Calculo de un Sistema Fotovoltaico Autonomo V 2.pdf

José León Suarez 1275, (C1408FNY), C.A.B.A., Argentina produccionpopular.com.ar / [email protected]

Cálculo de un Sistema Fotovoltaico Autónomo

En primer lugar se debe introducir un concepto fundamental, el de las “Horas de Sol Pico” o HPS [horas]. Se puede definir como el número de horas en que disponemos de una hipotética irradiancia solar constante de 1.000 W/m2. Es decir, una hora solar pico “HPS” equivale a 1kWh/m2 o, lo que es lo mismo, 3.6 MJ/m2. Dicho en otras palabras, es un modo de contabilizar la energía recibida del sol agrupándola en paquetes, siendo que cada “paquete” de 1 hora recibe 1.000 watts/m2.

En este punto, hay que hacer un apunte importante: 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.

Irradiación: 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 suele medir en Wh/m2 o, en caso de un día, en Wh/m2/día o unidades equivalentes.

Para calcular entonces el valor de 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 eléctricas de los módulos fotovoltaicos. Ese valor de irradiancia en condiciones estándar de medida es de 1.000 Watts/m2. Es decir, si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día y se divide entre 1.000, se obtienen las HSP. Por ejemplo, si tenemos una irradiación de 4.500 Wh/m2/día, para pasarla a HSP, se divide entre 1.000W/m2, con lo que obtenemos 4.5 HPS.

Los pasos a seguir siempre para dimensionar el sistema fotovoltaico autónomo son siempre:

1- Estimación del consumo.

Aquí siempre es fundamental los datos aportados por el consumidor, y deben ser siempre lo más realistas posibles para evitar desviaciones en el dimensionamiento. Si la instalación se realizara para una vivienda de uso diario todo el año, se escogerá el valor medio de todo el año. Si la instalación se realizara para el uso ocasional, por ejemplo en verano, hay que escoger los valores de los meses de verano. Datos de la Secretaría de Energía: http://energia3.mecon.gov.ar/contenidos/verpagina.php?idpagina=2853

Artefacto Potencia (en Watt)Consumo (en KWh) Acondicionador 2200 frigorías/h 1350 1,013

Aspiradora 750 0,675 Cafetera 900 0,720

Computadora 300 0,300 Laptop 65 0,065

Estufa de cuarzo (2 velas) 1200 1,200 Extractor de Aire 25 0,025

Freezer 180 0,090 Freidora 2000 1 Heladera 150 0,063

Heladera con Freezer 195 0,098 Horno Eléctrico 1300 1,040

Horno de Microondas 800 0,640 Lámpara Dicroica 23 0,023

Lámpara Fluorescente Compacta 7 w 7 0,007 Lámpara Fluorescente Compacta 11 w 11 0,011 Lámpara Fluorescente Compacta 15 w 15 0,015 Lámpara Fluorescente Compacta 20 w 20 0,020 Lámpara Fluorescente Compacta 23 w 23 0,023

Lámpara Incandescente 40 w 40 0,040


Lámpara Incandescente 60 w 60 0,060 Lámpara Incandescente 100 w 100 0,100

Lavarropas Automático 520 0,182 Lavarropas Automático con calentamiento de agua 2520 0,882

Lavarropas Semiautomático 200 0,080 Licuadora 300 0,300

Lustraspiradora 750 0,675 Minicomponente 60 0,060 Multiprocesadora 500 0,400

Plancha 1000 0,600 Purificador de Aire 110 0,110 Radiador Eléctrico 1200 0,960

Reproductor de Video 100 0,100 Televisor Color 14” 50 0,050 Televisor Color 20” 70 0,070

Termotanque 3000 0,900 Tubo Fluorescente 40 0,050 Tubo Fluorescente 30 0,040

Turbo Calefactor (2000 calorías) 2400 2,400 Turbo Ventilador 100 0,100

Secador de Cabello 500 0,400 Secarropas Centrífugo 240 0,192

Ventilador 90 0,090 Ventilador de Techo 60 0,060

Videograbadora 100 0,100

2- Datos del lugar donde se realizará la instalación para saber la irradiación de la que dispondremos.

3- Dimensionado del generador fotovoltaico (número de paneles necesarios).

4- Dimensionado del sistema de acumulación (número de baterías).

Para el dimensionado del sistema de acumulación es muy importante tener en cuenta los días de autonomía que se van a otorgar a la instalación, para proyectos domésticos se suelen tomar entre 3 y 5 días de autonomía, 6 o 7 días en caso de tratarse de zonas con baja irradiación donde pueden producirse periodos de varios días en condiciones de poca luz. Para sistemas remotos suelen tomarse 7 y 10 días de autonomía.

Para este caso vamos a tomar 3 días.

5- Dimensionado del regulador.

6- Dimensionado del inversor.

Una vez definidos los pasos, exponemos el método de cálculo con un ejemplo típico.

Suponemos un consumo para una vivienda con uso diario durante todo el año, como por ejemplo:

Unidades Carga Potencia Unitaria (Watt)

Horas de func. al día Total Energía necesaria (Wh)

Total Energía necesaria (Wh) x Margen Seguridad 20%

5 Lámparas (DC) 15 5 375 450

1 Heladera + freezer (AC) 195 10 1.950 2.340

2 Vent. Techo (AC) 60 10 1.200 1.440

1 Aparato (AC) 300 1,5 450 540

TOTAL = 3.975 4.770


Para el cálculo de los consumos medios diarios (Lmd) consideramos la siguiente expresión:

Lmd = Lmd,DC + Lmd,AC / ninv = 450+(4.320/0.9) = 5.526 Wh/día nbat *ncon 0.95*1

Siendo (Lmd) el consumo medio de energía diario, (Lmd,DC) el consumo medio de energía diario de las cargas en continua y (Lmd,AC) el de las cargas en alterna.

O bien, si lo queremos expresar como el consumo de energía medio en Ah/día:

QAh = Lmd / VBAT = 5.526 / 24 = 230 Ah/día

Como era de esperar, el consumo medio diario real es ligeramente superior al nominal, pues como se mencionaba, hemos tomado en cuenta las pérdidas que se pueden producir en algunos de los elementos de la instalación y el margen de seguridad del 20%.

Como dato adicional, podríamos calcular el consumo total anual (LT) y medio anual (Lma):

LT = Lmd * 365 días = 2.017.000 Wh/año

Lma = LT/365 = 5.526 Wh/día (En este caso coincide con el medio diario, pues el consumo que se ha estimado es constante todo el año, no sucedería así si hubiera variaciones de consumos estacionales)

Una vez calculado el consumo, buscamos los datos de radiación solar global en Buenos Aires, localización de la vivienda, utilizando, por ejemplo el software RTScreen 4, que se puede obtener en: http://www.retscreen.net/es/home.php


Una vez hechas los cálculos tenemos la “Tabla de Radiaciones” (Wh/m2/dia) para la instalación horizontal y a 60° luego calculamos a partir de la tabla de radiaciones, la “Tabla de Cocientes” Consumo / Radiación que es la que se muestra a continuación. Datos para Capital y GBA (Aeroparque) :

Modo de rastreo solar Fijado

Inclinación 60,0

Azimut 180,0 5.526

Radiación solar diaria

horizontal Radiación solar diaria

inclinado 60° Consumo/ radiación

Mes kWh/m²/d kWh/m²/d Enero 7,05 4,87 783,83

Febrero 6,09 4,87 907,39

Marzo 4,94 4,78 1.118,62

Abril 3,64 4,41 1.518,13

Mayo 2,75 4,17 2.009,45

Junio 2,22 3,72 2.489,19

Julio 2,46 3,96 2.246,34

Agosto 3,32 4,46 1.664,46

Setiembre 4,54 4,82 1.217,18

Octubre 5,35 4,54 1.032,90

Noviembre 6,44 4,64 858,07

Diciembre 6,97 4,66 792,83

Anual 4,64 4,49 1.190,84

Un criterio de diseño puede ser elegir el mayor valor de todos los cocientes, pues se corresponderán con el momento del año donde la relación entre el consumo de energía y la irradiación disponible será mayor, con lo que habrá que asegurar el suministro de energía sobre todo en ese momento aunque eso implique un sobredimensionamiento. En nuestro caso preferimos dimensionar para el promedio de los meses de enero y diciembre o sea 7 kWh/m²/d

Procedemos ahora con el cálculo del número total de módulos necesarios: NT = Lmd,crit / PMPP * HPScrit * PR = 5.526 / 90*7*0.9 = 10

La explicación de esta ecuación es simple, necesitamos saber cuántos paneles necesitamos para generar la energía que demanda nuestro sistema cada día, así que dividimos esa energía entre la que genera cada panel, pues la energía diaria que puede darnos cada panel se obtiene de la ecuación:

EP = PMPP * HPScrit * PR = 567 W

Así pues, necesitaríamos un total de 10 paneles para cubrir las necesidades del sistema, aunque este número podría cambiar. Siendo,

(Lmdcrit) el consumo medio diario mensual para el mes crítico, “Tabla de Consumos”, (en este caso, es siempre el mismo 5.526 wh/dia, pues consideramos el consumo diario constante todo el año)


(PMPP) la potencia pico del módulo en condiciones estándar de medida STC, en este caso, estamos utilizando como ejemplo el modelo KS90T- 24 del fabricante Solartec, con 90 watts de potencia pico en STC.

(HPScrit) son las horas de sol pico del mes promedio calculado a partir de la “Tabla de Radiaciones”, es decir: Irradiación del mes promedio / 1000 W/m2 = 7 HPS

(PR) el factor global de funcionamiento que varía entre 0.65 y 0.90. Usaremos 0.90 por defecto.

Respecto a la conexión de los módulos calculados en serie o paralelo, teniendo en cuenta que el KS90T-24 de Solartec tiene una Vmax=35,6 Volt., hacemos:

Nserie = Vbat / VmodPP = 24 / 35,6 = 0,67 =1

Nparalelo = NT / Nserie = 10 / 1 = 10

Así pues, conectaríamos 10 ramas en paralelo con un panel por rama.

Pasamos ahora al cálculo de las baterías recordando que los dos parámetros importantes para el dimensionado de la batería son la máxima profundidad de descarga (estacional y diaria) y el número de días de autonomía. Como norma general, tomaremos estos parámetros:

Profundidad de Descarga Máxima Estacional (PDmax,e) = 70% = 0,7

Profundidad de Descarga Máxima Diaria (PDmax,d) = 25% = 0,25

Número de días de Autonomía (N) = 3

Calculamos entonces ahora la capacidad nominal necesaria de las baterías en función de la profundidad de descarga estacional y diaria. La mayor de ellas será la que seleccionemos, pues de lo contrario podríamos incurrir en una insuficiencia estacional o diaria.

Capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima diaria (Cnd):

Cnd(Wh) = Lmd / PDmax,d * FCT = 5.526 / (0.25 * 1) = 22.104 Wh

Cnd(Ah) = Cnd(Wh) / VBAT = 22.104 / 24 = 921 Ah

La explicación de las dos ecuaciones es sencilla, necesitamos generar una energía diaria Lmd con nuestras baterías pero permitiendo solamente un 25% de descarga máxima diaria y suponiendo un Factor de correción de Temperatura (FCT = 1). Una vez sabida la energía en Wh de la batería, simplemente dividimos entre la tensión de la misma (24V en este caso) y ya tenemos la capacidad mínima que necesitamos para nuestro sistema de acumulación en función de la descarga máxima diaria.

Capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima estacional (Cne):

Cne (Wh) = Lmd * N / PDmax,e * FCT = 5.526 * 3 / (0.7 * 1) = 23.683 Wh

Cne (Ah) = Cne (Wh) / VBAT = 23.683 / 24 = 987 Ah

La explicación es similar a la anterior, necesitamos generar una energía diaria Lmd con nuestras baterías pero que podamos disponer de ella durante 3 días sin sol, sin permitir una descarga mayor del 70% y suponiendo un Factor de correción de Temperatura (FCT = 1). Una vez sabida la energía en Wh de la batería, simplemente dividimos entre la tensión de la misma (24V en este caso) y ya tenemos la capacidad mínima que necesitamos para nuestro sistema de acumulación en función de los días de autonomía.

Así pues escogeríamos la mayor, es decir la capacidad nominal de las baterías sería, como mínimo,

C100 = 987 Ah

Si por ejemplo usamos baterías solares Trojan T-105 6V de 225 Ah y ciclo profundo, 4 grupos de 4 baterías en serie darán una capacidad de 900 Ah

Procedemos ahora al cálculo del regulador, para ello debemos calcular cual es la máxima corriente que debe soportar el regulador, a su entrada pero también a su salida.


Para calcular la corriente de entrada al regulador hacemos el producto corriente de cortocircuito de un módulo, en este caso la del KS90T-24 de Solartec es de Isc = 2.82 Amp., y multiplicamos por el número de las ramas (la corriente de cada rama en paralelo será aproximadamente la misma) en paralelo calculado anteriormente:

Ientrada = 1.25 * IMOD,SC * 10 = 35.25 A

Siendo,

(IMOD,SC) la corriente unitaria del módulo fotovoltaico en condiciones de cortocircuito, en este caso, para el KS90T-24, es de Isc = 2.82 Amp. Se usa la corriente de cortocircuito para el cálculo de la corriente de entrada al regulador por que será la máxima corriente que podría ser generada por el módulo fotovoltaico y ha de ser esa la que tengamos en cuenta para evitar pérdidas de rendimiento.

(NP) el número de ramas en paralelo, en este caso, 10.

1,25 es un factor de seguridad para evitar daños ocasionales al regulador.

Para el cálculo de la corriente de salida hemos de valorar las potencias de las cargas DC y las cargas AC:

Isalida = 1.25 * (PDC + PAC / ninv) = 1.25 (75 + (195+120+300)/0.95) = 38 A VBAT 24

Siendo,

(PDC), potencia de las cargas en continua.

(PAC), potencia de las cargas en alterna.

(ninv), rendimiento del inversor, en torno a 90-95%.

Así pues, el regulador debería soportar una corriente, como mínimo de 35 Amp. a su entrada y 38 Amp. a su salida.

Por último, para el cálculo del inversor, únicamente hemos de calcular la suma de las potencias de las cargas de alterna. En nuestro caso, serían de 615 W y aplicar un margen de seguridad del 20%.

Así pues: Pinv = 1.2 * 615 = 738 W

Así pues, será necesario un inversor de 738 W aproximadamente. Ahora bien, debemos tener en cuenta algo importante a la hora de seleccionar nuestro inversor. Muchos de los electrodomésticos y aparatos con motor utilizados tienen “picos de arranque”, como las heladeras, aire acondicionado, etc., lo que supone que para su arranque van a demandar mayor potencia que la nominal, en ocasiones hasta 4 o 5 veces más de la potencia nominal prevista. Es por esta razón que, para evitar problemas y deficiencias en el correcto funciona-miento de nuestra instalación, es recomendable hacer un sobredimensionamiento que contemple los picos de arranque:

Pinv = 1.2 * PAC (arranque) = 1.2 * ((195+120)*4+300) = 1.872 W

Es decir, nuestro inversor debería cubrir, al menos, 1.872W de demanda pico para tener bien cubiertas las necesidades de la vivienda, incluso los picos de demanda por arranque de los motores.

Por último, para seleccionar nuestro inversor, sabemos que en el mercado podemos encontrar inversores de onda senoidal pura (PWM) y de onda senoidal modificada (MSW). La recomendación es utilizar, siempre que sea posible, los de onda senoidal pura pues aunque son algo más caros, nos evitarán más de un problema que nos podrían ocasionar los de onda modificada con aparatos con motores.

Los inversores de onda senoidal pura modificada (PWM) pueden alimentar a la mayoría de electrodomésticos actuales, sin embargo, pueden ocasionarnos problemas con aparatos con cargas inductivas, como son los motores. Los inversores de onda senoidal pura (PWM), “imitan” la forma de onda que de la red eléctrica y en consecuencia es la mejor opción la alimentar los equipos eléctricos y electrónicos actuales.


Esta ha sido, de un modo general, la explicación de qué es una instalación fotovoltacia autónoma, qué elementos la componen y cómo se realiza un cálculo típico.

Bibliografía: José A. Alonso Lorenzo ([email protected]) Ingeniero Técnico Industrial por la EUP de Ferrol.

Sistemas Fotovoltaicos, Miguel Alonso Abella. Era Solar.

Instalaciones Solares Fotovoltaicas, Enrique Alcor. Progensa.

Energía Solar Fotovoltaica, Miguel Pareja Aparicio. Mancorbo.

Sistemas Fotovoltaicos Autónomos, Leocadio Hontoria García. CIEMAT.

C. Rus, F.J. Muñoz, L. Hontoria et al. Instalaciones Fotovoltaicas (Cap. 2. Radiación Solar)

Recopilador : Alberto Anesini Ing. - IPP 5/1/2014


ANEXO I: Cálculo de costos estimados (s/IVA) (s/M.Obra) de un

Sistema Fotovoltaico Autónomo

Para el caso del texto Total: u$s 9.198.-

Componente u$s

Módulos FV de 90 W tipo KS90T- 24 (x10) 3.720

Soporte 300

Caño 100

Regulador de carga 40 A 100

Batería Solar Trojan T-105 6V (x16) 4.600

Sistema de puesta a tierra 60

Inversor CC/CA 750W (1.900 Wpico) 212

Varios 100

Notas:

En el caso de conexión a red el conjunto regulador, inversor y baterías es reemplazado por un inversor para conexión a red que tiene un costo similar a los elementos que reemplaza. El medidor es diferente pero se entiende su costo a cargo de la empresa de electricidad.

Datos de precios estimados obtenidos de Internet sin negociación por volumen de compras


ANEXO II: Comparación de costos por kW generado para una casa con moto generador diésel/nafta vs. paneles fotovoltaicos.

Consumos:

Tomemos en cuenta el caso del texto como consumo eléctrico básico necesario para el funcionamiento de una casa y tomando un margen del 20% para estar cómodos calculamos 6 kWh por día. En 365 días se estarían consumiendo 2.000 kWh o sea 2MWh por año por domicilio.

El costo de un sistema fotovoltaico que genere aproximadamente esta energía (con IVA y MO) es estimado en u$s 11.000 donde las baterías que tienen un costo de u$s 4.600 tienen una vida útil de 10 años y el resto de los componentes duran 25 años. O sea que en 25 años se habrán generado 50MWh con un costo de u$s 11.000 + 10.000 = u$s 21.000 que dividido en los kW generados da u$s 0.00042 por kWh.

El costo de un moto-generador naftero de 1.5 KVA de buena marca es de u$s 770 y tendrá una vida útil de 3.000 hs., cada hora consumirá 1,25 l de nafta de u$s 1,35 o sea que en su vida útil generará hasta 4.500 kWh a un costo de u$s 770+(3.000*1,35) = u$s 4.820 o sea a un costo de u$s1.07 por kWh más el costo de contaminación atmosférica y ruido.

No existen moto-generadores diésel de baja potencia, supongamos el caso de un equipo que alimente varios domicilios con una potencia de 10 KVA, tiene un costo de u$s 5.500 y tendrá una vida útil de 6.000 hs., cada hora consumirá 2.5 l de diésel a u$s 1,17 o sea que generará hasta 60.000 kWh a un costo de u$s 5.500+(6.000*1,17) = u$s 0.21 por kWh más los costos de contaminación.

Mantenimiento: un sistema fotovoltaico no tiene casi mantenimiento y requiere solo una atención periódica sobre las baterías, los moto-generadores son como un automóvil que requieren atención, aun cuando se hallen parados. No estamos considerando en esta comparación costos de mantenimiento.

Conclusión: el moto-generador puede resultar útil para un uso esporádico y de corta duración (emergencias), cuando la falta de energía es frecuente y por periodos largos la energía fotovoltaica es lo recomendable, aprovechándola como ahorro para un uso cuasi-permanente, aun cuando se disponga de energía fósil, actualmente en CABA el kWh tiene un valor de u$s 0,056 sin subsidio y de u$s 0.0065 con subsidio.


ANEXO III: ¿Y si reorientamos el subsidio? Debo aclarar que lo que sigue no es tan lineal como lo explico, pero se puede usar como objetivo para instrumentar las políticas necesarias.

En todos los casos es insoslayable aplicar criterios de uso racional de la energía para bajar el consumo desmesurado

En 2013 el Estado destinó aprox. 120.000 millones de $ a subsidios de transporte y energía.

Se estima que 40.000 millones de $ equivalentes a unos u$s 6.000 millones, se destinaron a quienes no lo justifican por situación económica-social o geográfica.

En un grosero supuesto de que esos recursos se destinaran totalmente a instalar sistemas de los propuestos en el texto, bajo un esquema de subsidiar un 50% del sistema y otorgar un crédito blando al usuario para que devuelva el otro 50% con lo que se ahorra de energía, se podrían instalar unos 550.000 sistemas en un año,

Si suponemos que el 30 % del total de hogares en todo el país (unos 3.000.000) tienen las condiciones necesarias para instalarlos, y que se cubrirían en unos 5 años y medio.

Esto equivaldría a una generación de 6 millones de MWh por año de energía eléctrica en forma distribuida (no requiere transporte ni distribución de energía) que significa un 5% de la energía total generada y produciendo una gran cantidad de empleo sustentable entre muchos de los humildes excluidos que nos preocupan y ahorros importantes de divisas y de contaminación.

Sistemas de Agua caliente sanitaria.

Respecto al agua caliente sanitaria hay una solución similar con calefones solares, que según la zona y la irradiación disponible pueden ahorrar hasta un 70% de la energía que se utiliza para calentar agua (para baño y cocina) con energía tradicional y con un costo entre $8.000 a 10.000. Esta es una solución especialmente práctica para aquellos lugares donde no hay gas natural y hay sol disponible, pero ayuda mucho en casi todo el país.

Alberto Anesini Ing. - IPP

5/1/2014

Calculo de un Sistema Fotovoltaico Autonomo V 2.pdf

Documents

Transcript of Calculo de un Sistema Fotovoltaico Autonomo V 2.pdf