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Instalaciones Fotovoltaicas
Sistemas Fotovoltaicos Autónomos(Leocadio Hontoria)
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
AUTÓNOMOS
SFA
Instalaciones Fotovoltaicas
Sistemas Fotovoltaicos Autónomos(Leocadio Hontoria)
Índice1. Introducción
1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA
1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado Red SFCR
1.3. Analogías y Diferencias
1.4. Clasificación de los SFA
3. Métodos de Dimensionado
3.1. Clasificación
3.2. Métodos Intuitivos
3.3. Métodos Analíticos
3.4. Métodos Numéricos
2. Definiciones
2.1. Capacidad del Generador CA
2.2. Capacidad del Sistema de Acumulación CS
2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga
2.4. Curvas LLP
4. Dimensionado SFA
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1. Introducción
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Sistema de Generación
Regulador
Sistema Acumulación
Carga (LCC)Consumo
SFA 1. Sólo Consumo en Continua
1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA
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1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA
SFA 2. Consumo en Continua y Alterna
Sistema de Generación
Regulador
Sistema Acumulación
Carga (LCC)
Carga (LCA)Inversor
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1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado a Red SFCR
SFCR
Sistema de Generación
InversorRed Eléctrica Convencional
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Sistema de Generación
Analogías Diferencias
Regulador Sistema Acumulación Inversor
1.3. Analogías y Diferencias
Filosofía de Dimensionado
SFA: Cubrir una demanda de consumo. Fiabilidad en el servicio.
SFCR: Producción de Energía.
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1.4. Clasificaciones de los SFA•Según Aplicación:
•I. Electrificación Rural
•II. Productos de Consumo
•III. Aplicaciones Industriales
•Según Usos Sistema Acumulación:
•I. SFA sin Batería (PV-direct)
•II. SFA con Batería
•III. SFA Híbrido
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2. Definiciones
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Sistema de Generación.
Sistema de Acumulación (Baterías)
Sistema de Regulación (Regulador)
Sistema de Acondicionamiento de Potencia (Inversor)
Otros Elementos (Estructuras, cableado, cargas,..)
Sistema de Generación
Regulador
Sistema Acumulación
Carga (LCC)
Carga (LCA)Inversor
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2.1. Capacidad del Generador Normalizada al Consumo
Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y la energía consumida por la carga.
2.2. Capacidad del Acumulador Normalizada al Consumo
Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la energía consumida por la carga
CS
CA
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2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga
El mérito de un SFA se mide en términos de la fiabilidad con que suministra energía eléctrica a la carga
¿Cómo se cuantifica la fiabilidad?
Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP)
Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo de funcionamiento de una instalación
LLP = Déficit de energía
Demanda de energía
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2.4. Curvas LLP* Es posible encontrar diferentes pares de valores CA-CS que conducen al mismo valor de LLP
* A mayor tamaño del sistema fotovoltaico mayor es su coste, mayor su fiabilidad y menor su LLP
(CS,CA) = (8, 0.61)Generador “Pequeño”Acumulador “Grande”(CS,CA) = (2, 1.1)
Generador “Grande”Acumulador “Pequeño”
LOLP 0.01
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Cs
CA
LLP
CS
CA
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3. Métodos de Dimensionado
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3.1. Clasificaciones de los Métodos de Dimensionado
•Según Seguidor Punto de Máxima Potencia (MMP):
•I. Con Seguidor MMP
•II. Sin Seguidor MMP
•Según Relación CA-CS-LLP:
•I. Intuitivos
•II. Numéricos
•III. Analíticos
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Según Relación CA, CS y LLP* Métodos Intuitivos
•No establecen relación entre CA, CS y LLP
•Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el mes crítico o la energía producida en media anual, exceda a la consumida por la carga en un determinado factor de seguridad
* Métodos Numéricos
•Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación
* Métodos Analíticos
•La forma de las líneas isofiables sugiere la posibilidad de
describirlas analíticamente
•Presentan ecuaciones para describir las líneas isofiables
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3.2. Métodos Intuitivos
•No establecen relación entre CA, CS y LLP
•Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el mes peor, exceda a la consumida por la carga en un factor de seguridad
Por Ejemplo CA = FS1 CS = FS2
FS1 y FS2 factores arbitrarios
En España
FS1 / FS2 Aplicación
Doméstica Telecomunicación
Norte de España 1.2 / 5 1.3 / 8
Sur de España 1.1 / 4 1.2 / 6
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3.3. Métodos Numéricos
•Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación
Ventajas
Son muy precisos
Posibilitan refinamientos, incorporando modelos más completos para los diferentes elementos del sistema
Permiten analizar aspectos adicionales al dimensionado
Inconvenientes
Necesitan de largas secuencias de radiación para la simulación
Largo tiempo de cálculo
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3.4. Métodos Analíticos
•Relación entre CA, CS y LLP mediante ecuaciones
Autores: Barra, Bartoli, Macomber, Gordon, Bucciarelli
Método del Instituto de Energía Solar (IES)
CA = f CS-u
f = f1 + f2 log (LLP)
u = exp(u1 + u2 LLP)
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4. Pasos en el Dimensionado
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Pasos en el Dimensionado
1. Estimación del Consumo
2. Dimensionado Sistema de Generación (Generador Fotovoltaico)
3. Dimensionado Sistema de Acumulación (Baterías)
4. Dimensionado Sistema de Regulación (Regulador)
5. Dimensionado Sistema de Acondicionamiento de Corriente (Inversor)
6. Dimensionado del Cableado
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DefinicionesExpresiones
Paso 1 Estimación del Consumo
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Consumo Medio Diario Consumo eléctrico medio en un día cualquieraSímbolo Lmd Unidad Wh / día
Paso 1. Estimación del Consumo Definiciones
Consumo Medio Mensual Media mensual del anterior(Se considera igual al anterior)
Consumo Total AnualProducto del Consumo Medio Diario por el número de días de consumo a lo largo de un añoSímbolo LT Unidad Wh
Consumo Medio AnualMedia anual del anteriorSi el consumo medio diario es constante a lo largo del año, coincidirá con éste Símbolo Lma Unidad Wh / día
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Consumo DC LmdDC = P(DC)i ·tdi
Consumo AC LmdAC = P(AC)i ·tdi
Lmd,DC : Energía consumida en DC (Wh/dia)LmdAC : Energía consumida en AC (Wh/dia)P(D,C)i : Potencia Nominal Elemento DC i (W) P(AC)i : Potencia Nominal Elemento AC i (W) tdi :Tiempo diario de uso (h)
Lmd : Consumo Medio Diario(Wh/día)BAT : Rendimiento de la bateríaINV : Rendimiento del inversorCON : Factor Rendimiento Conductores
Consumo Medio Diario [Lmd (Wh /dia)]
Consumo Total Anual [LT (Wh)]
Consumo Medio Anual [Lma (Wh /dia)]
Nd : Número días
LT = Lmd * Nd
Lma = LT / Nd
Paso 1. Estimación del Consumo Expresiones
CONBAT
INV
ACmdDCmd
md
LL
L
,,
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Dimensionado GeneradorPosición Óptima de Módulos
Criterio 1. Criterio del Mes Crítico
Criterio 2. Criterio Máxima Captación
Energética Anual
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Posición Óptima Módulos. Criterio Mes CríticoA. Orientación SUR ( = 0)B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada (Gd (kWh/m2))
Gd Global (kWh/m2) Mes 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º
Ene 1,385 1,514 1,584 1,625 1,636 1,617 1,569 Feb 2,036 2,139 2,176 2,176 2,139 2,066 1,960 Mar 3,062 3,104 3,078 3,004 2,882 2,718 2,516 Abr 4,040 4,041 3,970 3,837 3,647 3,405 3,119 May 4,121 4,109 4,024 3,872 3,658 3,387 3,069 Jun 4,743 4,702 4,587 4,399 4,143 3,828 3,464 Jul 4,558 4,526 4,421 4,244 4,002 3,701 3,352
Ago 4,071 4,075 4,005 3,870 3,674 3,423 3,126 Sep 3,571 3,584 3,530 3,421 3,260 3,053 2,806 Oct 2,374 2,467 2,492 2,474 2,415 2,316 2,180 Nov 1,624 1,744 1,803 1,829 1,823 1,785 1,716 Dic 1,205 1,342 1,422 1,476 1,501 1,499 1,467
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C. Consumo Medio Mensual (= Consumo Diario Medio Lmd)D. Relación Consumo / Radiación
D1. Tomar el Máximo Cociente para cada ángulo (Mes Crítico)D2. Seleccionar de todos los máximos el Menor.
Lmd / Gd Mes 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º
Ene 2166 1982 1894 1846 1834 1855 1912
Feb 1473 1403 1379 1379 1403 1452 1531
Mar 980 966 975 999 1041 1104 1192
Abr 743 742 756 782 823 881 962
May 728 730 746 775 820 886 978
Jun 633 638 654 682 724 784 866
Jul 658 663 679 707 750 811 895
Ago 737 736 749 775 817 876 960
Sep 840 837 850 877 920 983 1069
Oct 1264 1216 1204 1213 1242 1295 1376
Nov 1847 1720 1664 1640 1646 1681 1748
Dic 2490 2235 2110 2033 1999 2001 2045
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Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética
A. Orientación SUR ( = 0)B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada (Gd (kWh/m2))
MEDIA ANUAL
Media Anual
Gd Global (kWh/m2)
0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º
3.066 3.112 3.091 3.019 2.898 2.733 2.529
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Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética
C. Consumo Medio Anual (Lma)
D. Relación Consumo / Radiación Seleccionar de todos los máximos el Menor.
Media Anual
Lma / Gd
0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º
979 964 971 994 1035 1098 1186
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Dimensionado GeneradorCálculo del Número de Paneles
Método 1. Funcionamiento Punto de Máxima Potencia
Método 2. Amperios Hora
Método 3. Curvas Isofiables
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DefinicionesExpresiones
Método 1 Funcionamiento Punto
Máxima Potencia
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Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia Definiciones
NT :Número Total de módulos a instalarNS: Número de módulos en SerieNP: Número de módulos en ParaleloNT = NS x NP
PMPP,TC: Potencia Pico del Módulo en STC (Wp/kW/m2)PG: Factor Global de Funcionamiento del Generador (0.65-0.9)
•Generador FV trabaja en el punto de máxima potencia•Incluir un factor global de funcionamiento (PG o PR)
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Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia Expresiones
Lmdc : Consumo Medio Diario Mes Crítico (Wh /día)PMPP,STC : Potencia Pico del Módulo (Wp/kW/m2)Gd : Radiación global sup. inclinada (kWh /m2)PG : Factor Global de Funcionamiento
NS : Número de paneles serieVBAT : Tensión Nominal de la Batería (V)VMPP,STC : Tensión Nominal Módulo (max. potencia (V))
NP : Número de paneles paralelo
NS = VBAT / VMPP,STC
NP = NT / NS
NT = Lmdc / (PMPP·Gd·PG)
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DefinicionesExpresiones
Método 2 Amperios-Hora
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Método 2. Amperios Hora Definiciones
IMOD,MPP,STC: Corriente nominal del módulo (A)QAh: Consumo Medio Anual (Ah /día)IGFV,MPP,STC: Corriente total del generador FV (A)
NT :Número Total de módulos a instalarNS: Número de módulos en SerieNp: Número de módulos en Paralelo
•Generador FV NO trabaja en el punto de máxima potencia•Generador FV trabaja punto de tensión impuesto por BAT•Corriente de trabajo aprox. corriente ISC
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Método 2. Amperios Hora Expresiones
NS = VBAT / VMOD,MPP
NT = NP * NS
Np = IGFV,MPP,STC / IMOD,MPP,STC
QAh = Lmd / VBAT
QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)Lmd: Consumo Medio Diario (Wh /día)VBAT: Tensión Nominal de la Batería (V)
IGFV,MPP,STC = QAh / Gd
IGFV,MPP,STC : Corriente total del Generador FV (A)Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)
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DefinicionesExpresiones
Método 3 Curvas Isofiables
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Método 3. Curvas Isofiables Definiciones
Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP)
Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo de funcionamiento de una instalación
Capacidad del Generador
Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y la energía consumida por la carga.
Capacidad del Acumulador
Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la energía consumida por la carga
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Método 3. Curvas Isofiables Expresiones
CA = IGEN,MPP· Gd /QAh
CA : Capacidad del generador (normalizada al consumo)QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)IGEN,MPP : Corriente total del Generador FV (A)Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)
C´A = IGEN,MPP· Gd (0) /QAh
C’A : Capacidad del generador (normalizada al consumoen plano horizontal)QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)Im,GEN : Corriente total del Generador FV (A)Gd(0): Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)
CS = Cn· PDmax / Lma
Cs : Capacidad del acumulador (normalizada al consumo)Cn : Capacidad del acumuladorPDmax : Profundidad de descarga máxima
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Método 3. Curvas Isofiables Expresiones
LLP = Déficit de energía
Demanda de energía
LLP: Probabilidad de Pérdida de Carga
CA = (Gd /Gd(0)) ·(f·Cs-u)
f = f1 + f2 log (LLP) u = u1 + u2 · LLP
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* Definiciones
* Expresiones
Paso 3 Dimensionado
Sistema Acumulación
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Profundidad de Descarga Máxima (PD,max)nivel máximo de descarga que se le permite a la batería
Profundidad de Descarga Máxima Diaria (PD,max,d)nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo diario
Profundidad de Descarga Máxima Estacional (PD,max,e)nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo estacional
Días de Autonomía (N)número de días consecutivos que, en ausencia de sol, el sistema de acumulación es capaz de atender el consumo
Capacidad de la Batería (Wh ó Ah)cantidad de energía que debe ser capaz de almacenar la bateríaAl igual que la Profundidad de Descarga Máxima existen dos capacidades: diaria y estacional
Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación. Definiciones
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Cnd : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria)Cne : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria)Lma : Consumo Medio Anual (Wh) (o utilicar Lmd)N: Número de días de autonomíaPDmax,d : Profundidad de Descarga Máxima DiariaPDmax,e : Profundidad de Descarga Máxima EstacionalVBAT : Tensión Nominal de la Batería (V)FCT : Factor de Corrección por Temperatura
Cnd (Wh) = Lma / (PDmax,d·FCT) Cne (Wh) = (Lma · N) / PDmax,e·FCT)
Cnd (Ah) = Cnd (Wh) / VBat Cne (Ah) = Cne (Wh) / VBat
Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación. Expresiones
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* Definiciones
* Expresiones
Paso 4 Dimensionado
Sistema Regulación
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Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación. Definiciones
Corriente Máxima Circulando por la InstalaciónMáxima corriente entre la que
produce el generador y la que consume la carga
Corriente EntradaCorriente procedente del Generador FV
(Entra al Regulador)
Corriente SalidaCorriente consumida en la carga
(Sale del Regulador)
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Ientrada = IGFV,SC = 1,25·IMOD,SC · Np
IGFV;SC : Corriente de cortocircuito (SC) del Generador FV (A)IMOD,SC : Corriente de cortocircuito del módulo (A)Np : Número de ramas Paralelo del Generador
IR = máx (IGFV,SC, IC)
IC : Corriente que consume la Carga (A)PDC : Potencia de las cargas en DC (W)PAC : Potencia de las cargas en AC (W)VBAT : Tensión nominal de la Batería
Isalida = IC = 1,25·(PDC + PAC / INV) / VBAT
Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación. Expresiones
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Paso 5. Dimensionado Sistema de Acondicionamiento de Potencia
Características de un convertidor DC - AC•Potencia Nominal (kW)•Tensión Nominal de Entrada (V)•Tensión Nominal de Salida (V)•Frecuencia de operación (Hz)•Rendimiento (%)
Paso 6. Dimensionado del cableado
Pérdidas óhmicas•Verificar las normas electrotécnicas de baja tensión•La pérdida de energía debe ser menor que una cantidad prefijada
Pinv 1,2 · PAC
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Bibliografía
E. Lorenzo. Electricidad Solar.UPM. 1994.
Mariano Sidrach. Sistemas fotovoltaicos autónomos: métodos convencionales de dimensionamientoPublicaciones CIEMAT. 2001.
M. Alonso.Sistemas Fotovoltaicos.SAPT Publicaciones Técnicas. 2001.
L. Hontoria, J. Aguilera, F.J. MuñozDimensionado de Sistemas Fotovoltaicos AutónomosPublicaciones CIEMAT. 2008.