PROYECTO ESTIMATIVO DE DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO

FOTOVOLTAICO TRIFÁSICO CON CONEXIÓN A LA RED

ING. MSc. PINEDA BRICEÑO JOSÉ RAFAEL

Universidad de Los Andes

Mérida - Venezuela.

Proyecto Estimativo de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema

Eléctrico Fotovoltaico Trifásico con Conexión a la Red

Conferencista: Ing. MSc. José Rafael Pineda Briceño

Diplomado en Energía Solar Fotovoltaica.

Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela.

DE QUE TRATA ESTE TRABAJO • Es un primer informe estimativo.

• Datos requeridos: recurso solar, carga eléctrica y el área

disponible.

• Influencia de las variables meteorológicas.

• Influencia en el diseño de la selección de módulos e

inversor.

• Criterios aplicados para los cálculos de conductores.

• Corrección de los calibres de los conductores, por la acción

del Sol .

CUAL ES EL PROBLEMA A RESOLVER

• Dimensionar un arreglo FV con conexión

trifásica a la red, para alimentar una carga

eléctrica a 220 V., contando con una área de 50

m de largo x 40 m de ancho.

FIGURA ESQUEMATICA

ESQUEMA DEL SISTEMA

FOTOVOLTAICO

OPCIONES PARA EL DISEÑO FV

1. Haciendo uso de valores de consumo

promedios diarios mensuales, de la carga

eléctrica a alimentar.

2. Por área disponible.

UBICACIÓN DEL PROYECTO MÉXICO

• Latitud: 19.23º N

• Longitud: -99.3º O

• Al Sur Oeste de Ciudad de México, a unos 46

km del Aeropuerto de Ciudad de México D.F.

• Localidad: Cercana a Ajusco, México D.F.

VISTA AÉREA DE LA UBICACIÓN

VISTA AÉREA DE LA ZONA

CERCANA A LA UBICACIÓN

CARACTERISTICAS DEL RECURSO SOLAR Y TEMPERATURAS EN LA UBICACIÓN

CARACTERISTICAS METEREOLÓGICAS

DE LA UBICACIÓN

• Nivel pluviométrico diario: 0.013 mm/día a

3.61 mm/día. Promedio 1.81 mm/día.

• Temperatura máxima: 32.0 ºC.

• Clasificación Climática: Desértico.

VALORES PROMEDIOS DE NUBES Y

DÍAS DE SOL EQUIVALENTES

• Cantidad promedio anual de nubes 44.4 %

• Cantidad promedio mensual de nubes entre

26.4 % al 68.6 %.

• Días de Sol promedio anual de 5.46 horas

solares pico.

ATLAS DE RADIACIÓN SOLAR

DE MÉXICO

CARACTERÍSTICAS Y NECESIDADES DE CONSUMO DE LA CARGA CONECTADA

RENDIMIENTOS

• Rendimiento térmico.

Para una primera aproximación del

dimensionamiento.

• Rendimiento del Inversor

Según el fabricante del 95 %

CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS

Y FISÍCAS DEL MÓDULO SELECCIONADO El módulo solar seleccionado es el modelo SolarTec

S60MCBK-250. Módulos constituidos por 60 células

de 40 mm de espesor, incluyendo el marco. Potencia de Clase (W) 250

Potencia nominal (W) 250

Corriente de Corto circuito Isc (A) 8.62

Voltaje en circuito abierto Voc (V) 37.92

Corriente a potencia máxima IMPP 8.07

Voltaje a potencia máxima VMPP 30.96

Peso (kg) 20.5

Dimensiones (mm) 1640 x 992 x 40

Eficiencia (%) 15.37

CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS Y FISÍCAS

DEL MÓDULO SELECCIONADO (cont).

CALCULO DE LA POTENCIA PICO

• ECL = Valor promedio de energía consumida anual diaria ECL = 428.29 kWh

• Rs = Recurso solar promedio anual diario Rs = 5.46 kWh/m 2

• RT = Rendimiento térmico de acuerdo a la temperatura de la zona. RT = 0.85

• ETOT= Rcond x Rinv x Ro x Rd x Renv =

0.97 x 0.95 x 1.0 x 1.0 x 1.0 = 0.92

• Potencia pico calculada = 100.18 kWp

1

TOTTS

CL

ERR

EPp

CÁLCULO DEL NÚMERO DE MÓDULOS Y SUPERFICIE REQUERIDA

• Dividiendo la potencia pico calculada, entre la

potencia pico del módulo Nm = 400 Módulos

• Dividiendo la potencia pico, entre la eficiencia

del módulo para condiciones STC de 15.37 %

A = 686.06 m2

REPARTICIÓN DEL NÚMERO DE

MÓDULOS EN LA SUPERFICIE DISPONIBLE

• Los 400 módulos se pudieran sub-dividir en 4 sub-

arreglos de 100 módulos c/u, un inversor por cada

sub-arreglo.

• O los 400 módulos se pudieran sub-dividir en 2 sub-

arreglos de 200 módulos c/u, 1 inversor por cada sub-

arreglo.

• Cualquier de las opciones de la conformación elegida

debe tomar en consideración costos de equipos,

longitud de cables, número de estructuras soporte,

etc.

DECISIÓN FINAL DE LA

CONFIGURACIÓN ELEGIDA

• La disposición más adecuada en función de las

dimensiones del terreno, del área disponible, y la

orientación al Sur geográfico fue:

Dividir los 400 módulos en tres (03) sub-arreglos de

133 módulos c/u, con un (01) inversor por cada sub-

arreglo, con una potencia trifásica del inversor de

44.4 kW.

CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR

INVERSOR SELECCIONADO

Marca:

FRONIUS CL 44.4 kW

RENDIMIENTO TÉRMICO

Y LA TEMPERATURA DE LAS CELDAS • Primero: Se calcula lo que se define como constante

de propagación de temperatura del módulo C1, o es dado por el fabricante del módulo.

• Segundo: Se calcula la temperatura de la celda, o su corrección por temperatura; ya que la constante de propagación C1, fue calculada por el fabricante para las condiciones normales de operación (NOCT), a una temperatura de 20º C.

• Tercero : Se calculan los niveles de tensión que adquiere la celda, operando en los límites extremos de temperatura que pudiesen ocurrir en su lugar de ubicación.

RESULTADOS DEL CÁLCULO

DE RENDIMIENTO TÉRMICO

Ta (°C) Irradiancia G

(W/m2) T celda

(° C)

Gradiente (T celda-T(STC))

(° C)

Pérdidas potencia

(%)

Voltaje modulo V oc (V)

30 800

(NOCT) 57 (57-25) =32 14.08 27.59

32 (11 a.m. – 2 p.m)

900 62.38 (62.38-25)

=37.38 16.48 27.03

10.83 mínima promedio

300 20.96 (20.96-25)= -4.04 30.97

• Donde T(NOCT) = 47 º C. y Ta (NOCT) =20 º C

• T celda º C = Ta º C + C1 x G

= 0.03375 º C/(W/m2) C1 =

NÚMERO DE MÓDULOS EN SERIE

POR SUB ARREGLO Para garantizar una operación en el rango del inversor.

• Número de módulos en serie es igual a:

Ns =

Ns = = 12 módulos en serie

NÚMERO DE MÓDULOS EN

PARALELO POR SUB ARREGLO

• Número de módulos en paralelo es igual a:

Np =

Np = = 11 Módulos en paralelo

• Configuración sub-arreglo : 12S -11P .

• Arreglo total (3x(12S-11P)) = 99.0 kW

DISPOSICIÓN DE LOS MÓDULOS

EN EL ÁREA DISPONIBLE

• Además del ángulo de inclinación, es necesario evaluar las sombras entre cadenas. Estas se calculan con fecha del 21 de Diciembre del año inclinación solar mas desfavorable.

• Se evalúa la velocidad del viento para no conformar una estructura muy alta.

DISPOSICIÓN DE LOS MÓDULOS

EN EL ÁREA DISPONIBLE

Primera opción: Si la altura de la estructura es igual al alto

del módulo de 1.64 m, el espaciamiento entre cadenas de

módulos en paralelo es de 2.979 m.

Segunda opción: Si la altura de la estructura es igual al

ancho del módulo, de 0.992 m, el espaciamiento entre ellas

es de 1.805 m.

Decisión: Primera opción más espacio disponible

PLANO ESQUEMÁTICO DEL

ARREGLO FOTOVOLTAICO

PLANO ESQUEMÁTICO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO VISTA CON ANGULO

PLANO ESQUEMÁTICO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO OTRA PRESPECTIVA

SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL

ARREGLO FOTOVOLTAICO

Conductor Norma Iamp (A) Tabla usada

Calibre No.

Iamp (A) 90 °C

Iamp (A) 75 °C

1. Cadena en serie

Art. 690-8 NOM-001-SEDE-2012.

13.47 310-

15(b)(16) 14 25 20

• Corrección del conductor seleccionado

a) Por temperatura

b) Por agrupamiento

• Criterio: Se usa la Isc y se aplica la NOM-001- SEDE 2012 Art. 690-8 Iamp = 1.56 Isc

SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

Tabla usada

Distancia (mm)

Factor sumador

(° C)

Tabla usada

T correg

(° C) FCT

I correg

(A)

Calibre No.

I permitida

(A)

310-15(b)(3)(c)

13 33 310-

15(b)(2)(a) (32+33)=

65 0.47 28.66 12 30

• Corrección del conductor seleccionado cadena serie

a) Por temperatura por uso de conductores en canalizaciones circulares expuesta a la luz solar

Distancia por encima

del nivel del suelo (mm)

0-13

13-90

90-300

300-900

Sumador de temperatura (° C)

33 22 14 14

TABLA 310-15(b)(3)(c)

SELECCIÓN DE CONDUCTORES

DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

Rango de Temperatura del conductor

Temperatura ambiente (° C) 60 75 90

10 o menos 1.29 1.20 1.15

11-15 1.22 1.15 1.12

16-20 1.15 1.11 1.08

21-25 1.08 1.05 1.04

26-30 1.00 1.00 1.00

31-35 0.91 0.94 0.96

36-40 0.82 0.88 0.91

41-45 0.71 0.82 0.87

46-50 0.58 0.75 0.82

51-55 -0.41 0.67 0.76

56-60 - 0.58 0.71

61-65 - 0.47 0.65

TABLA 310-15(b)(2)(a)

SELECCIÓN DE CONDUCTORES

DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

Tabla ajuste por No. de

conductores FCA

I correg (A)

Tabla usada

Calibre No.

I permitida (A)

310-15 (b)(3)(a) 0.8 (28.66/0.8)=

35.82 310-15 (b)(16) 10 40

• Corrección del conductor seleccionado

b) Por agrupamiento para las 11 cadenas en paralelo

Se usan dos cajas de conexiones

Número de Conductores

4-6

7-9

10-20

21-30

31-40

41 o mas

% de ajustes de los valores de las

tablas

80

70

50

45

40

35

Tabla 310-15 (b)(3)(a)

SELECCIÓN DE CONDUCTORES

DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

Rango de Temperatura del conductor

Temperatura ambiente (° C) 60 75 90

10 o menos 1.29 1.20 1.15

11-15 1.22 1.15 1.12

16-20 1.15 1.11 1.08

21-25 1.08 1.05 1.04

26-30 1.00 1.00 1.00

31-35 0.91 0.94 0.96

36-40 0.82 0.88 0.91

41-45 0.71 0.82 0.87

46-50 0.58 0.75 0.82

51-55 -0.41 0.67 0.76

56-60 - 0.58 0.71

61-65 - 0.47 0.65

TABLA 310-15(b)(2)(a)

SELECCIÓN DE CONDUCTORES

DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

Tabla ajuste por No. de

conductores FCA

I correg (A)

Tabla usada

Calibre No.

I permitida (A)

310-15 (b)(3)(a) 0.8 (28.66/0.8)=

35.82 310-15 (b)(16) 10 40

• Corrección del conductor seleccionado

b) Por agrupamiento para las 11 cadenas en paralelo

Se usan dos cajas de conexiones

Número de Conductores

4-6

7-9

10-20

21-30

31-40

41 o mas

% de ajustes de los valores de las

tablas

80

70

50

45

40

35

Tabla 310-15 (b)(3)(a)

SELECCIÓN DE CONDUCTORES

DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO Tabla 310-15 (b)(16)

SELECCIÓN DE FUSIBLES

• El criterio establece :

1.56 veces Isc ≤ I fusible ≤ 2.4 veces Isc

bajo condiciones STC del Modulo, o cadena,

o Arreglo FV que este protegiendo.

13.45 A ≤ I fusible ≤ 20.7 A.

I fusible normalizado es de 15 A.

SELECCIÓN DE PROTECCION

CONTRA SOBRECORRIENTE (PRC) • El criterio establece :

• Colocar un PRC si hay más de (03) módulos en serie

• La PRC no mayor de 2 veces la Isc corregida, lo cual

asciende a (2 x 35.82) = 71.64 A.

• A una tensión de 1.25 veces la Voc del conjunto que

protege. Siendo Voc igual a (1.25 x 37.92 x 12) = 568.80

V.

• La protección (PCR) debe ser de 60 A. menor que

71.84 A.

FIGURA ESQUEMÁTICA PCR PRC es un fusible montado en un receptáculo tipo desconector o un interruptor termo magnético.

SELECCIÓN POR CAIDA DE TENSION DE LOS CONDUCTORES EN CORRIENTE

CONTINUA.

1. Desde la cadena hasta las cajas N.1 y N.2

• Como criterio se usa los valores de VMPP y IMPP

• El conductor elegido hasta ahora es un calibre

No. 10 con una R=4.226 (ohms/Km)

CAIDA DE TENSION EN

CORRIENTE CONTINUA (cont.) 2. Desde las cajas hasta los gabinetes de

desconexión • La Isc de cada sub arreglo es ISC= 11x 8.62 = 94.82 A

• Se aplica la norma NOM-001-SEDE 2012

• El cable que va en este trayecto trabaja a 40 º C

• El factor de disminución por ampacidad para el cable

con aislamiento a 90 º C es 0.91 Tabla 310-15 (b)(2)(a).

I (A) * I (A) ** Factor de

disminución

I correg.

(A)

Calibre No.

I (A) 90º C

I (A) 75º C

(1.25x94.82)=118.53 (1.25x118.53)= 148.16 0.91 162.81 2/0

AWG 195 175

* 125 % (UL) ** 125 %(NEC)

RESULTADOS DE CAIDA DE TENSION DE CADA CADENA HASTA LAS CAJAS N.1 y N.2

CALCULOS DE LOS ALIMENTADORES

A LOS INVERSORES • Se elige un conductor tal que la caída de tensión no

sea en ningún caso mayor al 3 %.

• Tres pares de conductor N 6 AWG de Cu.

• La tensión VMPP que llega al inversor N.1 es igual a

361.22 V. Valor cercano al punto medio de la

ventana de máxima potencia del inversor.

ENERGIA GENERADA POR EL

ARREGLO FOTOVOLTAICO

TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO

DE MODULOS

TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO DE MODULOS

TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO DE MODULOS

INYECCION DE LA ENERGIA NO

ABSORBIDA POR LA CARGA

MEDICION DE ENERGIA

MEDIDOR BI-DIRECCIONAL

CONCLUSIONES

1. Se puede apreciar que el único mes que no

se satisface la demanda es el mes de Febrero el de mayor consumo del año.

2. Costo estimado 2.5 USD/W lo que equivale a USD 247.500

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

El dar es una energía,

que no solo ayuda a otros.

También crea, aún más energía

para quien da.

ING. MSc. PINEDA BRICEÑO JOSÉ RAFAEL

Universidad de Los Andes

Mérida - Venezuela.