Re 10 Lab 119 Energia Solar
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GUIAS DE PRÁCTICA PETROLEO
Código de registro: RE-10-LAB-119 Versión 1.0 UNIVERSIDAD DEL VALLE
LABORATORIO DE ENERGÍA SOLAR
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Práctica No. 1
MAQUINAS ELECTRICAS ESTÁTICAS (INVERSOR)
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.-
Las maquinas eléctricas estáticas son aquellas donde no existe nada en movimiento, solo flujo magnético e inducción magnética para conformar un circuito magnético con la cooperación de hierro y entrehierro. Cuando se conecta con una tensión eléctrica dicha maquina se produce una tensión inducida de diferente característica en sus bornes de salida. Este principio es el aprovechado para obtener las siguientes maquinas eléctricas: Transformador (AC-AC) Inversor (DC-AC) Conversor (AC-DC) Estabilizador (AC-AC) Los cuales están diferenciados por los tipos de tensiones de entrada y de salida ya sea Corriente Continua (DC) o Corriente Alterna (AC). La aplicación de estas máquinas eléctricas es diversa, como por ejemplo en cargador de baterías automotrices, cargador de celulares, obtención de electricidad disponible, etc.
Los convertidores son dispositivos capaces de alterar la tensión y características de la
corriente eléctrica que reciben, transformándola de manera que resulte más apta para
los usos específicos a que vaya destinado para cada caso.
El procedimiento normal de funcionamiento de un equipo convertidor DC-AC
(INVERSOR) permiten transformar la corriente continua de 12 o 24 Volts que producen
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los paneles y almacena la batería, en corriente alterna de 125 o 220 Volts, como la que
normalmente se utiliza en los lugares donde llega la red eléctrica
convencional. Esto permite usar los aparatos eléctricos habituales diseñados para
funcionar con este tipo de corriente. La contrapartida de esta transformación, es que
acarrea una pérdida de energía, que es inevitable.
Un convertidor DC-AC, utiliza un circuito electrónico con transistores o tiristores, capaz
de cortar muchas veces cada segundo la corriente continúa que recibe, produciendo una
serie de impulsos alternativos de corriente que simulan las características de la corriente
alterna convencional. Según la forma de la onda característica de la corriente que el
convertidor produce, se habla de convertidores de onda cuadrada, de onda cuadrada
modificada y de onda senoidal o sinusoidal.
Dado que la corriente alterna se presenta bajo forma de onda senoidal pura, el convertidor más perfecto será el de tipo senoidal, aunque también es el más caro, y para muchas aplicaciones (iluminación, pequeños motores, etc.), basta utilizar uno de onda cuadrada que resulta mucho más económico.
Los convertidores pueden obtenerse en una amplia gama de potencias, desde 100 Watts
hasta varios kilowatts. Es importante saber y exigir del convertidor unas cualidades
determinadas que lo hagan apto para su empleo en instalaciones solares a saber.
2. COMPETENCIAS.- El alumno conoce y tiene la capacidad de aplicar sus conocimientos en los convertidores en una instalación Fotovoltaica y realiza el conexionado de los convertidores para proyectos Fotovoltaicos.
3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS.-
Equipos y materiales
Voltímetro digital AC-DC
Ohmímetro digital AC-DC
Conectores o chicotillos de prueba
Transformador monofásico 220/12 Volts
Cargador de celulares
Convertidor (inversor) 12/220 Volts
Reactivos
N/A
4. TECNICA Ó PROCEDIMIENTO.-
1. Efectuar la conexión del transformador monofásico en la alimentación 220 Volts.
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2. Tomar lecturas con Voltímetro (AC) tabla 1.
V entrada (V) V salida (V)
3. Efectuar la conexión del cargador de celular en la alimentación
4. Tomar lecturas con Voltímetro (AC – DC) tabla 2.
V entrada (V) V salida (V)
5. Efectuar el conexionado del inversor a la salida del transformador y tomar las
lecturas con Voltímetro (DC-AC) tabla 3.
V entrada (V) V salida (V)
6. Con la experiencia anterior, verificar el conexionado y las características de
funcionamiento del Inversor instalado en el Sistema Fotovoltaico de los
laboratorios de Petróleo.
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA.- Tiempo estimado de duración de la práctica 100 min.
6. MEDICIÓN, CALCULOS Y GRAFICOS.- Proceder a construir las tablas 1-2-3 según los procedimientos (2), (4) y (5)
7. CUESTIONARIO.-
1. Explicar igualdades y diferencias entre Corriente Continua y Corriente Alterna
2. Explicar analíticamente y con esquema la función del sistema de acumuladores
(baterías) en la Instalación de un Sistema Eólico y Fotovoltaico
3. Explicar la relación entre potencia eléctrica del Inversor, la potencia entregada por
el acumulador y la potencia consumida por la carga eléctrica
4. Si efectuáramos el conexionado de una ducha eléctrica a dicho sistema, comentar
que podría pasar.
5. Cuál es la importancia del inversor en un sistema Fotovoltaico?
Practica Nº 2
TECNOLOGIA DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO
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La tecnología solar fotovoltaica es una opción más viable para el suministro de energía
eléctrica, y que supone para muchas familias campesinas la posibilidad más asequible
de acceder a los servicios previstos. Dicha tecnología, que ha demostrado ser muy
apropiada y estar bien adaptada al medio que se trata, por tanto presenta las siguientes
ventajas:
- Gratuidad de le energía eléctrica
- Generación de energía eléctrica en el mismo punto de consumo
- Elevada fiabilidad de funcionamiento y mantenimiento sencillo a un costo
relativamente asequible.
- Escaso impacto medioambiental.
La tecnología del sistema fotovoltaico se basa en el efecto fotovoltaico, en el que
mediante la creación de un campo eléctrico en el interior de una célula fotovoltaica, esta
se comporta como un generador de energía eléctrica en corriente continua.
Actualmente el material utilizado para la fabricación comercial de las células fotovoltaicas
es el silicio, tanto en su forma monocristalina como policristalina. Un módulo fotovoltaico
está compuesto por la interconexión de varias células de forma adecuada para lograr las
tensiones y corrientes deseadas. Al no existir partes móviles y estar bien protegidos, los
módulos fotovoltaicos poseen largas expectativas de vida útil.
Un sistema fotovoltaico está conformado por las siguientes etapas:
1) Producción de energía eléctrica mediante un generador fotovoltaico compuesto
por un número de módulos fotovoltaicos acorde con la demanda energética
especifica de la aplicación.
2) Acumulación de energía eléctrica en un acumulador de capacidad dependiente
del tamaño del generador fotovoltaico y de la distribución de la demanda
energética de la aplicación específica.
3) Regulación electrónica de carga mediante un regulador de voltaje dimensionado
de acuerdo a la aplicación específica, cuyo propósito es proteger al sistema y
controlar los flujos de corriente eléctrica entre los componentes y los estados de
sobrecarga durante el funcionamiento del equipo.
4) Dimensionamiento de acuerdo a la aplicación específica y selección cuidadosa
del resto de los elementos (estructura del soporte, conductores eléctricos,
interruptores, accesorios, etc.) con el fin de que todo el sistema sea una unidad
homogénea en cuanto a la calidad de sus componentes.
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De acuerdo a las etapas, antes descrito, los componentes de un Sistema Fotovoltaico
son:
a) Panel Solar.-
Una célula suelta solamente es capaz de proporcionar una tensión de algunas décimas
de voltios (típicamente alrededor de medio voltio para las células de Silicio) y una
potencia máxima de uno o dos watts. Es preciso conectar entre si en serie un
determinado número de células para producir las tensiones de 6, 12 o 24 voltios
aceptadas en la mayor parte de las aplicaciones. Al conjunto así formado,
convenientemente ensamblado y protegido contra los agentes externos, se denomina
panel o modulo fotovoltaico.
Para producir un panel de 12 voltios nominales usualmente se necesita un número de
células entre 30 y 40.
Los paneles adoptan siempre la forma cuadrada o rectangular, con áreas que van desde
aproximadamente 0,1 m² hasta 0,5 m². El grueso total sin incluir el marco protector, no
suele superar los tres centímetros, pesa entre 6 y 7 Kg.
Las características eléctricas de los paneles se describen mediante los siguientes
parámetros:
- Corriente de cortocircuito (isc).
- Voltaje a circuito abierto (Voc).
- Corriente ( i ).
- Potencia nominal (Pm).
- Eficiencia panel.
- Factor de Forma.
Los paneles están diseñados para conformar una estructura modular, siendo posible
combinarlos entre sí en serie, en paralelo o de forma mixta, a fin de obtener la tensión e
intensidad deseadas.
b) Acumuladores.-
La presencia de acumulador es necesaria, porque los paneles solo generan energía
eléctrica en los momentos en que incide sobre ellos la luz solar, pero a menudo dicha
energía se requiere precisamente en los momentos en que no existe incidencia
luminosa.
Las funciones o misiones del acumulador en un sistema fotovoltaico son:
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- Suministrar una potencia instantánea o durante breves momentos, superior a la que
el campo de paneles podría generar aun en los momentos más favorables posibles.
- Mantener una tensión estable, porque la tensión de salida del panel varía en función
de la intensidad radiante, lo cual no puede ser adecuado para el funcionamiento de
las cargas eléctricas. El acumulador proporciona un voltaje constante independiente
de las condiciones de incidencia luminosa.
Durante el día, los paneles generan energía que se emplea, por una parte, en satisfacer
los consumos que se efectúen en los momentos coincidentes con los de la producción.
La energía sobrante será la que absorberá la batería.
Al atardecer y durante la noche, los consumos son mayores debido a la iluminación
artificial, siendo extraída la energía de la batería; disminuyendo el nivel de carga.
Así el ciclo de carga-descarga se repite diariamente, siempre que la intensidad incidente
sea suficiente (días claros o superficialmente nubosos).
La profundidad de descarga diario alcanza un nivel entre 5 y 10 % para instalaciones
fotovoltaicas, mientras que para los motorizados dicha descarga esta entre 1 y 2 % de
su capacidad.
La profundidad de descarga en el periodo de autonomía debe ser determinada según el
tipo de batería. En ningún caso debe superar el 80 % reduciéndose al 20 % si se utiliza
batería normal automotriz.
El comportamiento de las baterías depende de los siguientes factores:
- Nivel de estado de carga.
- Velocidad de carga o descarga.
- Temperatura de la batería.
c) Reguladores.-
Los paneles fotovoltaicos se diseñan para que puedan producir una tensión de salida de
algunos voltios superior a la tensión que necesita una batería para cargarse. Esto se
hace para asegurar que el panel siempre estará en condiciones de cargar la batería,
incluso cuando la temperatura de la célula sea alta.
El inconveniente de esta ligera sobre tensión es doble. Por una parte se desperdicia un
poco de la energía máxima teóricamente obtenible del panel (alrededor del 10 %), que
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se obtendría a tensiones algo mayores que las que impone la batería. Por otra ocurrirá
que aunque esta llegue a su estado de plena carga, no alcanzara el potencial máximo
que el panel teóricamente puede lograr y este seguirá intentando inyectar energía a
través de los bornes de la batería, produciéndose una sobrecarga perjudicial para la
misma, la cual, si no es evitada, puede llegar a destruirla.
El regulador de carga cumple la misión de regular la corriente que absorbe la batería con
el fin de que en ningún momento pueda esta sobrecargarse peligrosamente pero, al
mismo tiempo, evitando en lo posible que deje de aprovechar energía captada por los
paneles.
Para ello el regulador, mediante dispositivos electrónicos mide y conecta
constantemente el voltaje, que es una indicación del estado de carga de la batería y si
esta llega al valor de consigna previamente establecido, correspondiente a la tensión
máxima admisible, actuar de forma que impida que la corriente siga fluyendo hacia la
batería, o bien que fluya únicamente la justa para mantenerla en estado de plena carga,
pero sin sobrepasarse.
2. COMPETENCIAS
El alumno conoce los componentes, el orden de conexionado y el funcionamiento de un
sistema fotovoltaico, montaje de paneles, regulador de carga y acumulador para un
mayor y mejor rendimiento. El alumno analiza las instalaciones del sistema fotovoltaico
de los laboratorios
3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
Equipos y materiales
Multímetro digital.
Sistema Fotovoltaico Laboratorio.
Lámpara incandescente de 220 Voltios.
Lámpara incandescente de 12 Voltios.
Chicotillos de prueba.
Amperímetro de pinza.
Reactivos
N/A
4. TECNICA O PROCEDIMIENTO
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1. Efectuar la construcción del diagrama de funcionamiento del sistema fotovoltaico
de Laboratorio.
2. Efectuar la medición de tensión y corriente eléctrica en los diferentes tramos del
Sistema Fotovoltaico.
3. Anotar las características técnicas eléctricas de cada uno de los componentes
del sistema fotovoltaico.
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA
Tiempo estimado de duración de la práctica 100 min.
6. MEDICIÓN, CÁLCULOS Y GRÁFICOS
Realizar el esquema de instalación del sistema fotovoltaico
7. CUESTIONARIO
1. Describir las cualidades técnicas de las lámparas utilizadas en los Sistemas
Fotovoltaicos.
2. Averiguar y describir el mantenimiento más frecuente que se realiza en este
sistema
3. Describir cuantos paneles y baterías están conectados en el sistema fotovoltaico
de laboratorio y porque
4. Indicar costos del Sistema Fotovoltaico, partes, Industria, marcas y dirección
5. Explicar igualdades y diferencias entre acumulador: automotriz y Fotovoltaico.
6. Describir las capacidades de las baterías más utilizadas en los Sistemas
Fotovoltaicos
Practica Nº 3
VARIACION DE LA POTENCIA FV CON LA INCLINACION Y ORIENTACION
DE LOS PANELES
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO
1.1. Elementos de una instalación fotovoltaica aislada de la red.
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Una instalación fotovoltaica (Ver Figura 1) se puede describir como una instalación
eléctrica que incluye los siguientes elementos:
El generador solar fotovoltaico (Paneles fotovoltaicos): Compuesto de un número
determinado de módulos fotovoltaicos convenientemente conectados, situados
de tal forma que reciban sobre su superficie la energía solar necesaria para la
generación fotovoltaica calculada en cada aplicación.
El sistema de acumulación (Batería): Tiene la función principal de acumular la
energía generada en exceso en momentos de bajo consumo o alta insolación,
para entregarla cuando se produzcan consumos altos o haya baja o nula
insolación.
El acondicionamiento de la potencia: Son un conjunto de equipos eléctricos y
electrónicos que trabajan entre la generación, acumulación y consumo de
electricidad. Además aportan el control y la protección necesaria para la
instalación. Estos equipos son el regulador y el inversor.
Los consumos. Pueden ser de origen y características diversas pero básicamente
se pueden hacer dos grandes grupos, los consumos en corriente continua (CC)
y los consumos en corriente alterna (CA).
Figura 1. Esquema de una instalación solar fotovoltaica aislada de la red
1.2. Inclinación y Orientación de los Paneles Solares.
Para obtener el mayor rendimiento del generador fotovoltaico se ha de procurar que
reciba la mayor cantidad posible de luz solar sobre su superficie activa. Y como el sol
varía su posición en el cielo cambiando su altura y la inclinación de sus rayos, se debe
determinar cuál será la colocación ideal.
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1.2.1. Inclinación (β).
Como se muestra en la Figura 2, el ángulo de inclinación es el ángulo formado entre el
plano de la superficie a considerar y la horizontal. Sí los módulos solares tienen una
inclinación de β = 0º, se trata de que están ubicados sobre la superficie horizontal.
Mientras que para una inclinación de β = 90º, significa que los paneles están ubicados
verticalmente.
Figura 2. Ángulo de inclinación de los paneles
1.2.2. Orientación o Azimut (α).
Como se muestra en la Figura 3, es el ángulo entre la proyección del rayo solar en el
plano horizontal y la dirección sur-norte (para localizaciones en el hemisferio norte) o
norte-sur (para localizaciones en el hemisferio sur).
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Figura 3. Orientación (para localizaciones en el hemisferio norte)
1.3. Curva Característica.
Una de las características principales que mejor describen un módulo fotovoltaico es la
relación corriente- voltaje (I-V). Esto se ve reflejado en la curva característica de los
paneles (Ver Figura 4).
Figura 4. Curva Característica
Los valores trascendentes de esta curva son los siguientes:
Corriente de cortocircuito (ISC): es la máxima corriente que puede entregar el
panel, bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura,
correspondiendo a tensión nula y por lo tanto a potencia nula.
Tensión a circuito abierto (VOC): máxima tensión que puede entregar el panel,
bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura, y en condiciones de
corriente nula y por lo tanto potencia nula.
Potencia pico (Pmp): es el máximo valor de potencia que puede entregar el
panel. Corresponde al punto en el que el producto V ∗ I (Potencia) es máximo.
Corriente a máxima potencia (Imp): corriente que entrega el panel a potencia
máxima, bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Es utilizada
como la corriente nominal del dispositivo.
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Tensión a potencia máxima (Vmp): tensión que entrega el panel cuando la
potencia alcanza su valor máximo, bajo condiciones determinadas de radiación
y temperatura. Es utilizada como tensión nominal del dispositivo.
1.4. Efecto de la Radiación.
Un módulo trabajando en condiciones normales, experimentará una variación continúa
del nivel de radiación solar, durante el día y de estación en estación. Por tanto la
influencia que tiene la radiación solar en los paneles, como se ve en la Figura 5, es:
La tensión de circuito abierto de la célula está en función de la radiación y
disminuye lentamente a medida que esta disminuye, reduciéndose a 0 V. en la
oscuridad.
La corriente de cortocircuito que proporciona el módulo es proporcional al nivel
de radiación.
La potencia generada por un módulo aumenta proporcionalmente con la
radiación.
Figura 5. Influencia de la Radiación en la Curva I-V
2. COMPETENCIAS
El alumno debe tener el conocimiento y capacidad de aplicación de:
Diferenciar las diferentes tecnologías de paneles solares fotovoltaicos: Silicio
monocristalino, Silicio policristalino y Silicio amorfo.
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Comprender y reconocer los equipos que forman parte de un sistema fotovoltaico
aislado de la red.
Manejar adecuadamente una pinza amperimétrica para realizar mediciones.
Determinar experimentalmente la inclinación óptima de los paneles
Comprobar experimentalmente la mejor orientación de los paneles.
3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
A. Materiales y Equipos
Instalación fotovoltaica aislada de la red
Paneles fotovoltaicos
Estructura soporte, regulable
Regulador
Baterías
Inversor
Cargas (luminarias, TV)
Brújula
Pinza amperimétrica
Reloj
Transportador grande (medir ángulos de inclinación)
Nivel
Llave de tuercas
Desarmador estrella
B. Reactivos
N/A
4. PROCEDIMIENTO
1. Con ayuda de la brújula se orientarán los módulos solares con +15º de azimut
2. A continuación se procederá a regular la inclinación de los paneles a 0º y con ayuda
de la pinza amperimétrica se tomarán medidas de corriente y voltaje, estas medidas
se las realizarán en la salida del conjunto de módulos. De la misma forma se
realizarán las mediciones de corriente y voltaje modificando la inclinación de los
paneles a 15º, 30º, 45º, 60º, 75º y 90º.
3. Con ayuda de la brújula se orientarán los módulos solares con 0º de azimut
4. A continuación se procederá a regular la inclinación de los paneles a 0º y con ayuda
de la pinza amperimétrica se tomarán medidas de corriente y voltaje, estas medidas
se las realizarán en la salida del conjunto de módulos. De la misma forma se
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realizarán las mediciones de corriente y voltaje modificando la inclinación de los
paneles a 15º, 30º, 45º, 60º, 75º y 90º.
5. Con ayuda de la brújula se orientarán los módulos solares con -15º de azimut
6. A continuación se procederá a regular la inclinación de los paneles a 0º y con ayuda
de la pinza amperimétrica se tomarán medidas de corriente y voltaje, estas medidas
se las realizarán en la salida del conjunto de módulos. De la misma forma se
realizarán las mediciones de corriente y voltaje modificando la inclinación de los
paneles a 15º, 30º, 45º, 60º, 75º y 90º.
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA
Tiempo estimado de duración de la práctica 100 min.
6. MEDICIÓN, CÁLCULOS Y GRÁFICOS
Se construirán 3 tablas, cada una para cada variación de la orientación que se hizo (+15º,
0º y -15º), las tablas tendrán las siguientes columnas: inclinación, voltaje, intensidad de
corriente y potencia (𝑉 ∗ 𝐼). En cada una se tendrá que especificar el azimut, la hora y la
latitud y longitud del lugar donde se realizaron las mediciones.
A partir de cada tabla se construirán 3 gráficas: curva de Voltaje-Inclinación; Intensidad-
Inclinación; y Potencia-Inclinación
Analizar los gráficos obtenidos
7. CUESTIONARIO
1. ¿Cuál es la diferencia entre los paneles fotovoltaicos de Silicio monocristalino y
Silicio amorfo?
2. ¿Cuál es la diferencia entre una instalación fotovoltaica aislada de la red y una
instalación conectada a la red?
3. Desde su punto de vista, cuál sería la mejor forma de determinar la inclinación
óptima de los paneles solares? Y cuál sería la inclinación optima en Tiquipaya?
4. ¿Por qué la orientación óptima de los módulos fotovoltaicos es de 0º de azimut?
5. De acuerdo a los resultados obtenidos en las mediciones, cuál sería la mejor
orientación e inclinación de los paneles solares a esa hora específica?
6. Realizar un esquema de la instalación solar fotovoltaica del laboratorio,
especificando los equipos con los que se cuenta (marca, modelo, datos técnicos.
etc).
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Practica Nº 4
DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FV
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO
Un correcto dimensionado es fundamental, no solamente para que la instalación
funcione debidamente, sino para que la vida de esta sea larga, que es el objetivo
principal.
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Los elementos constituyentes de la instalación deben guardar entre si la proporción justa
y equilibrada. De nada serviría sobredimensionar el campo de paneles con el propósito
de producir más energía si las baterías tienen escasa capacidad para almacenarla, pues
se perdería la mayoría de ella. Un regulador de menor amperaje que el indicado o un
simple conductor de sección insuficiente pueden ser causa de avería y paralización de
la instalación, por lo que cada componente de la misma debe ser cuidadosamente
calculado u elegido por el ingeniero entre la gama del catálogo comercial.
Se comprende que el tema del dimensionado debe abordarse antes de comenzar el
cálculo de cada elemento, en función de la necesidad razonable del usuario, capacidad
económica del cliente y preferencias determinadas, siendo imprescindible que el
ingeniero recoja toda la información posible directamente de quienes van a ser los que
disfruten la instalación, tratando de satisfacer sus requerimientos hasta el límite de lo
posible.
Una instalación Fotovoltaica no tiene ninguna limitación técnica en cuanto a la potencia
que puede entregar; solamente motivos de economía y rentabilidad establecen un
argumento para el número de paneles y acumuladores a instalar. Dicho límite, puede ser
voluntariamente alterado por el propietario de la instalación bajo su propia
responsabilidad, pero siempre tomando la decisión después de haber sido
perfectamente informado de las posibles opciones, sus costos, ventajas e
inconvenientes.
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El primer paso es definir perfectamente los objetivos de una instalación, atendiendo a
las necesidades reales de los futuros usuarios y a sus requerimientos concretos. Para
ello, el ingeniero debe recabar información de la utilización prevista, no solo inicialmente,
sino durante los años futuros.
Si no se conoce la potencia real de los aparatos, por ejemplo de la TV o de una maquina
eléctrica, es preciso indagar previniendo que la potencia teórica y la consumida en la
práctica son superiores, debido a la pérdida por rendimiento. No hay que pensar que un
tubo fluorescente con la indicación de 20 Watts va a consumir 20 Watts realmente, pues
existen perdidas, en los accesorios que necesita para su funcionamiento. No pueden
establecerse valores fijos para determinar las perdidas, sino hay que estimarlas con un
coeficiente corrector del consumo total.
En cualquier caso, lo ideal es que se pueda comprobar por si mismo el consumo real de
cada uno de los elementos que con más frecuencia se utilizan (iluminación, convertidor,
regulador, etc.) para, de esta forma, disponer de datos experimentalmente
comprobados.
Una vez determinadas, las potencias consumidas por cada aparato, es preciso estimar,
y esto ha de hacerse de acuerdo con el usuario, los tiempos medios de utilización diarios,
semanales, mensuales o anuales de cada uno de ellos, teniendo también en cuenta los
posibles altibajos motivados por causas diversas, ya sean estas periódicas o no.
En los casos más simples, en los que el consumo es más o menos homogéneo a lo largo
del año pueden establecerse unos tiempos medios diarios, que se suponen constantes.
En otros supuestos habrá que anotar las irregularidades periódicas o estaciónales que
podrían producirse.
En un caso típico caso de iluminación de viviendas, se debe considerar una potencia y
un tiempo medio diario de consumo mínimo, de acuerdo con los valores de la siguiente
tabla:
Potencia y tiempos mínimos diarios iluminación viviendas aisladas
Cuarto de estar 18 W – 5 horas
Comedor 18 W – 5 horas
Dormitorio 8 W – ½ hora
Cocina 18 W – 2 horas
TV 32 W – 4 horas
Pasillo, entrada 18 W – 2 horas
En cualquier caso, el consumo diario previsto no debe suponerse menor a 250 W.h/día,
que representa un valor mínimo.
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Potencia media de algunos aparatos de corriente continua
Lavadora (sin centrifugado ni calentamiento de agua) 275 W
Plancha 75 W
Frigorifico 75 W
Secador de pelo 100 W
Ventilador 25 W
Taladro 40 W
Batidora 75 W
Se elabora una tabla de consumos, por tanto una instalación fotovoltaica de iluminación
de vivienda unifamiliar debe contener lo siguiente:
- Días de utilización a la semana (si solo se utiliza los fines de semana, considérese
dos días)
- Periodo de utilización máximo y mínimo ( en invierno se utilizara más la
iluminación y en verano el frigorífico)
- Potencia máxima de consumo simultaneo igual 200 W
- Necesidad de uso de convertidor (detállese su potencia y rendimiento y si va a
existir circuito de corriente alterna o también continua).
- Tensión de consumo elegido.
- Energía requerida Et (la suma de los consumos más las pérdidas para aquellos
aparatos que utilicen convertidor).
- Otras consideraciones.
Los usuarios de la instalación deben ser conscientes desde el primer momento de lo
importante que es respetar los valores de consumo previstos. Un alto porcentaje de
fracasos en instalaciones solares se debe a que los consumos reales son muchos
mayores que los estimados partiendo de los datos suministrados por el propio usuario.
En una vivienda electrificada por la red convencional, ciertos descuidos, como dejar
luces encendidas, abrir constantemente la puerta del frigorífico o mantener la TV
funcionando aunque nadie esté atento, lo cual supone la posibilidad de tener que
quedarse a oscuras durante varios días.
a) Capacidad del acumulador.-
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El segundo paso es determinar, como paso previo al cálculo del acumulador de una
instalación, es el número máximo N de días máximo que se tiene las condiciones
desfavorables. Dicho número debe ser asignado por el ingeniero de acuerdo con las
características climatológicas de la zona, al servicio que la instalación preste y las
circunstancias particulares de cada usuario.
Una vez fijado el numero N de días de autonomía máxima, y conocida la energía
total teórica ET requerida en un periodo de 24 horas, obtenida a partir de las
potencias y del tiempo medio de funcionamiento diario de cada aparato de consumo,
procedemos a hallar la energía real necesaria Er, que proviene de los paneles, debe
recibir el acumulador, del cual ya habremos decidido el tipo y características básicas
y, por tanto, conoceremos la profundidad de descarga máxima admisible.
La energía E equivaldrá exactamente a la energía que se necesite diariamente,
teniendo en cuenta las diferentes pérdidas que existen, la expresión razonablemente
es:
E = ET / R
Donde R es un factor global de rendimiento de la instalación, tomándose en cuenta
los coeficientes: de pérdidas por rendimiento en el acumulador, de auto descarga,
de pérdidas en el convertidor y otras perdidas (perdidas por efecto Joule, etc.).
Una vez calculados R y E, se halla el valor de la capacidad útil Cu que debe tener la
batería, que será igual a la energía total E que es preciso producir diariamente
multiplicada por el numero N de días de autonomía, ya que la batería debe ser capaz
de acumular toda la energía necesaria para dicho periodo.
La energía E se mide en Wh, se lo expresa la capacidad en Ah, entonces se divide
Cu entre la tensión nominal de la batería (12 o 24 Volts). Por simplicidad, se usa
indistintamente el mismo símbolo para designar la capacidad en W.h o A.h.
La capacidad nominal C asignada por el fabricante será igual al cociente entre Cu y
la profundidad máxima de descarga admisible pd.
b) Potencia de paneles.-
En las épocas del año más favorables las baterías se encuentran en estado de
máxima carga durante buena parte del día y, por lo tanto, la energía sobrante que
podría teóricamente producir los paneles será disipado en el regulador, elevando
más del 10 % el valor del factor de pérdidas que hemos considerado. Sin embargo,
como el periodo que nos interesa a efectos de dimensionado es el más desfavorable
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(invierno), en el que el estado de carga máxima se alcanzara pocas veces, el
regulador no desaprovechara mucha energía y puede ser aceptable tomar un
rendimiento del 90 %.
Con el fin de evaluar la energía que un panel puede producir diariamente en una
determinada localidad resulta útil el concepto del número de horas de sol pico
(H.S.P.) del lugar en cuestión y que no es otra cosa que el valor de la energía H total
incidente sobre una superficie horizontal de 1 m², resultando:
H.S.P. = 0,2778 H
El significado del nombre “horas de sol pico” es horas de sol a una intensidad de
1000 W/m² es el siguiente:
El número de paneles a instalar estará dado por el cociente entre Ep y la energía que
realmente es capaz de producir cada panel a lo largo del día (10 % menos que la
potencia máxima teórica, que suele ser la potencia nominal que especifican los
fabricantes); así pues:
Numero de paneles = _____Ep_______
09 P (H.S.P.)
Normalmente este resultado es un numero decimal se recomienda la opción por
exceso.
c) Regulador.-
Para instalaciones fotovoltaicas de baja potencia y que no sufren grandes cambios
de temperatura ambiente, los reguladores tipo Shunt suelen ser los más empleados,
debido a su bajo costo.
Para el dimensionado del sistema de regulación se debe realizar con un factor de
seguridad entre la potencia máxima producida por el banco de paneles y la potencia
máxima del regulador de un 10 % como mínimo.
En general se debe procurar que el número de reguladores sea lo mínimo posible, y
si fuera necesario más de uno, el número de estos se obtendrá mediante la
expresión:
Nr = Npp Ip / Ir
Siendo:
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Nr: Numero de reguladores
Npp: Numero de paneles en paralelo.
Ip: Intensidad pico del panel seleccionado
Ir: Intensidad máxima que es capaz de disipar el regulador.
Si el valor de Nr no es un número entero, el número de reguladores será igual al
número entero inmediato superior
d) Convertidor.-
La variación de la tensión de salida no deberá ser superior a un 5 % de la tensión
nominal de salida para convertidores de onda senoidal y un 10 % para convertidores
de onda cuadrada.
La eficiencia del convertidor, está definida como la relación entre la potencia que esta
entrega a la utilización y la potencia que el convertidor extrae de los paneles o del
sistema de acumulación, en función de la carga.
La potencia de entrada del convertidor se calcula mediante la expresión:
Pe = Potencia de salida / Eficiencia
El convertidor seleccionado deberá incorporar un automatismo de desconexión por
falta de carga y deberá estar protegido contra:
a) Cortocircuitos
b) Sobrecarga
c) Inversión de polaridad en alimentación
e) Sección del conductor.-
Respecto al cableado de la instalación, es muy importante minimizar todo lo posible la
longitud del conductor a utilizar, procurando para ello que las distancias entre paneles,
el regulador, la batería y el inversor sean lo menos posible.
2. COMPETENCIA
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o Conocimientos sólidos en la determinación de la demanda energética para un
sistema fotovoltaico.
o Razonamientos técnicos para la toma de decisiones en el diseño de un sistema
fotovoltaico.
o Diseño de un Sistema fotovoltaico.
o Identificación de conocimientos y saberes del sistema fotovoltaico para solución
de suministro eléctrico.
3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
a. Equipos y materiales
o Radio
o Computadora.
o 2 puntos de luz (letz)
o 2 puntos de luz (fluorescentes 20 Watts).
o Sistema Fotovoltaico.
b. Reactivos
N/A
4. TECNICA O PROCEDIMIENTO
1. Anotar las potencias en Watts de los aparatos electrodomésticos (con y sin
convertidor).
2. Determinar los tiempos medios en horas de utilización diario, semanal, y mensual
de las cargas eléctricas.
3. Elaborar tabla de consumo o de energía diario (potencia x tiempo), determinando
el consumo total (ET).
4. Elegir el numero N de días de autonomía.
5. Determinar las cargas que utilizaran Convertidor.
6. Realizar el análisis consumo con Convertidor.
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA
Tiempo estimado de duración de la práctica 50 min.
6. MEDICIÓN, CÁLCULOS Y GRÁFICOS
Calcular:
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o El factor R global de rendimiento de la instalación para las condiciones del
sistema fotovoltaico de Laboratorio.
o La energía E necesaria.
o La capacidad CU útil de la batería.
o La capacidad C nominal de la batería.
o La energía EP que deben suministrar el o los paneles con regulador.
o El número de paneles necesarios (H.S.P.=2,8 a 3).
Cuál es la demanda Energética Solar que requiere los laboratorios de Petróleo?
7. CUESTIONARIO
1. Describir las cualidades técnicas de las lámparas utilizadas en los Sistemas
Fotovoltaicos.
2. Desarrollar el servicio de mantenimiento, planteamiento general del sistema
fotovoltaico
3. Desarrollar el Programa EURO-SOLAR en Bolivia y las comunidades
beneficiarias.
4. Determinar las secciones de conductor utilizados en los diferentes tramos de una
instalación Fotovoltaica.
5. Desarrollar los productos que ofrece la industria PHOCOS en nuestro país.