Curso de Energía Solar Fotovoltaica Capítulo 9 Diseño de un sistema solar fotovoltaico Fundación Energizar Diseño de
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Curso de Energía Solar Fotovoltaica Capítulo 9
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Fundación Energizar
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Confiabilidad Diseño Secuencia de diseño
Fundación Energizar
Determinación del perfil de carga. Estimación del consumo. Estimación de pérdidas. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles. Determinación de la tensión nominal de la instalación. Dimensionamiento del bloque generador. Dimensionamiento del banco de batería. Dimensionamiento del regulador de carga. Dimensionamiento del Inversor. Dimensionamiento de la sección del conductor.
Costos
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Diseño óptimo
Confiabilidad
Fundación Energizar
El mejor diseño para un sistema fotovoltaico es aquel que incorporando el menor número de paneles y baterías, satisfaciendo las condiciones impuestas por la carga eléctrica, con un determinado grado de confiabilidad para el sistema y al menor costo.
El grado de confiabilidad es la relación entre el tiempo durante el cual el sistema fotovoltaico puede suplir los requerimientos de la carga y el tiempo en que el sistema debió proporcionar dicho servicio. Para servicios críticos (refrigeración de medicamentos, equipos de telecomunicaciones, etc.), el grado de confiabilidad es cercano al 100%. La carga en estos servicios permanece activa los 365 días del año, y en algunos sistemas durante todo el día. Los servicios que no son críticos pueden tener un grado de confiabilidad menor (cerca del 90%).
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Confiabilidad
La carga en la confiabilidad
Fundación Energizar
Un valor de confiabilidad del 100% es un valor inalcanzable en la práctica, ya que siempre existirán fenómenos meteorológicos (vientos intensos, hielo, lluvias, rayos, etc.), así como desperfectos de componentes que impiden alcanzar el 100%. Si un sistema alcanza un factor de confiabilidad del 99%, significa que sólo ha dejado de proveer servicio 4 días del año. La introducción de cargas no previstas en el diseño original disminuirá el grado de confiabilidad del sistema, ya que el equilibrio energético se verá afectado por el aumento del consumo.
La radiación en la confiabilidad
Los días sin sol introducen un desbalance en la parte generadora que debe ser corregido incrementando su capacidad de reserva.
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Confiabilidad y costo
Fundación Energizar
El costo de un sistema generador de energía eléctrica de cualquier tipo aumenta exponencialmente cuando el valor de la confiabilidad se incrementa. El incremento en el costo es extremadamente rápido cuando el grado de confiabilidad se incrementa del 95% al 100%. En sistemas fotovoltaicos donde la carga debe ser abastecida las 24 horas del día, un aumento en el valor de la confiabilidad se traduce en un aumento de la capacidad del banco de reserva, ya que los días nublados exigen que la carga sea alimentada por la reserva. El número de baterías en el banco de reserva guarda una relación directa con el número de días sin radiación solar.
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Confiabilidad Diseño Secuencia de diseño
Fundación Energizar
Determinación del perfil de carga. Estimación del consumo. Estimación de pérdidas. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles. Determinación de la tensión nominal de la instalación. Dimensionamiento del bloque generador. Dimensionamiento del banco de batería. Dimensionamiento del regulador de carga. Dimensionamiento del Inversor. Dimensionamiento de la sección del conductor.
Costos
Secuencia de diseño
Diseño
Los factores que determinan principalmente el diseño son: La radiación solar, el período o perfil del consumo, las características eléctricas de las cargas y las características de cada uno de los componentes elegidos. Los pasos enumerados a continuación no constituyen un esquema rígido, sino una guía para el diseño:
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Determinación del perfil de carga. Estimación del consumo. Estimación de pérdidas. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles. Determinación de la tensión nominal de la instalación. Dimensionamiento del bloque generador. Dimensionamiento del banco de batería. Dimensionamiento del regulador de carga. Dimensionamiento del Inversor. Dimensionamiento de la sección del conductor.
Muchas veces se debe volver pasos a atrás en la metodología de diseño y volver a re diseñar y recalcular diversos parámetros.
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Confiabilidad Diseño Secuencia de diseño
Fundación Energizar
Determinación del perfil de carga. Estimación del consumo. Estimación de pérdidas. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles. Determinación de la tensión nominal de la instalación. Dimensionamiento del bloque generador. Dimensionamiento del banco de batería. Dimensionamiento del regulador de carga. Dimensionamiento del Inversor. Dimensionamiento de la sección del conductor.
Costos
Secuencia de diseño
Determinación del perfil de carga
El perfil de carga nos da información sobre la simultaneidad de los consumos y nos sirve para calcular los sistemas de acondicionamiento de potencia y de distribución. El perfil de carga determinará si el sistema tendrá o no un banco de baterías de reserva.
Perfil de consumo constante
Perfil de consumo nocturno
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Este perfil es típico de aplicaciones como sistemas de alarma, señalización marina, señalización ferroviaria, repetidores de radio, estaciones meteorológicas, etc.
La variación de este consumo es inversamente proporcional a la duración del día, siendo en el invierno los consumos mayores que en verano. Este perfil es típico de aplicaciones de Iluminación, señalización de carreteras, carteles publicitarios, faros marinos, señalización de navegación aérea, etc.
Secuencia de diseño
Determinación del perfil de carga
Perfil de consumo diurno
Perfil de consumo doméstico
Fundación Energizar
Un ejemplo característico es el de bombeo de agua. El perfil anual de este consumo es similar al de radiación solar, alta en verano y más bajo en invierno. En éste caso concreto para hacer el perfil del consumo hay que tener en cuenta los hábitos del lugar estudiando en cada caso en concreto. Por lo tanto no se puede establecer una gráfica concreta.
Secuencia de diseño
Estimación del consumo
El consumo diario de la carga, es la energía que consume la carga a los largo de un día.
Consumo energético de CC [Wh/día]
Consumo energético de AC [Wh/día]
Fundación Energizar
Es la energía que consumen los artefactos de CC de manera diaria. Por ejemplo, si se tienen 5 lámparas LED de 10 W que se utilizan durante 6 horas al día, el consumo energético sería: 5 lámparas x 6 Horas x 10 W = 300 Wh/día.
Es la energía que consumen los artefactos de CA de manera diaria. Si se tienen 2 notebooks que consumen 50 W cada una y se utilizan durante 4 horas al día, el consumo energético será: 2 notebooks x 4 Horas x 50 W = 400 Wh/día.
Secuencia de diseño
Estimación del consumo
Energía total
Fundación Energizar
La energía total consumida por la carga es la suma de la energía consumida por los dispositivos de CC y la consumida por los dispositivos de CA. Por ejemplo, si se tienen 300 Wh/día de consumo de energía de CC y 400 Wh/día de consumo de energía de aparatos de CA, la energía total diaria será 300 Wh/día + 400 Wh/día = 700 Wh/día.
La estimación de las horas de uso requiere un análisis de los hábitos de los integrantes del grupo familiar que utilizará el sistema tanto en invierno como en verano, ya que en estas dos estaciones varía el hábito de consumo.
Los valores de potencia nominal dado por el fabricante de un dispositivo se encuentran impresos en una etiqueta metálica o grabados en el plástico de los dispositivos. Es importante destacar que las Heladeras y freezers funcionan normalmente 1/3 del tiempo, por lo tanto, si bien funcionan las 24 hrs el tiempo real será 1/3 del total (8 hrs).
Secuencia de diseño
Estimación de las pérdidas
La energía a generarse por los paneles debe tomar en consideración las pérdidas de energía anticipadas en el sistema (cableado, control de carga, inversor y baterías). Estas pérdidas deben ser compensadas por el bloque generador. A continuación se enumeran las pérdidas energéticas a considerarse:
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ηB: Eficiencia debido al rendimiento de la batería que, típicamente puede oscilar entre 75% y un 90%. ηinv: Eficiencia debido al rendimiento del inversor utilizado (si lo hay), es decir, principalmente en instalaciones de 220 V. Los valores por defecto suelen oscilar entre el 85% y el 98%. ηR: Eficiencia debido al rendimiento del regulador empleado. Suele depender de la tecnología utilizada, pero si no se conoce, se escoge un valor por defecto del 90%. ηX: Eficiencia que contempla las pérdidas no contempladas:
Temperatura. Pérdidas por dispersión de parámetros y suciedad. Las pérdidas por errores en el seguimiento del punto de máxima potencia. Cableado.
Eficiencia del regulador 80% – 99%
Eficiencia del inversor 85% – 98%
Eficiencia de carga 87% – 90% Eficiencia de descarga 87% – 90%
Secuencia de diseño
Estimación de las pérdidas
En base a las eficiencias de cada componente, puede calcularse la eficiencia total del sistema (ηT):
Fundación Energizar
Un valor típico de eficiencia (ηT) en sistemas con inversor y batería es de 0,6. A efectos de cálculo y por simplicidad, suele utilizarse este valor. Esto implica que el bloque generador deberá generar un 40% más de energía para poder satisfacer el consumo de las cargas. Si se utilizase otro valor, deberá desglosarse los diferentes factores de pérdidas utilizados para su estimación. En un sistema mixto de CC y CA, se puede desglosar las eficiencias de continua y de alterna. Por ejemplo, la eficiencia ηinv debidas al inversor sólo deberían afectar a la potencia generada destinada a alimentar el consumo de CA. En caso de acoplo directo de cargas al generador (por ejemplo, una bomba), deberá hacerse un cálculo justificativo de las pérdidas por desacoplo del punto de máxima potencia. La eficiencia total del sistema desde el bloque generador hasta la salida del inversor se puede calcular como:
Eficiencia del regulador 80% – 99%
Eficiencia del inversor 85% – 98%
Eficiencia de carga 87% – 90% Eficiencia de descarga 87% – 90%
Secuencia de diseño
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
Este dimensionamiento implica calcular la energía total necesaria a generar (considerando la estimación de pérdidas) y en base a la insolación del lugar, determinar la cantidad de paneles y la forma de conexión (serie y paralelo). El coeficiente es un factor de seguridad para afrontar la degradación de potencia y prestaciones de los diferentes componentes del sistema fotovoltaico. También se utiliza como margen para parámetros imponderables en el proceso de diseño. Usualmente se utiliza un valor = 1,1. Energía generada por un panel
Fundación Energizar
La energía diaria que entregará un panel dependerá del valor de insolación para un determinado lugar, de la inclinación de los paneles y del tipo de regulador de carga que se utilice (con o sin MPPT). La utilización de la Hora Solar Pico (HSP) facilita enormemente los cálculos de la energía producida por un panel.
Secuencia de diseño
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
Regulador de carga con MPPT
Regulador de carga sin MPPT
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Si se utiliza un regulador de carga con MMPT, la energía diaria producida por un panel puede calcularse utilizando directamente la potencia pico del panel debido a que la tensión de los paneles es independiente de la de las baterías. En este caso (Vnp/Vp)=1
Si no se utiliza un regulador con seguimiento de punto de máxima potencia MPPT, deberá tenerse en cuenta que será entonces la batería la que marque la tensión del sistema. Para este caso se considera que la corriente que entrega el panel en el punto de trabajo impuesto por las baterías no varía significativamente respecto a la corriente en el punto de máxima potencia. Sin embargo, si se considerará la variación de tensión que existe entre la tensión de las baterías y la del panel en su punto de máxima potencia. Para el cálculo se pondera la potencia nominal (Wp) con el cociente entre la tensión nominal del panel y la tensión pico, dejando constante la corriente entregada por el mismo en el punto de máxima potencia.
Secuencia de diseño
Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles
Determinación de la tensión nominal de la instalación
Fundación Energizar
Los paneles con soporte fijo o automáticos con un grado de libertad, deben ir orientados al Sur si se instalarán en el hemisferio Norte y al Norte si se instalarán en el hemisferio Sur. El ángulo de inclinación de los soportes fijos se calcula para que maximice el ajuste entre la captación y la demanda de energía en la época del año de mayor consumo. De todas formas, puede utilizarse la corrección por el peor caso de insolación (Invierno) y elegir una inclinación en función de la latitud.
La tensión de funcionamiento se puede determinar a partir de la potencia de la instalación, que lógicamente está relacionada con la energía consumida. Se suelen emplear las tensiones estándar: 12 V, 24 V, 48 V o 120 V.
En general se recomienda:
12 V para potencias menores de 1,5 kW. 24 V o 48 V para potencias entre 1,5 kW y 5 kW. 48 V o 120 V para potencias mayores de 5 kW.
Secuencia de diseño
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
Cantidad total de paneles (NTP)
Cantidad de paneles en serie (NPS)
Fundación Energizar
La asociación de paneles en serie se hace con el fin de aumentar la tensión del bloque generador.
Cantidad de paneles en paralelo (NPP)
La cantidad total de paneles será la cantidad de paneles necesarios para poder abastecer a la carga.
La asociación de paneles en paralelo se realiza con el fin de aumentar la capacidad de corriente del bloque generador una vez que la tensión nominal se alcanzó mediante la asociación de paneles en serie.
Los valores de NTP, NPS y NPP se redondean por exceso, excepto si se aproximan mucho a las cifras por defecto.
Secuencia de diseño
Dimensionamiento del banco de baterías
El banco de baterías deberá suministrar la energía requerida por la carga cuando no haya sol, o en días nublados. En el gráfico se muestra el proceso de carga/descarga para el banco de baterías que toma lugar durante dos días con plena radiación solar, durante tres días sin radiación solar, y al comienzo del período de recuperación, al retornar la radiación solar.
Fundación Energizar
El banco baterías debe soportar cuatro descargas consecutivas, pese a que son tres los días sin sol. Esto se debe a que el último día soleado terminó con la descarga nocturna del día. El período de recuperación dependerá del exceso de generación, así como de la ausencia de un nuevo período sin radiación solar mientras el banco de reserva se repone. En este ejemplo se asume:
Que no se quiere sobrepasar el límite del 80% para la profundidad de descarga. Que el banco de baterías está dimensionado para tres días seguidos sin sol. Que los días nublados tienen radiación solar nula.
Secuencia de diseño
Dimensionamiento del banco de baterías
Cálculo de la capacidad del banco de batería
El banco de baterías debe acumular la energía necesaria para alimentar la carga durante los días sin sol y durante la noche. Esta energía debe contemplar las pérdidas producidas por los diversos componentes. Para el cálculo de la capacidad del banco de baterías, se necesita definir principalmente los siguientes parámetros:
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Daut: Días de autonomía con baja o nula insolación. PDmax: Profundidad máxima de descarga de la batería, que vendría dada por el fabricante de las baterías; por defecto se escoge un valor del 60% o 80 %. ηD: Eficiencia de descarga: Debe contemplar la eficiencia de descarga de la batería, la eficiencia del inversor, la del regulador de carga en caso de que tenga salida de CC, pérdidas en cables, etc; por defecto puede usarse un valor del 75%.
Dimensionamiento de las baterías
El banco de baterías estará compuesto por una o varias baterías conectadas en serie y/o paralelo de manera de satisfacer los requerimientos del sistema, tanto en capacidad como en potencia.
Secuencia de diseño
Dimensionamiento del banco de baterías
Cantidad total de baterías (NBT)
Cantidad de baterías en serie (NBS)
Fundación Energizar
La asociación de baterías en serie se hace con el fin de aumentar la tensión del bloque acumulador.
Cantidad de baterías en paralelo (NBP)
La cantidad total de baterías será la cantidad de baterías necesarias para poder obtener la capacidad deseada.
La asociación de baterías en paralelo se realiza con el fin de aumentar la corriente máxima del bloque acumulador. Existe una limitación en la cantidad de ramas en paralelo debido a las corrientes de ecualización. Normalmente la máxima cantidad de ramas en paralelo es de 4 o 5 dependiendo del fabricante. Cuando se tiene cargas que demandan mucha potencia [W] simultánea, éstas demandan una fuerte corriente [A] de las baterías. En algunos casos, pese a que la capacidad del banco de batería está bien dimensionada, se necesitan agregar más baterías en paralelo, sobredimensionando la capacidad total del banco, para poder satisfacer la demanda de corriente sin dañar las baterías.
Secuencia de diseño
Dimensionamiento del regulador de carga
Fundación Energizar
El regulador se conecta en serie con los paneles fotovoltaicos, por lo que circulará por él la corriente generada por ellos. Esta corriente estará determinada por la cantidad de paneles conectados en paralelo (NPP). Si el regulador tiene una salida para la carga de continua, esta corriente (Icarga_CC) también debe calcularse. Como regla de diseño, la corriente nominal del regulador se elije un 20% o 25% mayor a la corriente de cortocircuito (NPP .ICC) entregada por el bloque generador o el mayor valor de la corriente de carga de continua (Icarga_CC). De ser necesario, pueden utilizarse más reguladores que serán colocados por grupos de paneles.
Secuencia de diseño
Dimensionamiento del inversor
Fundación Energizar
La potencia del inversor vendrá determinada en función de la potencia de los aparatos de consumo de CA y del rendimiento del mismo inversor. La tensión de entrada en el inversor de una instalación fotovoltaica no será siempre constante, por lo que el inversor debe ser capaz de transformar distintas tensiones continuas dentro de un determinado rango determinado por el estado de carga de las baterías. Para elegir la potencia nominal del inversor, debe tenerse en cuenta la potencia nominal de carga de CA sin los transitorios de arranque (Pcarga_CA), y la eficiencia del mismo ηinversor. Como regla de diseño, la potencia nominal del inversor se elije un 25% mayor a la potencia aparente requerida por la carga CA de modo de contemplar posibles variaciones de temperatura, FP, cargas no previstas, etc.
Para elegir el inversor debe utilizarse la potencia de salida (nominal) del mismo Sinversor_out . Para el dimensionamiento de los conductores y protecciones de CC de entrada debe utilizarse el valor de la potencia Pinversor_in.
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Confiabilidad Diseño Secuencia de diseño
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Determinación del perfil de carga. Estimación del consumo. Estimación de pérdidas. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles. Determinación de la tensión nominal de la instalación. Dimensionamiento del bloque generador. Dimensionamiento del banco de batería. Dimensionamiento del regulador de carga. Dimensionamiento del Inversor. Dimensionamiento de la sección del conductor.
Costos
Diseño de un sistema solar fotovoltaico
Costo del sistema fotovoltaico autónomo de baja potencia
Distribución porcentual de costos (< 2kWp)
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En instalaciones realizadas sobre terreno, el costo de las estructuras soporte puede estimarse como el 25% del costo total de los paneles.
Valores estándares de los distintos componentes
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Diseño de un sistema solar fotovoltaico