. Para hacerlo de una manera más ágil en "Dirección" se puede introducir la localidad en donde está la instalación para que salga directamente.

Una vez seleccionada la ubicación pondremos la inclinación óptima de los paneles solares, que dependerá del uso que se vaya a dar a la instalación solar, para que la radiación solar obtenida sea la correspondiente a la inclinación de nuestros paneles solares.

La inclinación óptima se calcula en función de los siguientes criterios:

La inclinación base parte de la latitud del lugar en donde se van a instalar los paneles, en este caso 40º.

Inclinación para favorecer la radiación en verano = Latitud de la instalación - 10º = 30º

Inclinación para favorecer 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 hará favorable para esa época del año. Si la latitud de la ubicación es de 40º, los paneles estarán inclinados 50º.

Una vez hecho eso pulsaremos sobre la opción "Visualizar resultados"

No es necesario modificar el resto de parámetros puesto que solo necesitamos conocer la radiación solar, que no depende del resto de parámetros de la aplicación.

Cambiamos la opción predeterminada de visualización de "Energía FV" a "Radiación" para ver la radiación solar mensual que recibe nuestra instalación a lo largo del año. Se puede ver que los meses de verano son los meses con mayor radiación solar y los meses de invierno los que menos energía reciben.

Si nos ponemos encima de cada barra obtendremos el valor de radiación solar recibida en cada mes.

Si nos descargamos la información en formato PDF tendremos toda la información de resultados en un resumen con los datos de radiación solar recibida y energía generada por la instalación a lo largo del año

Aquí puedes descargar el fichero PDF con los datos obtenidos.

De esta información nos interesa la columna H(i)_m, que indica una estimación de la radiación solar mensual que recibirán los paneles solares de nuestra instalación

Para el cálculo hay que convertir la radiación mensual a radiación diaria.

Habrá que dividir la radiación de cada mes entre los días de cada mes para obtener la radiación solar diaria a lo largo del año.

Como se busca el valor de radiación solar diario hay que transformar H(i)_m a H(i)_d. Esto se hace dividiendo el valor de radiación mensual entre el número de días que tiene cada mes. La radiación quedará como:

El resultado que se busca es el de la radiación del sol sobre superficie inclinada "H(i)_d" 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 3.88 KWh/m2


Paso 4: Potencia del generador fotovoltaico

Llegados a este punto sabemos la energía que aporta el sol en la ubicación de la instalación y la potencia eléctrica necesaria para la vivienda.

Falta calcular la potencia que tiene que tener el generador fotovoltaico para conseguir transformar los rayos del sol en la energía eléctrica que se necesita en la instalación.

Para ello se puede utilizar la siguiente fórmula:

Potencia módulos solares = FSG x Consumo_Instalación / Radiación solar

Los términos de la fórmula son:

FSG: Es el denominado factor de seguridad, que aumentará la potencia del generador fotovoltaico para compensar pérdidas del sistema producidas por envejecimiento, 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 de la instalación medido en Wh/día.

Radiación Solar: Es la radiación solar recibida diariamente por el panel fotovoltaico, medido en Kwh/m2 y día.

En nuestro caso la potencia de los módulos solares queda como:

Potencia Fotovoltaica = 1.3 x 3790Wh / 3.88 KWh/m2 = 1269,8W

Paso 5: Elección de los paneles solares.

Sabiendo la potencia de todos los paneles solares ha de ser superior a 1270W y el voltaje de trabajo de la instalación en DC es de 24V se han de buscar los paneles solares en los distintos proveedores de material fotovoltaico que se adapten a la instalación y al presupuesto de cada cual. Hay que buscar la oferta de cada momento ya que los precios varían muchísimo en función del stock de productos en el mercado.

En el momento de redactar estos apuntes se ha seleccionado un panel solar de 340W para instalaciones de 24V a un precio de 99€ con impuestos incluidos.

Es un panel Policristalino que entrega un voltaje a máxima potencia de 38,5V suficientemente alta para instalaciones de 24V.

Solo falta calcular en número de paneles que son necesarios para nuestra instalación y como interconectarlos para sumar sus potencias y obtener la potencia que necesita nuestra instalación.

Dejo la hoja de datos del panel seleccionado.

Hoja de datos del panel

Para calcular el número de paneles necesarios hay que dividir la potencia total de la instalación entre la potencia del panel fotovoltaico seleccionado (Número de paneles >= que Potencia solar total / Potencia de un panel). En nuestro caso:

Nº de paneles = 1270W /340W = 3,74 paneles

Se ha de redondear al entero superior del número de paneles calculado, en este caso se necesitan 4 paneles de 340W.

Los paneles se conectarán en paralelo para mantener el voltaje de la instalación en 24V.

Los parámetros más importantes de esta asociación de paneles es el voltaje en circuito abierto total, la intensidad en cortocircuito y la potencia total del generador fotovoltaico. En este caso:

  • La tensión en circuito abierto coincide con la de un único panel (Voc = 46,4V)

  • La intensidad de cortocircuito será la suma de las intensidades de los 4 paneles de la instalación 9,45A x 4 = 37,8A (Isc = 37,8A)

  • La potencia del generador fotovoltaico será lo suma de las potencias de todos los paneles 4 x 340W = 1360W (Pmp = 1360W)

Paso 6: Cálculo de las baterías

El cálculo de la capacidad de las baterías se hace en función del consumo de la instalación y los días de reserva de energía deseada para no quedarse sin energía cuando no hay radiación solar.

El cálculo de las baterías se hace en función de los siguientes parámetros:

  • Consumo diario de la instalación en Wh al día

  • Días de autonomía

  • Profundidad de descarga máxima de la batería

  • Voltaje de trabajo de la instalación en DC y de las mismas baterías

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 24V) = 987Ah

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 7: 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 provenientes de la batería 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 8: 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 9: Esquema de la instalación solar fotovoltaica. El interconexionado de los dispositivos se ha de hacer como muestra la siguiente figura.

Paso 10: Cálculo de la sección del cableado.