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Generación Eléctrica Fotovoltaica

CURSO: CENTRALES I – Sesión 2-4 Ma. Alberto Vicente Cervantes Castro Reg. CIP N° 49453 Octubre 30, 2020

UNIDADES QUE UTILIZAREMOS EN LOS EJEMPLOS

POTENCIA (P): WATTS (W) VOLTAJE (V): VOLTIOS (V) CORRIENTE (I): AMPERIOS (A)

CONEXIÓN EN SERIE DE PANELES SOLARES (+) (+)

(+)

(-)

PANEL SOLAR

(-)

PANEL SOLAR

(-)

(-)

SE TOMA UN POLO POSITIVO Y SE CONECTA AL POLO NEGATIVO DEL SIGUIENTE PANEL ASI HASTA CONECTAR TODOS LOS PANELES. AL FINAL TENDREMOS UN POLO POSITIVO Y UN NEGATIVO DE CADA EXTREMO DE LA CONEXIÓN.

CONEXIÓN EN SERIE DE PANELES SOLARES (+) (+)

(+)

(-)

PANEL SOLAR

(-)

PANEL SOLAR

(-)

(-)

CUANDO TRABAJAMOS EN SERIE EL VOLTAJE AUMENTA Y LA CORRIENTE SE MANTIENE. EJEMPLO: POTENCIA (P)= 100 W VOLTAJE (V)= 20 V DATOS DEL PANEL SOLAR CORRIENTE (I)= 5 A

CONEXIÓN EN SERIE DE PANELES SOLARES (+) (+)

(+)

(-)

PANEL SOLAR

FORMULAS PARA CONEXIÓN EN SERIE:

(-)

PANEL SOLAR

(-)

(-)

ESTE SERIA EL TOTAL DE POTENCIA DE NUESTRO SISTEMA EN SERIE DE 3 PANELES.

OPERACIONES: VOLTAJE DE SALIDA (VS) = V*No. DE PANELES = 20 V * 3 = 60 V ESTE ES DATO DEL PANEL = 5A INTENSIDAD DE SALIDA (IS)= I DEL PANEL = 300 W = 60 V * 5 A SOLAR POTENCIA DE SALIDA (PS) = VS*IS

CONEXIÓN EN PARALELO DE PANELES SOLARES (+) (+) VOLTAJE (V): VOLTIOS (V) CORRIENTE (I): AMPERIOS (A)

(+)

PANEL SOLAR

(-)

(-) (-)

EN ESTA CONEXIÓN SE AUMENTA LA CORRIENTE Y SE MANTIENE EL VOLTAJE. EJEMPLO: DATOS DEL PANEL SOLAR

POTENCIA (P)= 100 W VOLTAJE (V)= 20 V CORRIENTE (I)= 5 A

CONEXIÓN EN PARALELO DE PANELES SOLARES (+) (+)

(+)

PANEL SOLAR

(-)

(-) (-)

FORMULAS PARA CONEXIÓN EN PARALELO:

OPERACIONES: VOLTAJE DE SALIDA (VS) = V DEL PANEL = 20 V = 20 V INTENSIDAD DE SALIDA (IS)= I PANEL * No DE PANELES = 5 A * 2 = 10 A POTENCIA DE SALIDA (PS) = VS*IS

ESTE SERIA EL TOTAL DE CORRIENTE DE NUESTRO SISTEMA EN PARALELO DE 2 PANELES. ESTE ES DATO DEL PANEL

= 20 V * 10 A = 200 W

CONEXIÓN EN SERIE DE PANELES SOLARES

CONEXIÓN EN PARALELO DE PANELES SOLARES (+)

(+)

(+)

(+)

(+)

(+)

(+)

(-) PANEL SOLAR (-) RESULTADO S

PANEL SOLAR (-)

PANEL SOLAR (-) (-)

(-)

VS = 20 V * 2 = 40 V IS = 5 A

VS = 20 V = 20 V IS = 5 A * 2 = 10 A

PS = 40 V * 5 A = 200 W

PS = 20 V * 10 A = 200 W

SI SE DAN CUENTA LAS CONEXIONES TANTO SERIE COMO PARALELO OBTUVIMOS LA MISMA POTENCIA (200 W) PERO LA DIFERENCIA ENTRE LAS DOS CONEXIONES ES QUE: CONEXIÓN SERIE TRABAJA: AUMENTA VOLTAJE A 40 V y 5 A, CONEXIÓN PARALELO TRABAJA: CON 20 V y AMPERAJE AUMENTA A 10 A.

(-)

CONEXIÓN MIXTA SERIE - PARALELO ESTO SE PONDRIA ASI: SUPONGAMOS QUE TENEMOS 2 PANELES EN SERIE Y 3 PANALES EN PARALELO. EN TOTAL TENDRIAMOS 6 PANELES A INSTALAR.

CONEXIÓN EN SERIIE HACIA ARRIBA

(+) (+)

(+)

2x3 SERIE PARALELO

(+) DATOS DEL PANEL: P = 150 W V = 30 V I =5A FORMULAS CONEXIÓN MIXTA VS = V PANEL * No. DE PANELES (EN SERIE) IS = I PANEL * No. DE PANELES (EN PARALELO)

(-)

(-)

PS= VS * IS

(-) (-)

CONEXIÓN EN PARALELO HACIA LA DERECHA

VS = 30 V * 2 = 60 V IS = 5 A * 3 = 15 A PS= 60 V * 15 A = 900 W

POTENCIA TOTAL DE NUESTRO SISTEMA

ESTOS TRES TIPOS DE CONEXIÓN SON USADOS CUANDO VAMOS A INSTALAR UN SISTEMA FOTOVOLTAICO YA SEA: - SISTEMA AISLADO - SISTEMA DE INTERCONEXION A LA RED ELECTRICA

COMO HACEMOS UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

APRENDEREMOS A CONECTAR PANELES SOLARES, BATERIAS E INVERSOR PARA SUSTENTAR UNA NECESIDAD DONDE LA LUZ ELECTRICA NO ES ACCESIBLE O BIEN TENER UN SISTEMA AISLADO EN TU CASA

ELEMENTOS A ESTUDIAR 1.

ARREGLO DE PANELES SOLARES

2.

BANCO DE BATERIAS

3.

CONTROLADOR DE CARGA

4.

INVERSOR DE CORRIENTE

La elección del panel adecuado

I.

LA ELECCIÓN DEL PANEL ADECUADO

1.

NO SE COMPRA EL PANEL MAS BARATO, SINO EL PANEL ADECUADO A SU INSTALACIÓN.

2.

DIFERENCIAS ENTRE PANELES SOLARES MONOCRISTALINOS Y POLICRISTALINOS: a)

El panel monocristalino utiliza un único cristal de silicio. Tiene mayor eficiencia frente al policristalino y un tiempo de fabricación mayor. Este panel lo reconocerá porque es mas oscuro.

b)

El panel policristalino, se le da este nombre porque el proceso llevado a cabo para la solidificación del silicio no se hace con un solo cristal sino con múltiples.

c)

A pesar de las diferencias han ido mejorando las prestaciones en cuanto a eficiencia y precio de ambos tipos de paneles, de manera que elegir uno u otro se ha convertido en una cuestión monetaria.

3.

POTENCIA, Wp (VATIOS PICO) DE LAS PLACAS SOLARES a)

Vatios pico, es la máxima potencia que puede generar el panel bajo unas condiciones estándar, definidas como: 1.

Irradiancia: 1000 W/m2.

I. 3.

LA ELECCIÓN DEL PANEL ADECUADO

POTENCIA, Wp (VATIOS PICO) DE LAS PLACAS SOLARES a)

Vatios pico, es la máxima potencia que puede generar el panel bajo unas condiciones estándar, definidas como:

b)

1.

Irradiancia: 1000 W/m2.

2.

Temperatura de módulo: 25°C

3.

Masa de aire: 1.5

Todos los fabricantes dan la potencia de sus módulos bajo los indicados estándares de medida. También junto al resto de características técnicas del panel (tensiones, intensidades, coeficientes de temperatura, eficiencia, etc.).

c)

Es importante fijarse en la eficiencia, la garantía del producto, que disponga de los certificados de calidad y la experiencia de la marca en la fabricación de los módulos.

II.

NUMERO DE CELULAS EN LOS DIFERENTES TIPOS DE PANEL

1.

Un panel solar se compone de un conjunto de células conectadas convenientemente unas a otras.

2.

Los paneles están diseñados para suministrar electricidad a un determinado voltaje. Normalmente se habla de paneles de “12V”, “24V” o los llamados de “conexión a red”, en función del número de células solares interconectadas. Así tenemos: a)

Paneles de 36 células conectadas en serie. Son paneles capaces de producir una tensión suficiente para cargar una batería de 12V. Puede funcionar con un regulador de carga PWM o un maximizador MPPT.

b)

Paneles de 72 células conectadas en serie. Son paneles capaces de producir una tensión suficiente para cargar una batería de 24V. Puede funcionar con un regulador de carga PWM o un maximizador MPPT.

c)

Paneles de “conexión a red”, normalmente de 60 células. No funcionan a 12V ni a 24V. Ojo, estos paneles no pueden funcionar con un regulador de carga PWM, sólo con un maximizador MPPT.

III. 1.

IMPORTANTE: HABITUALES ERRORES CON DIFERENTES PANELES

Si dispone de un regulador carga PWM, sólo debe utilizar paneles solares de 12V (36 células) ó paneles de 24V (72 células).

2.

Si la placa que dispone no es de 36 ó 72 células (12V/24V) no debe utilizar un regulador de carga PWM. Debe utilizar un regulador maximizador MPPT*.

3.

También debe tomar en cuenta que no debe mezclar paneles de diferentes números de células. Es decir de tensiones diferentes, en paralelo.

(*) Con un regulador de carga MPPT la tensión del módulo puede diferir mucho de la tensión de la batería. Estos reguladores se pueden aplicar a un rango de módulos más amplia. Además, hay que tener en cuenta que, aunque son mas caros que los convencionales reguladores de carga PWM, ofrecen mucho mejor rendimiento de los paneles solares, haciéndolos trabajar en el punto de máxima potencia, consiguiendo mayor producción.

Introducimos los conceptos de horas pico e irradiancia Ejemplo Lo indicado en diapositivas puede verlo en el video cuya URL indico: https://www.youtube.com/watch?v=q5s8mOyY3u8

CONCEPTOS DE HORAS PICO E IRRADIANCIA HORAS PICO Se puede definir como el número de horas en que disponemos una hipotética irradiancia solar constante de 1000 w/m2 sobre cada panel solar que componen de la instalación fotovoltaica. Es decir una hora solar pirco “HPS” equivale a 1 KWh/m2 o, lo que es lo mismo, 3.6 MJ/m2. IRRADIANCIA Es la magnitud que describe la radiación o intensidad de iluminación solar que llega hasta nosotros medida como una potencia instantánea por unidad de superficie, W/m2 o unidades equivalentes. IRRADIACION Es la cantidad de irradiancia recibida en un lapso de tiempo determinado, es decir, la potencia recibida por unidad de tiempo y por unidad de superficie. Se puede medir en Wh/m2 o, en caso de un día, Wh/m2-día o unidades equivalentes.

CALCULO DE LAS HORAS PICO HORAS PICO Para calcular el valor de las horas pico “HPS” se debe dividir el valor de la irradiación incidente entre el valor de la potencia de irradiancia en condiciones estándar de medida (STC), pues es en esas condiciones donde se cumplen las características de los módulos fotovoltaicos. PAGINA WEB DE NASA 1.

En la página web de la NASA obtendremos el valor de la irradiación promedio por mes en el periodo de un año.

2.

La página web a utilizar es: https://power.larc.nasa.gov

3.

Luego seleccionamos: Data Access, y nos mostrará la etiqueta “POWER DATA ACCESSVIEWER”. Luego seleccionamos los datos que necesitamos obtener y obtenemos:

4.

CALCULO DE LAS HORAS PICO 2.

La página web a utilizar es: https://power.larc.nasa.gov

CALCULO DE LAS HORAS PICO 3.

Luego seleccionamos: Data Access, y nos mostrará la etiqueta “POWER DATA ACCESS VIEWER”.

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Luego seleccionamos los datos que necesitamos obtener y obtenemos:

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Luego seleccionamos los datos que necesitamos obtener y obtenemos:

Aquí debemos seleccionar el lugar de instalación.

Luego seleccionamos “Climatology”

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Luego seleccionamos los datos que necesitamos obtener y obtenemos:

Aquí debemos seleccionar el lugar de instalación.

Luego seleccionamos “Climatology”

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Ahora seleccionamos el formato de salida de los datos: ASCII

Seleccionamos el formato de salida de datos.

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Ahora seleccionamos los parámetros que queremos: seleccionamos la carpeta “Tilted Solar Panels” y dentro de este el documento: “Solar irradiance for equator facing Tilted surfaces ….”

Seleccionamos la carpeta: “Tilted Solar Panels”

Seleccionamos el documento “Solar irradiance for equator facing Tilted surfaces …”

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Finalmente ir a “Submit and Process” y presionar: Submit.

Buscar “Submit and Process”

Seleccionamos “Submit” y procesará la data necesaria.

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Tendremos la siguiente pantalla y al hacer click en ASCII se mostrará la data.

Hacer click para que se muestre la data.

CALCULO DE LAS HORAS PICO 4.

Tendremos la siguiente pantalla y al hacer click en ASCII se mostrará la data.

Utilizar la data para superficie horizontal.

Utilizar el menor valor para calcular el número de horas pico.

Cálculo del regulador solar PWM necesario https://www.monsolar.com/blog/calculo-de-regulador-solar-pwm-necesario/

I. 1.

Paso I: Corriente de carga de un panel solar

PARA PODER CALCULAR EL REGULADOR DE CARGA PWM NECESARIO PARA UNA INSTALACIÓN DE PANELES SOLARES, DEBEMOS CONOCER DOS CARACTERÍSTICAS DE LOS PANELES SOLARES: a)

El número de células solares de los paneles solares. Los reguladores de carga PWM sólo se pueden utilizar con paneles solares de 12V y 36 células, o de 24V y 72 células.

b)

La corriente en el punto de funcionamiento de máxima potencia de la placa solar, Imp. Esta se puede consultar en la ficha de características técnicas del fabricante.

II. 2.

Paso II: Cálculo de la corriente de carga del conjunto de paneles

UNA VEZ SE CONOCE LA CORRIENTE DE MAXIMA POTENCIA Imp DE UN PANLE SOLAR, DEBEMOS VER LA CONFIGURACIÓN DE CONEXIONES DEL CONJUNTO DE PANELES TENIENDO EN CUENTA QUE: a)

Paneles solares conectados en serie, sumamos la tensión Vmp y la Imp se mantiene igual para el conjunto.

b)

Paneles solares conectados en paralelo, sumamos la corriente Imp y la Vmp se mantiene igual para el conjunto.

c)

Por ejemplo: Dos paneles de 12V con Vmp=18V e Imp=3.89A. Conectados en serie dan un conjunto de Vmp=36V e Imp=3.89 Amperios. Pero, si los conectamos en paralelo, tenemos: Un conjunto de Vmp=18V e Imp=7.78 Amperios. Pero, si tenemos el conjunto serie paralelo 2x2: el conjunto tendrá una Vmp=36V e Imp=7.78 Amperios.

III. 3.

Paso III: Selección del regulador de carga PWM necesario

EN LA FICHA TECNICA DEL REGULADOR PODEMOS CONSULTAR LA CORRIENTE MAXIMA DE CARGA ADMITIDA POR EL REGULADOR SOLAR, TOMANDO EN CUENTA LA TENSIÓN DEL COJUNTO 12V/24V. a)

Esta corriente no debe ser nunca superada por la corriente procedente de los paneles solares. Se recomienda dejar un margen de seguridad del 10% al 20%.

b)

En nuestro primer ejemplo, el Imp del conjunto es de 3,89 A, entonces elegiremos el regulador solar PWM de 10 Amperios de capacidad.

c)

En el caso de la conexión paralelo, el Imp del conjunto es de 7.78 Amperios, por lo tanto, también elegiremos el regulador solar PWM de 10 Amperios de capacidad.

d)

En el caso de la conexión serie-paralelo, el Imp del conjunto es de 7.78 Amperios, por lo tanto, también elegiremos el regulador solar PWM de 10 Amperios de capacidad.

e)

Si en nuestro cálculo la Imp del conjunto es de 16A elegiremos un regulador solar PWM de 20A.

IV. 4.

Paso IV: Recomendaciones que se debe observar

RECOMENDACIONES a)

Con reguladores PWM la tensión de trabajo del campo fotovoltaico debe coincidir con la de la batería. Utilizaremos paneles solares de 12V para cargar baterías de 12V. Paneles solares de 24V para cargar baterías de 24V. Debemos considerar configuraciones de dos paneles solares de 12V en serie para cargar baterías de 24V.

b)

No utilizar reguladores PWM con placas solares de 60 células solares.

c)

Los reguladores PWM se dicen que son bitensión, es decir que pueden funcionar tanto a 12V como a 24V. Este hecho es debido a que lo único importante para el regulador solar es la corriente de carga.

d)

La corriente de carga nunca debe superar la máxima permitida por el regulador solar PWM.

e)

No conectar en serie placas solares con distinto número de células solares.

Cálculo del regulador solar MPPT necesario https://www.monsolar.com/blog/calcular-regulador-solar-mppt-necesario/

I.

Paso I: Concepto de funcionamiento del regulador solar MPPT

A diferencia del cálculo de un regulador de carga PWM necesario donde sólo necesitamos conocer la corriente de carga Imp del conjunto de paneles solares para seleccionar el regulador. Para el cálculo del regulador MPPT necesitamos conocer mucha más información. 1.

El regulador solar MPPT es capaz de separar la tensión de funcionamiento de los paneles solares de la tensión de la batería. De esta manera el seguidor del punto de máxima potencia (MPPT) podrá situar la tensión de trabajo del conjunto de paneles solares en la óptima para obtener la máxima producción. a)

Los paneles solares de 12V están compuestos por 36 células conectadas en serie y su punto de máxima potencia es a una tensión de trabajo Vmp de 18V aproximadamente.

b)

Los paneles solares de 24V están compuestos por 72 células conectadas en serie y su punto de máxima potencia es a una tensión de trabajo Vmp de 37V aproximadamente.

c)

Los paneles solares de 60 células conectadas en serie tienen su punto de máxima potencia a una tensión de trabajo Vmp de 30V aproximadamente.

I. 2.

Paso I: Concepto de funcionamiento del regulador solar MPPT

En un regulador solar PWM cuando un panel solar de 12V se conecta a una batería de 12V, la tensión de trabajo del conjunto la marcará la batería. Esta tensión de batería variará desde los 12V, cuando esté descargada, hasta los 14.4V durante la fase de carga. Por lo tanto, el panel solar trabajará normalmente fuera de los 18V donde obtiene su máximo rendimiento.

3.

Por el contrario, con el regulador solar MPPT, siempre que la tensión de los paneles solares sea al menos de 2V superior a la de la batería, el seguidor del punto de máxima potencia buscará continuamente la tensión donde el panel solar produce más energía y luego transformará esta energía mediante un convertidor DC/DC a la tensión necesaria para cargar la batería.

II. 1.

Paso II: Datos que debemos conocer

Del regulador solar MPPT: a)

Máxima corriente de carga: suele venir expresada en el propio nombre del regulador solar. También se puede consultar en la ficha de características técnicas del fabricante.

b)

La máxima tensión de circuito abierto FV permitida (Vccmáx). Puede consultarse en la ficha de características técnicas proporcionada por el fabricante.

2.

De los paneles solares: a)

Potencia del panel solar. Viene expresada en el nombre del panel.

b)

Tensión a máxima potencia Vmp. Tensión a la que trabaja el panel solar cuando está trabajando.

c)

Tensión de circuito abierto Voc. Es la máxima tensión que puede alcanzar el panel cuando no hay paso de corriente.

d)

Máxima variación de Voc respecto a la temperatura. La tensión de un panel solar puede llegar a incrementarse hasta unos 3V con temperaturas muy frías (-10°C).

II. 3.

Paso II: Datos que debemos conocer

De la instalación solar: a)

La potencia total de los paneles solares. Será la potencia de cada panel solar multiplicado por el número total de paneles solares.

b)

La tensión de funcionamiento del sistema solar. Es la tensión de la batería solar y del inversor, pudiendo ser 12V, 24V ó 48V.

III.

Paso III: Limitaciones de configuración

1.

No se pueden conectar en serie paneles solares con diferente número de células solares.

2.

Las cadenas de paneles solares deben ser de igual longitud. No podemos tener en paralelo una cadena de 2 paneles solares con una de 3 paneles, por ejemplo.

3.

La tensión del grupo de paneles solares debe ser al menos 2V superior a la tensión de la batería en todo momento. Debemos tener en cuenta las variaciones de tensión de la batería dependiendo del estado de carga. Ejemplo, las baterías de 12V variarán entre 11V y 14.4V, baterías de 24V variarán entre 23V y 28.8V, etc.

4.

No se puede exceder la tensión máxima de circuito abierto FV bajo ninguna circunstancia.

5.

La máxima corriente de carga del regulador solar no puede superarse. El regulador MPPT limitará la corriente a lo máximo permitido. En un regulador solar PWM esta corriente no puede excederse bajo ningún concepto.

IV. 1.

Paso IV: Cálculo del regulador solar MPPT

Dividiremos la potencia total de paneles solares por la tensión de la batería para conocer la corriente máxima de carga. Ptot / Vbat = Imáx a)

Por ejemplo, un sistema solar con baterías de 24V y 6 paneles solares de 240W de 60 células. Potencia total instalada: 6 x 240W = 1440 Wp, entonces 1440Wp/24V = 60A

b)

Necesitamos un regulador solar MPPT de 60 amperios.

V. 1.

Paso V: Configuración del regulador solar MPPT

Luego de conocer se necesita un regulador de 60 amperios, consultamos ficha técnica y ver la máxima tensión de circuito abierto FV permitida. Normalmente será 100V ó 150V. No puede sobrepasarse.

2.

Teniendo en cuenta que no podemos poner cadenas con diferente número de paneles solares, 6 paneles sólo se podrán configurar en matrices de: 1x6, 2x3 y de 3x2.

3.

Calculamos la tensión de circuito abierto de cada cadena multiplicando la Voc de cada panel solar por el número de paneles solares en serie: (para nuestro ejemplo los paneles tienen Vmp: 30V y Voc: 37V). a)

Matriz 1x6 (en serie): 37V x 6 = 222V, sobrepasa el valor de la tensión máxima de circuito abierto. No se puede configurar de esta manera los paneles.

b)

Matriz 3x2 (2 cadenas de 3 paneles en serie): 37V x 3 = 111V, puede configurarse si nuestro MPPT es de Vccmáx=150V.

c)

Matriz 2x3 (3 cadenas de 2 paneles en serie): 37V x 2 = 74V, puede configurarse en MPPT con Vccmáx = 100V ó 150V.

V. 4.

Paso V: Configuración del regulador solar MPPT

Tendremos en cuenta el posible incremento de la Voc respecto a la temperatura. En el ejemplo la Voc podría llegar a ser de 40V y la tensión de las cadenas sería: a)

Matriz 1x6 (en serie): 40V x 6 = 240V, sobrepasa el valor de la tensión máxima de circuito abierto. No se puede configurar de esta manera los paneles.

b)

Matriz 3x2 (2 cadenas de 3 paneles en serie): 40V x 3 = 120V, puede configurarse si nuestro MPPT es de Vccmáx=150V.

c)

Matriz 2x3 (3 cadenas de 2 paneles en serie): 40V x 2 = 80V, puede configurarse en MPPT con Vccmáx = 100V.

VI.

Paso VI: Cálculo de los conductores

Para calcular la sección de los conductores tendremos en cuenta que la tensión de los paneles solares no es la tensión de la batería: a)

Tramos campo fotovoltaico hasta el regulador solar MPPT: a)

La tensión vendrá determinada por la tensión de la cadena. Número de paneles solares conectados en serie.

b) b)

La corriente será igual a la corriente de la cadena por el número de cadenas en paralelo.

Tramo regulador hasta la batería solar: a)

La tensión será la tensión de la batería.

b)

La corriente de carga es igual a la potencia instalada dividida por la tensión de la batería (Icar = Ptot/Vbat).

Cálculo del inversor solar necesario https://www.monsolar.com/blog/calcular-regulador-solar-mppt-necesario/

I.

Paso I: Descripción técnica del inversor solar

El inversor solar o inversor de corriente es el responsable de convertir la tensión contínua almacenada en las baterías o generada directamente por los paneles solares en energía preparada para ser consumida por el hogar o nave donde a sido realizada la instalación solar. Los Inversores solares pueden formar parte de una instalación fotovoltaica conectada a red, o bien, formar parte de una instalación solar aislada. 1.

Inversores de onda senoidal pura, se caracterizan por generar energía eléctrica siempre sinusoidal, de la misma calidad y características que la energía eléctrica.

2.

Inversores de onda senoidal modificada, se trata de inversores que pueden ser utilizados en aparatos eléctricos, pero prestando especial atención a las características del aparato, pues no todos los inversores de onda senoidal modificada son válidos para cualquier instalación.

3.

Inversores híbridos, que se caracterizan por uso de la red eléctrica convencional y baterías, por lo que se puede utilizar tanto para instalaciones aisladas como de conexión a red.

I. 4.

Paso I: Descripción técnica del inversor solar

Inversores cargadores, como su nombre indica, integran un cargador que es capaz de cargar las baterías cuando se da excedente de energía fotovoltaica.

5.

Inversores de conexión a red, se caracterizan por ser capaces tanto de trabajar como un inversor tradicional como de redirigir la energía eléctrica cuando no se obtenga energía solar de las placas solares por cualquier causa, tal como: un día de tormenta o las horas nocturnas.

II. 1.

Paso II: Compatibilidad de los inversores de corriente con las baterías

La elección de un inversor de corriente va directamente relacionado con el voltaje de la batería de la

instalación, pues optar por un inversor solar con voltaje diferente al de la batería no permitirá el correcto funcionamiento de la instalación. 2.

Por lo que, una batería de 12V deberá ir conectada a un inversor de corriente 12V, una batería de 24V irá conectada a un inversor de corriente de 24V y una batería de 48V (o conjunto de baterías que conectadas en total sumen 48V) irá conectada a un inversor de corriente de 48V, y así sucesivamente.

III. 1.

Paso III: Características de los inversores solares

Potencia del inversor: la potencia nominal del inversor es la máxima potencia sostenida que puede ofrecer el inversor. Se puede ofrecer en dos unidades, en vatios (W) y voltio-amperios (VA). Ambas unidades se refieren a potencia y se diferencian por el tipo de consumidor que haya. Las cargas resistivas no tienen ningún desfase y la potencia que demandan son directamente vatios. En cambio, en caso de cargas inductivas o capacitivas, la tensión e intensidad desfasadas entre sí, consumiendo voltio-amperios.

2.

Potencia máxima del inversor solar: La potencia máxima que puede ofrecer un inversor suele ser el doble de la nominal. Se da durante pocos segundos, y sirve para responder a los picos de consumo de cargas como motores al arrancar.

3.

Temperatura del inversor fotovoltaico: Los inversores tienen una potencia nominal definida en unas condiciones, habitualmente a 25ºC. Cuando la temperatura ambiente aumenta la disipación del calor generado por efecto Joule en el propio inversor se hace más dificultosa y en consecuencia la potencia que puede ofrecer el inversor disminuye.

III. 4.

Paso III: Características de los inversores solares

Tensión del inversor:  La tensión de un inversor define la tensión del banco de baterías que hay que conectar al inversor para que funcione. Los inversores de 12V suelen tener potencias bajas, hasta unos 2.000W, los inversores de 24V potencias intermedias de 2.000W a 3.000W y los de 48V de 4.000W a 10.000W. Esto se debe a la conversión de energía de corriente continua a alterna y a la intensidad que pase por la línea de batería a inversor.

5.

Consumo en standby del inversor: El consumo en standby es el consumo que tiene un inversor aún cuando no haya consumos a su salida. Cuanto mayor sea la potencia del inversor mayor será el consumo en standby.

6.

Mantenimiento del inversor solar o inversor de corriente: los inversores de corriente no requieren de un especial mantenimiento.

IV. 1.

Paso IV: Dimensionamiento del inversor solar necesario

Explicaremos mediante un ejemplo: se requiere dimensionar el inversor para un sistema solar fotovoltaico que sea capaz de soportar una carga con un consumo de 9592 Wh.

2.

Se debe conocer la potencia de consumo que va a necesitar alimentar el inversor en un determinado momento de tiempo: Tomemos el cuadro que mostramos con algunos datos, en el que tenemos potencia total de las cargas, horas de uso y consumo promedio diario. Recordar que debe ser tomada en cuenta la eficiencia de los inversores que típicamente es de 95%. Equipo

Potencia (W)

Cantida d

Potencia total (W)

Horas de uso (h/día)

Consumo (Wh/día)

TV con receptor

250

1

250

4

1000

Refrigerador

500

1

500

12

6000

Bombillo

12

5

60

4

240

Bomba de agua 1/2HP

1176

1

1176

2

2352

Total

1986

9592

IV. 3.

4.

Paso IV: Dimensionamiento del inversor solar necesario

Luego, los datos que tenemos son los siguientes: a)

Potencia de carga (Pcarga-AC): 1986W.

b)

Eficiencia del inversor (EffInv): 0.95

c)

% de seguridad (FS): 1.25

d)

Factor de potencia (FP): 0.8 (valor típico en nuestro lugar de consumo)

Entonces, para calcular la potencia del inversor se utiliza la siguiente ecuación:

Scarga = Potencia del inversor = FS

x

Pcarga-AC FP x EffInv

=

1.25 x

1986 0.8 x 0.95

=

3266.4W

IV. 5.

Paso IV: Dimensionamiento del inversor solar necesario

Ahora seleccionamos el inversor correspondiente: a)

Potencia del inversor: 3266.4W.

Ejemplo de cálculo de un sistema fotovoltaico aislado

PRIMER PASO ESTUDIO DE CONSUMO ELECTRICO

Debemos revisar los datos de placa de los aparatos que queremos alimentar con energía eléctrica, extrayendo el dato de potencia en watts. En caso no tenga el dato de la potencia que consume, pero si trae los datos de voltaje y corriente, podremos utilizar las fórmulas: Potencia = Voltaje * Amperaje Voltaje = Potencia / Amperaje Amperaje = Potencia / Voltaje

PRIMER PASO ESTUDIO DE CONSUMO ELECTRICO Elaboramos la siguiente tabla: Aparatos TV FOCOS (5) LICUADORA REFRIGERADOR MICROONDAS MODEM LAP TOP BOMBA DE AGUA

Voltaje (V)

Corriente (I)

Potencia (W)

Hr/día

Días /semana

Consumo energía

PRIMER PASO ESTUDIO DE CONSUMO ELECTRICO Consumo de energía promedio diario: Consumo EPD= (Ca * V * A * Hr/día * Días/semana)/7 Aparatos

Cantidad (Ca)

Voltaje (V)

Días /semana

Consumo EPD

TV

1

120

1.66

199.2

6

5

853.71

FOCOS

5

120

2

1200

4

7

4800

LICUADORA

1

120

6

720

0.06

1

6.17

REFRIGERADOR

1

120

5

600

11

7

6600

MICROONDAS

1

120

7.5

900

0.25

2.5

80.35

MODEM

1

120

0.5

60

24

7

1440

LAP TOP

1

120

2

240

4

6

822.85

BOMBA DE AGUA

1

120

6.21

745.2

0.5

7

372.6

38.87

4664.4

TOTAL

Corriente (A)

Potencia (W)

Hr/día

14975.68

SEGUNDO PASO CENTRAMOS LOS DATOS CALCULADOS DEL ESTUDIO DE CONSUMO ELECTRICO Corriente Total (IT) = 38.87 A Potencia Total (PT) = 4,664.4 WATTS Consumo Energía (ET) = 14,975.68 Wh

DETERMINAMOS LA CANTIDAD DE PANELES SOLARES Y LA FORMA EN QUE SE CONECTARÁN

FORMULA A UTILIZAR:

No. DE PANELES =

ET * 1.3 HSP * POTENCIA DEL PANEL

ET: CONSUMO TOTAL 1.3: FACTOR DE SEGURIDAD HSP: Se debe calcular de acuerdo al lugar de instalación del sistema.

SEGUNDO PASO DETERMINAMOS LAS HSP A UTILIZAR, DE ACUERDO A LUGAR DE INSTALACIÓN DEL SISTEMA FV Con ayuda del Google Maps o directamente en la web de la NASA donde obtendremos los datos de la irradiación que se tiene en el lugar de interés Latitud: Longitud: INGRESANDO A LA PAGINA WEB DE LA NASA, OBTENEMOS EL VALOR DE LA IRRADIANCIA POR MES Los datos de irradiación son en KWh/m2-día:

De todos loa Valores, tomamos el de menor magnitud, pues ese mes sería el escenario ma desfavorable: 3.07 KWh/m2-día. Por lo tanto, el HSP= 3070 Wh/m2-día/1000 WH/m2-día = 3.07 horas de sol.

SEGUNDO PASO DETERMINAMOS LA CANTIDAD DE PANELES SOLARES Y LA FORMA EN QUE SE CONECTARÁN

CENTRAMOS LOS DATOS CALCULADOS DEL ESTUDIO DE CONSUMO ELECTRICO

FORMULA A UTILIZAR: ET * 1.3 No. DE PANELES = HSP * POTENCIA DEL PANEL

ET: CONSUMO TOTAL 1.3: FACTOR DE SEGURIDAD HSP: HORAS PICO DE SOL = 3.07 horas

No. DE PANELES =

3.07 h* 340 W

Consumo Energía (ET) = 14,975.68 Wh

DATOS DE PANEL

APLICANDO LA FORMULA: 14,975.68 Wh * 1.3

Corriente Total (IT) = 38.87 A Potencia Total (PT) = 4,664.4 WATTS

= 18.65 PANELES = 20 PANELES *

Potencia (W) = 340 W Voltaje (V) = 38.2 V Corriente (A) = 8.91 A

* SI LA CANTIDAD DE PANELES ES UN MAYOR NUMERO Y EL AREA DE INSTALACION NO ES SUFICIENTE, DEBERAN UTILIZAR UN PANEL DE MAYOR POTENCIA.

DATOS DE PANEL Potencia (W) = 340 W Voltaje (V) = 38.2 V Corriente (A) = 8.91 A

TERCER PASO CUAL ES EL ARREGLO QUE DEBEMOS ADOPTAR PARA CONECTARLOS DETERMINEMOS LAS CARACTERISTICAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE CONEXION CONEXIÓN EN SERIE

VS = 38.2 * 20 = 400 V

IS = 8.91 A

CONEXIÓN EN PARALELO

VS = 38.2 V

IS = 8.91 * 20 = 178.2 A

MIXTO 4 X 5

VS = 38.2 * 4 = 152.8 V

IS = 8.91 * 5 = 44.55 A

MIXTO 5 X 4

VS = 38.2 * 5 = 191 V

IS = 8.91 * 4 = 35.64 A

MIXTO 2 X 10

VS = 38.2 * 2 = 76.4 V

IS = 8.91 * 10 = 89.1 A

MIXTO 10 X 2

VS = 38.2 * 10 = 382 V

IS = 8.91 * 2 = 17.82 A

“PARA SABER QUE ARREGLO DE PANELES USAR ES DE ACUERDO A TRES REGLAS”

TERCER PASO CUAL ES EL ARREGLO QUE DEBEMOS ADOPTAR PARA CONECTARLOS “PARA SABER QUE ARREGLO DE PANELES USAR ES DE ACUERDO A TRES REGLAS”

1.

EL VOLTAJE DE SALIDA SEA MAYOR QUE LA CORRIENTE DE SALIDA (Vs > Is)

2.

LA CORRIENTE DE SALIDA (IS) DEBE SER MAYOR O IGUAL A LA CORRIENTE TOTAL (IT). (Is >= It) ESTE DATO ES EL QUE OBTUVIMOS EN EL ESTUDIO DE CONSUMO, IT = 38.8 A

3.

EL DE MENOR VOLTAJE DE SALIDA (< Vs) (SE USA SI USANDO LAS DOS PRIMERAS REGLAS AUN NOS QUEDAN OPCIONES POR ELEGIR)

Consideraciones: 1.- VS > IS IT = 38.8 A 2.- IS >= IT 3.- EL DE MENOR VS

TERCER PASO CUAL ES EL ARREGLO QUE DEBEMOS ADOPTAR PARA CONECTARLOS

“PARA SABER QUE ARREGLO DE PANELES USAR ES DE ACUERDO A TRES REGLAS”

REGLAS 1

2

CONEXIÓN EN SERIE

VS = 38.2 * 20 = 400 V

IS = 8.91 A

OK

X

CONEXIÓN EN PARALELO

VS = 38.2 V

IS = 8.91 * 20 = 178.2 A

X

OK

MIXTO 4 X 5

VS = 38.2 * 4 = 152.8 V

IS = 8.91 * 5 = 44.55 A

OK

OK

MIXTO 5 X 4

VS = 38.2 * 5 = 191 V

IS = 8.91 * 4 = 35.64 A

OK

X

MIXTO 2 X 10

VS = 38.2 * 2 = 76.4 V

IS = 8.91 * 10 = 89.1 A

X

OK

MIXTO 10 X 2

VS = 38.2 * 10 = 382 V

IS = 8.91 * 2 = 17.82 A

OK

6/11/2020

Entonces seleccionamos la alternativa

……….. CONTINUARA EN SESION del 22-11-2018

3

X 64

TERCER PASO

CENTRAMOS LOS DATOS CALCULADOS DEL ESTUDIO DE CONSUMO ELECTRICO Corriente Total (IT) = 38.87 A Potencia Total (PT) = 4,664.4 WATTS

Consumo Energía (ET) = 14,975.68 Wh CALCULO DEL REGULADOR DE CARGA (https://www.youtube.com/watch?v=Viqv4th6nkQ)

SE REALIZA EL CÁLCULO DEL REGULADOR NECESARIO, PUESTO QUE POR REQUERIMIENTOS TECNICOS PODRIAMOS TENER QUE VARIAR LA CANTIDAD DE PANELES NECESARIOS: POR LA POTENCIA QUE SE TIENE 4664.4W, DEFINIMOS QUE EL VOLTAJE DEL SISTEMA ES: 48V EL VOLTAJE DEL SISTEMA ES 152.8V Y LA CORRIENTE ES DE 44.55 AMPERIOS. POR LAS CARACTERISTICAS DEL REGULADOR DE CARGA, QUE TIENE COMO MAX. PV POTENCIA DE ENTRADA: 3200W (48V), TENDREMOS QUE INSTALAR DOS REGULADORES, TAL VEZ.

6/11/2020

CUARTO PASO CALCULO DEL INVERSOR QUE NECESITAMOS DEBEMOS SELECCIONAR EL INVERSOR QUE NECESITAMOS, PUESTO QUE DE ELLO DEPENDERA LA SELECCIÓN DEL VOLTAJE DE LA BATERÍA O BATERÍAS QUE NECESITAMOS. ENTONCES APLICANDO LA METODOLOGÍA EXPLICADA, PARA CALCULAR LA POTENCIA MÍNIMA NECESARIA QUE DEBE TENER EL INVERSOR Y PROCEDER A SELECCIONARLO:

4.

a)

Potencia de carga (Pcarga-AC): 4664.4W.

b)

Eficiencia del inversor (EffInv): 0.95

c)

% de seguridad (FS): 1.25

d)

Factor de potencia (FP): 0.8 (valor típico en nuestro lugar de consumo)

Entonces, para calcular la potencia del inversor se utiliza la siguiente ecuación:

Scarga = Potencia del inversor = FS

x

Pcarga-AC FP x EffInv

=

1.25 x

4664.4 0.8 x 0.95

=

7671.71W

CUARTO PASO CALCULO DEL INVERSOR QUE NECESITAMOS CON EL RESULTADO OBTENIDO SELECCIONAREMOS EL INVERSOR NECESARIO:

Scarga = Potencia del inversor = FS

x

Pcarga-AC FP x EffInv

=

1.25 x

4664.4 0.8 x 0.95

=

7671.71W

SELECCIONAMOS

CENTRAMOS LOS DATOS CALCULADOS DEL ESTUDIO DE CONSUMO ELECTRICO

QUINTO PASO CALCULO DE BATERIAS

Corriente Total (IT) = 38.87 A Potencia Total (PT) = 4,664.4 WATTS Consumo Energía (ET) = 14,975.68 Wh

UNO DE LOS PUNTOS IMPORTANTES ES TOMAR EN CUENTA CUANTA POTENCIA TENEMOS INSTALADA, PORQUE DE ELLO DEPENDERÁ LA TENSIÓN DEL INVERSOR. COMO TENEMOS UNA POTENCIA DEL INVERSOR DE 7671.7 W, EL INVERSOR SELECCIONADO TIENE 8000 W DE ACUERDO A CATÁLOGO. LA TENSIÓN DE CONEXIÓN SERÁ DE 48 VDC SEGÚN LA INDICACIÓN DEL CATÁLOGO DEL INVERSOR. ENTONCES EL BANCO DE BATERÍAS DEBERÁ SERA DE 48 VDC AHORA, EL CONSUMO DE ENERGÍA QUE TENEMOS ES: 14,975.68 Wh Y POR EFICIENCIA DEL BANCO TOMAMOS EL VALOR DE 0.9, ENTONCES LA ENERGÍA A CONSIDERAR PARA EL BANCO DE BATERÍAS SERÁ: 14,975.68 Wh/0.9 = 16639.64 Wh

ENTONCES, CUANTOS AH NECESITAMOS: 16639.64WH/48V = 346.66 AH EL BANCO DEBERÁ SER. PERO, TENEMOS EL FACTOR LIMITANTE DE LA DESCARGA, QUE ASUMIMOS 0.65, ENTONCES: 346.66AH/0.65 = 533.32 AH QUE DEBEMOS CONSIDERAR COMO LO QUE NECESITAMOS TENGA NUESTRO BANCO DE BATERÍAS

NOTA: El arreglo es 2 x 4 QUINTO PASO

Datos del panel:

Amperaje= 10 amperios Tensión= 50 voltios

CALCULO DEL N° DE BATERIAS

Potencia= 190 watts FORMULA A UTILIZAR:

CAPACIDAD PROMEDIO DIARIA (AHR)

ET

=

0.9 * VS

APLICANDO LA FORMULA: CAPACIDAD PROMEDIO DIARIA (AHR)

ET: CONSUMO TOTAL 0.9: FACTOR DE EFICIENCIA

=

VS : VALOR DEL ARREGLO MIXTO

VS= 152.8 V

14,975.68 Wh 0.9 * 152.8 V

IS= 44.55 A = 108.90 AH

QUINTO PASO CALCULO DE BATERIAS

NUMERO DE BATERIAS EN PARALELO O SERIE

No P =

CAPACIDAD PROMEDIO DIARAI (CP) LIMITE DE DESCARGA

X

DIAS DE AUTONOMIA

X

CAPACIDAD DE BATERIA

SI QUEREMOS TENER DIAS DE RESPALDO POR ALGUN PROBLEMA QUE SE TENGA

MANEJAREMOS 20% DE RESPALDO DE BATERIA PARA NO DESCARGARLA POR COMPLETO , TENIENDO DISPONIBLE 80%

ESTA DEPENDERA DE LA BATERIA A USAR EN ESTE CASO SERA DE 200 AH A 30 V.

QUINTO PASO CALCULO DE BATERIAS

NUMERO DE BATERIAS EN PARALELO

No BP =

CAPACIDAD PROMEDIO DIARAI (CP) LIMITE DE DESCARGA

X

DIAS DE AUTONOMIA

X

CAPACIDAD DE BATERIA

APLICANDO LA FORMULA: No BP =

108.90 AH 0.8

X X

1 150 AH

= 0.91

SI QUEREMOS TENER DIAS DE RESPALDO POR ALGUN PROBLEMA QUE SE TENGA

MANEJAREMOS 20% DE RESPALDO DE BATERIA PARA NO DESCARGARLA POR COMPLETO , TENIENDO DISPONIBLE 80%

NO TENDREMOS BATERIAS CONECTADAS EN PARALELO.

QUINTO PASO CALCULO DE BATERIAS

NUMERO DE BATERIAS EN SERIE

No BS =

VOLTAJE DE SALIDA VOLTAJE DE BATERIA

APLICANDO LA FORMULA: No BS =

152.8

=

3.18 = 4 UNIDADES

48

UTILIZAMOS LA CANTIDAD DE BATERIAS DE ACUERDO A LA CONEXIÓN QUE DECIDAMOS HACER

ENTONCES, SERAN 4 BATERÍAS DE 150 AH CADA UNA DE 48V, CONECTADAS EN SERIE.

QUINTO PASO LUEGO DEL CALCULO DE BATERIAS, AHORA CORRESPONDE VER LA CONEXIÓN ENTRE ELLAS SI SON CUATRO BATERÍAS, SE RECOMIENDA LA SIGUIENTE CONEXIÓN ENTRE ELLAS, CUANDO SE TENGA QUE CONECTAR EN EL TIPO DE CONEXIÓN MIXTA: (+)

+

-

+

-

+

-

+

-

POR EL BALANCEO DE LA CARGA Y DESCARGA.

(-)

USTEDES DEBEN DE CALCULAR EL REGULADOR QUE SE NECESITA Y SELECCIONARLO DE ALGUNA FICHA TECNICA ENTREGADA O QUE USTEDES ENCUENTREN. TAMBIEN DEBERÁN CALCULAR LOS CONDUCTORES A UTILIZAR, ENTRE EL BANCO DE PANELES Y EL REGULADOR, ASÍ COMO, ENTRE EL REGULADOR E INVERSOR Y ENTRE EL INVERSOR Y LEL BANCO DE BATERÍAS.

Gracias !!!!!