dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos · 2019. 9. 16. · bulk, absorción y flotación,...

Dimensionamiento de Sistemas Fotovoltaicos

Christian Hernando Espitia González

Ingeniero Electrónico

Universidad Industrial de Santander

Coordinador de Diseño e innovación

Grupo ANS – ANS Comunicaciones / ANS Energía

EXPERIENCIA EN PROYECTOS FOTOVOLTAICOS

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❖ SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HIBRIDOS COLOMBIA / PERU (25)

❖ SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS COLOMBIA NODOS DE COMUNICACIONES. (> 100)

❖ SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE ILUMINACION PIEDECUESTANA (1)


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❖ SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A LA RED DE 18.5 KWp OFICINA PRINCIPAL (1)


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❖ SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A LA RED DE 30 KWp SUPERMERCADO LA CANASTA

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❖ SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A LA RED DE 33 KWp TELEBUCARAMANGA LA CUMBRE

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❖ SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A LA RED DE 81KWp RTVC LETICIA

TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

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✓ SOLUCION IDEAL PARA LUGARES REMOTOS

✓ SOLUCION IDEAL PARA ILUMINACION Y OTRAS PEQUEÑAS APLICACIONES.

✓ INDEPENDENCIA DE LA RED CONVENCIONAL

✓ OPERACIÓN AUTONOMA QUE REQUIERE UN DIMENSIONADO MAS DETALLADO

✓ 50% COSTO EN BATERIA

✓ TIENE UNA OPERACIÓN RESTRINGIDA PARA LAS CARGAS EN HORARIOS ESTABLECIDOS

✓ REQUIERE RECAMBIO DE BATERIAS

✓ VIABILIDAD ECONOMICA RESTRINGIDA PARA LA CIUDAD

Fuente: Schneider Electric


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✓ SOLUCION IDEAL PARA ALTA DISPONIBILIDAD DE ENERGIA

✓ SOLUCION IDEAL PARA MULTIPLES FUENTES DE ENERGIA Y TRANSFERENCIAS.

✓ INDEPENDENCIA Y/O RESPALDO A FALLAS DE ENERGIA DE LA RED CONVENCIONAL

✓ OPERACIÓN TOTALMENTE PROGRAMABLE ENTRE FUENTES DE ENERGIA.

✓ AUTONOMIA DEL SISTEMA DIMENSIONADA A LAS NECESIDADES REALES DE OPERACIÓN.

✓ COSTO EN BATERIA MAS FLEXIBLE, COMO ULTIMA NECESIDAD.

✓ REQUIERE RECAMBIO DE BATERIAS

✓ ALTO COSTO POR BATERIA Y EQUIPO INVERSOR HIBRIDO INTELIGENTE

✓ MUCHOS TIPOS DE INVERSORES HIBRIDOS Y COSTOS. Fuente: Schneider Electric


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✓ SOLUCION IDEAL PARA DISMINUIR COSTOS DE FACTURA DE ENERGIA

✓ SOLUCION IDEAL PARA SISTEMAS DE APOYO EN AREAS REMOTAS CON GENERACION DIESEL -ZONAS NO INTERCONETADAS A AL RED - ZNI.

✓ USA LA RED ELECTRICA COMO BATERIA

✓ EXPORTACION DE ENERGIA A RED (EXCEDENTES) CONFIGURABLE.

✓ NO REQUIERE BATERIA, LA ENERGIA S EINYECTA DIRECAMENTE EN LA RED EN EL PUNTO DE CONEXIÓN.

✓ SINCRONIZACION A RED / NO OPERA SIN ONDA DE VOLTAJE Y FRECUENCIA, NORMA UL1741 (NO MODO ISLA), NORMA IEEE1547 CONEXIÓN A RED SISTEMAS DISTRIBUIDOS.

✓ NO OFRECE AUTONOMIA O RESPALDO A FALLAS DE LA RED.

Fuente: Schneider Electric

COMPARATIVA TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

AISLADO HIBRIDO CONECTADO A RED

Alto costo por baterías Costo en baterías relativo Bajo costo no requiere batería

Gran cantidad de Elementos Gran cantidad de elementos Poca cantidad de Elementos

No requiere tramites de conexión Requiere tramites de conexión Requiere tramites de conexión

Mantenimiento mas extenso Mantenimiento mas extenso Mantenimiento mas ligero

Lentos beneficios del gobierno Lentos beneficios del Gobierno Rápidos beneficios del Gobierno

Instalación mas lenta y costosa Instalación mas lenta y costosa Instalación mas rápida y económica

No entrega excedentes – no hay OR Puede entregar excedentes a la red Puede entregar excedentes a la red

Aplicación lugares remotos Aplicación lugares remotos y ciudad Aplicación ciudad

Independencia de la red ORRelativo a la configuración del sistema y la

operación del ORDepende de la estabilidad del OR

Generación única de los paneles solaresMúltiples fuentes, coayuda o interactúa

con la red u otras fuentesOR u otro generador ofrece energía en

firme, los paneles solo inyectan Energía.

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS O AUTONOMOS

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OBJETIVOS ___________________________________________________________________________________

▪ Analizar el funcionamiento de una instalación aislada con la finalidad de conocer cada una de las aplicaciones de las instalaciones solares fotovoltaicas aisladas.

▪ Conocer las características principales y entender el principio de funcionamiento de los equipos de una instalación solar fotovoltaica aislada.

▪ Aprender a dimensionar los elementos de una instalación solar fotovoltaica. Optimizando cada uno de los equipos, con la finalidad de que la instalación funcione correctamente y sin derrochar recursos.

▪ Estudiar la viabilidad de la instalación aislada.

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS O AUTONOMOS

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSPANEL SOLAR

Tiene como función la de generarenergía eléctrica a partir de lairradiación o luz solar, a partir delefecto fotovoltaico, su composiciónesta dada por celdas solaresconectadas en serie, de manera quepueda acumular o aumentar el nivel detensión y corriente necesaria, entreotros componentes constructivos yeléctricos fundamentales.

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Curva característica IV del panel solar y el punto de máxima potencia


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Curva característica IV del panel solar y el punto de máxima potencia

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSCONTROLADORA SOLAR

Su principal función es efectuar la carga correctadel banco de baterías a partir de la energíasuministrada por uno o mas paneles solares,esta carga se efectúa acorde las etapas querequiere las baterías que normalmente son:bulk, absorción y flotación, algunas bateríasrequieren una cuarta etapa conocida comoecualización.

Pero dentro de las controladoras solares existenal menos dos tipos que son las mas comunes orepresentativas, las del tipo PWM y las MPPT.

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Las controladoras solares de carga tienen ante todo las siguientes misiones:

• Protección de la batería contra descarga profunda.

• Estabilizar la tensión procedente del panel solar fotovoltaico

• Limitación de la tensión de fin de carga (protección contra descarga).

• Prevención de una descarga nocturna de las baterías a través de la resistencia interna del generador solar.

También las siguientes funciones:

• Ajuste del procedimiento de carga según el tipo de batería.

• Protección contra la polaridad inversa.

• Protección sobrecarga

• Protección contra cortocircuito.

• Control de la temperatura externa, por la tanto ajuste de la tensión de fin de carga a la temperatura de la batería.

• Indicación de la función de carga en cada momento, así como indicación de la intensidad y de la tensión.

• Regulación automática de carga de igualación, de este modo con una determinada frecuencia el regulador realiza una carga de igualación. Si no se hace esto, a lo largo de una batería se produce forzosamente una estratificación indeseada del electrolito, por lo que la batería queda deteriorado

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Controladora PWM o tipo Shunt: Es del tipo masantiguo, este equipo carga la batería efectuando laconexión directa entre el arreglo de paneles y labaterías (control PWM), por ende el voltaje delarreglo de paneles debe ser del mismo voltaje delas baterías para no dañar las baterías.

➢No son optimas por el voltaje del arreglo ybaterías.

➢ Se usan solo para aplicaciones pequeñas conpoca criticidad.

➢ Son mas económicas

➢ Se usan en luminarias solares.

➢ Son poco eficientes y disipan la energía delpanel una vez se carga la batería.

➢ Tienen a lo sumo dos niveles de carga de bateríay afecta su vida útil.

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Controladora MPPT: Es del tipo mas reciente, este equipo carga la batería, usando un control deseguimiento del punto máximo de potencia del arreglo de paneles solares (MPPT: Máximum PowerPoint Tracker), que le permite siempre obtener la mayor cantidad de energía para inyectar a la batería,

➢Mayor eficiencia (> 99%) que la PWM (MPPT es 30% mas eficiente que PWM), sin importar elvoltaje del banco de baterías, se puede conectar arreglos fotovoltaicos de mayor voltaje, lo quegarantiza siempre inyección con condiciones de irradiación deficiente.

➢ Se usan en aplicaciones criticas y de alta capacidad.

➢ Son costosas en comparación con las PWM 2:1 y en algunos casos 3:1.

➢ Son poco eficientes y disipan la energía del panel una vez se carga la batería.

➢ Tienen multinivel de carga de batería y para cualquier tipo de baterías

➢ Tienen un control mas robusto enfocado en mantener el tiempo de vida útil de las baterías.

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSBANCO DE BATERIAS

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BATERIA ELECTRICA

Es un dispositivo eléctrico que consiste en una o más celdaselectroquímicas que pueden convertir la energía químicaalmacenada en corriente eléctrica.

Cada celda consta de un electrodo positivo, o ánodo, unelectrodo negativo, o cátodo, y electrolitos que permiten quelos iones se muevan entre los electrodos, permitiendo que lacorriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo su función,alimentar un circuito eléctrico. (Fuente Wikipedia)

Es decir, la misión de la batería eléctrica es almacenar laenergía eléctrica generada, con el objetivo de ser utilizarcuando la demanda enérgica surja.


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NOTA: Una batería sin cargas es decir libres de cargas y alimentación nos puede dar una tensión entre 2,12 voltios y 1,96

voltios, dependiendo de su estado de carga.

Estando la batería cargada con 2,12 voltios y teniendo la batería descargada con 1,96 voltios.


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TIPOS DE BATERIA ELECTRICA

❖ AGM

❖ Electrolito de GEL

❖ Monoblock

❖ Estacionaria OPzS

❖ Estacionaria OPzV

❖ Litio (Ion de Litio, LiFePO4, NMC)


Aspectos a tener en cuenta en una batería.

✓ Voltaje de la batería y el banco

✓ AH Capacidad de amperios de la batería

✓ Velocidad o Rata de Descarga C10, C20, C50, C100 y la Capacidad de la Batería.

✓% DoD: Profundidad de descarga de la batería

✓ Ciclos de vida útil vs DoD.

✓ La temperatura vs el comportamiento.

✓ Autodescarga

✓ Configuración del banco de baterías

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSINVERSOR AISLADO

Es un equipo eléctrico que tiene como función convertir la energía de corriente continua (DC) en energía de corriente Alterna (AC), de manera que pueda adaptarse a la mayoría de cargas que convencionalmente se obtienen para energía de 220V o 120V con una frecuencia de 60Hz.

Existen de varios tipos y capacidades, pero se diferencian por el tipo de onda que genera a la salida.

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Características mas recomendables

▪ Presentar una corriente alterna lo más senoidal posible.

▪ Estabilizar la frecuencia.

▪ Tolerancia con respecto a las oscilaciones de tensión del acumulador de la batería.

▪ Protección de las baterías contra los daños de una descarga profunda

▪ Tensión de salida de 220/120 voltios y frecuencia 60 Hz estables.

▪ Bajo contenido armónico.

▪ Baja vulnerabilidad electromagnética.

▪ Suministro seguro de la carga de consumo en régimen de carga permanente.

▪ Breve admisión de la carga para los picos de carga y arranque de motores.

▪ Alta eficiencia de conversión en régimen de carga total y parcial (la eficiencia de conversión es la relación entre la potencia de salida y la de la entrada).

▪ Pequeño consumo en espera (stand-by).

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSOTROS COMPONENTES

Los cables de corriente continua para las aplicaciones fotovoltaicas deben reunir los siguientes requisitos:

✓Contar con la protección de cortocircuito.

✓Ser resistentes a los rayos UV y a la intemperie con un rango de temperatura (aproximadamente entre -40 ºC y 120 ºC).

✓Rango de tensión acorde al arreglo FV.

✓De fácil manipulación, simple y buen tendido.

✓No inflamables, con baja toxicidad en caso de incendio y sin halógenos.

✓Escasa pérdida por conducción.

✓Caída de tensión < 2%

✓Cumplir el RETIE y la NTC 2050.

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSDATOS DE SITIO

✓ Ubicación de la estructura de los paneles solares. (sitio)

✓ Ubicación óptima de los equipos electrónicos. (sitio)

✓ Calculo de cargas y horarios de operación. (técnico)

✓ Tensión de operación de los equipos o cargas. (técnico)

✓ Clasificación de las cargas. (técnico)

✓ Días de Autonomía necesarios. (técnico)

✓ Datos de Irradiación solar (externo)

✓ Normas (externo)

✓ Factor Económico (externo)

✓ Sombras (técnico)

✓ Inclinación y orientación paneles. (técnico)

AUTONOMIA

Es el tiempo que debe soportar nuestro banco de baterías con las cargas conectadas y sin generación de energía, normalmente se trata en términos de días, y depende del tipo de aplicación y ubicación de la aplicación.

El mínimo tiempo de autonomía en sistemas aislados es de N = 2 días.

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSDATOS DE SITIO

✓ Ubicación de la estructura de los paneles solares. (sitio)

✓ Ubicación óptima de los equipos electrónicos. (sitio)

✓ Calculo de cargas y horarios de operación. (técnico)

✓ Tensión de operación de los equipos o cargas. (técnico)

✓ Clasificación de las cargas. (técnico)

✓ Días de Autonomía necesarios. (técnico)

✓ Datos de Irradiación solar (externo)

✓ Normas (externo)

✓ Factor Económico (externo)

✓ Sombras (técnico)

✓ Inclinación y orientación paneles. (técnico)

AUTONOMIA

Es el tiempo que debe soportar nuestro banco de baterías con las cargas conectadas y sin generación de energía, normalmente se trata en términos de días, y depende del tipo de aplicación y ubicación de la aplicación.

El mínimo tiempo de autonomía en sistemas aislados es de N = 2 días.

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS

Métodos de Dimensionamiento de sistemas Aislados.

➢Método del “Peor Mes”

➢Método del balance de energías.

El método del Peor Mes consiste en evaluar lascondiciones de producción del sistema FV en elmes donde el consumo de energía es mayor y lairradiación solar es menor, es decir, cuando haypeor producción de energía con relación a losotros meses del año.

De manera que una vez evaluada lascondiciones en el peor mes, se diseña el sistemapara superar esas condiciones y por ende elresto de meses no solo supera las necesidadessi no que puede presentarse un superávit enproducción de Energía.

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El método del Balance de Energía es un métodosimilar al del peor mes (caso extremo), donde eldiseñador evalúa las condiciones de produccióndel sistema FV ya sea en el segundo, tercero ocuarto peor mes, o sencillamente no trabaja conla peor irradiación solar, si no con la promedioen el año, o la promedio en cada mes.

De manera que el sistema es dimensionadopara una operación donde puede suministrarenergía a la carga de manera eficiente algunosmeses o la mayoría y puede presentar déficit enalgunos pocos meses o en condiciones adversas.

En resumen ambos métodos dimensionan lossistemas fotovoltaicos con los mismos pasos, ladiferencia esta en que el sistema del peor meses mas estricto, debido a que se usa parasistemas críticos donde nunca debe fallar laenergía, mientras el de balances de energía seusa para cargas donde se utilizan portemporadas del año.

Peor mes: mas batería, paneles solares yequipos.

Balance de energías: menos batería, panelessolares y equipos.

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Paso 1. Calculo del consumo diario

➢ Es necesario conocer la energía requeridas por las cargas de manera detallada.

➢ Reconocer cargas DC y AC.

➢ Se efectúa una tabla de calculo general con todas cargas.

CANTIDAD HORAS EQUIPO CARGA(W) CONSUMO (Wh/dia)

4 6 Bombillas LED 7W - c/u 28 168

1 0,1 Licuadora 75W 75 7,5

1 4 Nevera 175W 175 700

1 5 Televisor 60W 60 300

1 3 Radio y Celular 25W 12 36

TOTAL 350 1211,5

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Paso 2. Calcula de la energía total teórica requerida

➢ Se totaliza la energía teórica requerida en DC y AC, teniendo en cuenta que la energía en AC ha pasado por un Inversor.

Et = CONCONTINUA + CONALTERNA

➢ La energía en alterna entonces es:

CONALTERNA=(100+Mseg) x CONEQUIPO AC/ EINVMseg: margen de seguridad, así se tienen en cuenta las pérdidas por cableado, conexiones, variaciones no provistas de consumo, etc. (normalmente se puede considerar que se le asigna un valor del 15 %).

EINV: Eficiencia del Inversor, normalmente superior al 90%, en nuestro ejemplo 96% dada a la experticia.

Es decir todos los valores de consumo se llevan en términos de lo que realmente se pide al banco de batería.

➢ Para nuestro caso:

Et = CONALTERNA = (100+Mseg) x CONEQUIPO AC/ EINV

Et = 1211,5 Wh/dia x 1,15 / 0,96

Et = 1,45 kWh/dia

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSPaso 3. Cálculo del rendimiento de la instalación

Siendo:

Kb: coeficiente de pérdidas por rendimiento en el acumulador. Representa la porción de energía que no devuelve con respecto a la absorbida. Suele ser 0,05 si no se precisan descargas intensas, y 0,1 para casos más desfavorables.

Ka: coeficiente de descarga. Es la fracción de energía que se pierde al día por autodescarga, ya falta de información o si el fabricante no la da, suele tener un valor de 0,005 (0,5% diario). También lo podemos obtener en un gráfico, de tal forma que si la capacidad de una batería es el 75 % de la inicial tendremos: (100-75)/100= 0,25 (en 6 meses), luego tendremos que hacer: Ka=0,25/180 días=1,39x10-3 día-1. Otra opción que tenemos es cuando sólo conocemos el tipo de batería a utilizar:

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSPaso 3. Cálculo del rendimiento de la instalación

Si queremos calcular el coeficiente de autodescarga según las especificaciones del fabricante, para una temperatura de 20 ó 25 ºC, estimaremos la autodescarga K´a, para otras temperaturas en el intervalo -5 a 45 ºC con la siguiente expresión:

Importante realizar este cálculo para cuando trabajemos en temperaturas extremas es decir por debajo de 15 ºC y superiores a 25 ºC

Kc: coeficiente de pérdidas en el inversor. Si existe y afecta a toda la red de consumo. Si sólo se utiliza en algunos aparatos, laconsideramos 0, incluyendo en este caso las pérdidas del inverso en el cálculo previo del consumo de los aparatos que afecte. Este datolo da el fabricante y está entre el 75 y 95%. En el caso de que no conozcamos las perdidas del inversor, tomaremos un valor de 0,1 parainversores senoidales, y 0,2 para los inversores de onda cuadrada. El consumo de los circuitos del convertidor está presente en esteapartado, aunque con grandes potencias desglosemos el consumo del propio inversor y las pérdidas que origina.

Kv: coeficiente de otras pérdidas (rendimiento global de los consumos, pérdidas por efecto Joule). Este valor suele ser 0,15, aunquepuede reducirse a 0,05 si ya tenemos los rendimientos de los aparatos de consumo.

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Paso 3. Cálculo del rendimiento de la instalación

N: días de Autonomía del sistema.

Pd: Profundidad de descarga del sistema DoD en los N días de autonomía.

Normalmente el valor de R se encuentra entre 0.7 para sistemas poco eficientes y 0.8 entre los mas eficientes.

En nuestro caso:

Kb: 0,05 no hay descargas intensas, Ka: 0,005 para baterías estacionarias tipo gel, , Kc: 0,04 pues el inversor tiene eficiencia de 96% y la instalación esta a T: 20°C, , K v: 0,15 el peor de los casos, N: 2 días de autonomía, Pd: 0,5 para las baterías de gel de manera que tenga 1400 ciclos de vida útil.

R = 0,7448 ≈ 0,74

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Nota: Hasta este punto no se ha incluido las perdidas del sistema por desorientación en azimut o en inclinación, pero se debe incluir ya sea en el calculo del rendimiento de la instalación o cuando se vaya a calcular los paneles solares.

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Paso 4. Cálculo de la Energía Real Requerida

E = Et / R

Donde:

Et: Energía total teórica requerida (diaria).

R: Rendimiento del sistema

Para nuestro caso: Et = 1,45 kWh/dia y R = 0,74

Entonces

E = 1,45 (kWh/dia)/0,74

E = 1,96 kWh/dia

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSPaso 5. Cálculo del acumulador o Banco de Baterías.

C = E x N x Kt / (Vb x Pd) (en amperios hora – AH)Donde:E: Energía Real RequeridaN: días de AutonomíaKt: Coeficiente de corrección aplicable cuando la temperatura media que debe soportar la batería es menor a 20º y se calcula Kt=1-Δtº/160Vb: Voltaje del Banco de Baterías Pd: Profundidad de descarga

Para nuestro caso: E = 1,96 kWh/dia, N = 2 días, Kt: 1 pues T= 20°C, Vb = 48 Vdc para optimizar el uso de la controladora MPPT además minimiza la capacidad del banco de baterías, no obstante se calculara para 24V también, es decir mas baterías de menos amperios hora de capacidad, Pd: 0,5 par baterías de gel.

C = 1960 Wh/dia x 2 x 1 /( 48V x 0,5)

C = 163 AH@C50 ≈ 200 AH@C10 (24V) → C = 326 AH@C50 ≈ 400 AH@C10

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Paso 6. Cálculo de la potencia en paneles.

I. Calculo de las Horas sol Pico: Una hora pico de sol es una hora durante la cual la irradiación solar es igual a 1000 /m2 en el sitio de la instalación.

HSP = GHd x KA x KDonde:

GHd: Irradiación Global diaria (“peor mes”) kWh/m2/diaKA: coeficiente de corrección atmosférico (contaminación), en zona rural equivale 1.05, urbano periférico 1, urbano centro 0.95. K: Factor K, acorde a la latitud e inclinación del sitio.

La Irradiación Global horizontal diaria del peor mes es obtenida por medio de bases de datos, en cuyo caso las mas comunes son:

▪ NASA P.O.W.E.R. (Prediction Of Worldwide Energy Resource)▪ SolarGIS

▪ Meteonorm▪ IDEAM

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Paso 6. Cálculo de la potencia en paneles.

De acuerdo a la base de datos mas confiable comoes la NASA POWER, se toman los datos solicitadospara una ubicación en zona rural de Santander,donde estará ubicado el Sistema autónomo:

https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/

Para nuestro caso se estima cero afectaciones porsombras, pues en caso de presentarse es necesarioefectuar el respectivo calculo de perdidas, que soloes posible con la medición de la afectación pormedio de equipos especializados como es elSolarpathfinder o el Sun EYE.

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https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/


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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSPaso 6. Cálculo de la potencia en paneles.

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GHd = 3,55 kWh/m2 (peor mes: octubre)

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enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre

GHd (kWh/m2/dia) 5,34 5,34 5,28 4,96 5,01 5,16 5,57 5,55 5,27 4,08 4,72 4,86

Minima diferencia mensual -12% -13% -12% -15% -10% -8% -7% -15% -10% -13% -8% -12%

GHd peor (kWh/m2/dia) 4,70 4,65 4,65 4,22 4,51 4,75 5,18 4,72 4,74 3,55 4,34 4,28


El factor K: Es un factor de corrección por la ubicación del sistema en una latitud especifica y con una inclinacióndada al panel, normalmente esta en tablas ya previamente calculadas, para nuestro caso la latitud del sistema seubica en 7° Norte y la inclinación que le daremos a nuestros paneles es de 10 grados para permitir el auto lavado.

K = 1,04

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Latitud Inclinacion ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

7 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

7 5 1.03 1.02 1 0.99 0.98 0.97 0.98 0.99 1.01 1.02 1.03 1.03

7 10 1.05 1.03 1 0.97 0.95 0.94 0.95 0.97 1 1.04 1.06 1.06

7 15 1.06 1.03 0.99 0.95 0.91 0.89 0.91 0.95 0.99 1.04 1.07 1.08

7 20 1.07 1.03 0.98 0.92 0.87 0.85 0.86 0.91 0.98 1.04 1.08 1.09

7 25 1.07 1.02 0.96 0.88 0.82 0.79 0.82 0.88 0.96 1.04 1.09 1.1

7 30 1.06 1.01 0.93 0.84 0.77 0.73 0.76 0.83 0.93 1.02 1.08 1.1

7 35 1.05 0.99 0.9 0.79 0.71 0.67 0.7 0.78 0.89 1 1.07 1.09

7 40 1.03 0.96 0.86 0.74 0.64 0.6 0.63 0.73 0.85 0.97 1.06 1.07

7 45 1.01 0.93 0.81 0.68 0.57 0.53 0.57 0.67 0.81 0.94 1.03 1.05

7 50 0.98 0.89 0.76 0.62 0.5 0.45 0.49 0.6 0.75 0.9 1 1.02

7 55 0.94 0.84 0.71 0.55 0.43 0.38 0.42 0.54 0.7 0.85 0.96 0.99

7 60 0.9 0.79 0.65 0.48 0.35 0.3 0.34 0.46 0.63 0.8 0.92 0.95

7 65 0.85 0.74 0.58 0.41 0.27 0.21 0.26 0.39 0.57 0.75 0.87 0.9

7 70 0.8 0.68 0.52 0.34 0.19 0.13 0.18 0.31 0.5 0.68 0.81 0.85

7 75 0.74 0.62 0.45 0.26 0.12 0.11 0.1 0.23 0.42 0.62 0.75 0.79

7 80 0.68 0.55 0.38 0.18 0.11 0.1 0.1 0.15 0.35 0.55 0.69 0.73

7 85 0.61 0.48 0.3 0.12 0.1 0.09 0.09 0.09 0.27 0.47 0.62 0.66

7 90 0.54 0.41 0.23 0.11 0.09 0.09 0.08 0.08 0.19 0.4 0.55 0.59


Para nuestro caso:

GHd = 3,55 kWh/m2/dia , K = 1,04, KA = 1,05

HSP = 3,55 kWh/m2/dia x 1,04 x 1,05 Pero 1000W/m2 es igual a 1 HSP

HSP = 3,88 horas/dia

Que de acuerdo a la formal siguiente se calcula la potencia en panel requerida:

Pp= E/(HSP)Donde:

Pp: Potencia en panel requerida.E: Energía Real RequeridaHSP: Hora sol pico.

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En nuestro caso tenemos: E = 1,96 KWh/dia, HSP = 3,88 horas/dia.

Pp = 1,96 KWh/dia / 3,88 horas /dia

Pp = 506 Wp = 0,506 kWp

Entonces, se requiere como mínimo un arreglo de paneles de al menos una potencia P: 506 Wp, que puedeentregarse por medio de 2 paneles solares de 275 Wp c/u Pp = 550 Wp, el cual se puede configurar en serieo paralelo de acuerdo a la controladora que usemos ya sea MPPT o PWM, sin olvidar el banco de bateríasque también me define la potencia en panel que puede operar la controladora.

En algunos casos, hay normas como la IEEE 1562 “Guide for Array and Battery Sizing in Stand-AlonePhotovoltaic (PV) Systems” y otras normas, donde se sugiere adicionar al menos entre 10% y un 20%adicional en generación y/o banco de baterías, pero son casos exclusivos que siguen la norma.

Fin método del peor mes.

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOSEl método de Balance de energías.

Es idéntico al método del peor mes con los mismos pasos, solo que el diseñador puede tener la opciónde “negociar” de manera coherente con las necesidades del cliente y determinar parámetros como: laIrradiación Global horizontal a usar, la autonomía del sistema y la profundidad de descarga, que demanera coherente puede dimensionar el banco de baterías o el arreglo de paneles de manera masflexible.

No obstante, el cliente debe poseer la decisión de que aspectos quiere negociar y cuales no, demanera que siempre se debe procurar que el sistema le sea operativo y optimo la mayor cantidad deltiempo durante el año y las afectaciones sean mínimas de manera mensual, solo cuando losparámetros promedios se desborden, como fenómeno de niña, alto consumo o demanda noproyectada entre otras variables.

En los textos especializados, normalmente se usan estudios mes a mes de las cargas o consumos y seefectúa el dimensionado de al menos 3 versiones del mismo sistema con cantidades de elementosdiferentes, de manera que pueden comparar la producción de los tres sistemas durante el año, conrespecto al consumo mes a mes, de tal forma, se puede evidenciar técnicamente cual es mascompetente entre los tres sistemas, además que permite evaluar tres versiones del costo.

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS - Selección Panel solarPara nuestro caso se elige el siguiente panel solar:

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Selección Panel Solar

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Selección Controladora Solar

▪ Se selecciona del tipo MPPT.

▪ Vbanco < Voc array - mayor inyección

▪ Voc array < Vmax ctrl - integridad Controladora

▪ Isc array < Imax ctrl – limitación e integridad.

▪ Pctrl > Pp - capacidad de energía panel.

Para nuestro caso con la controladora seleccionada Smart Solar 100/30

Vbanco : 24V < Voc array : 77,4V

Voc array : 77,4V < Vmax ctrl : 100V

Isc array : 9,26A < Imax ctrl : 35ª

Pctrl : 800 W > Pp : 550 Wp

Por lo tanto cumple nuestras expectativas

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Selección Controladora Solar

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Selección Banco de Baterias

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Selección Banco de Baterías

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Selección Banco de Baterías

Para nuestro caso:

➢ El banco de 24Vdc requiere al menos 2 baterías en serie de 12V.

➢ Por térmicos de capacidad una serie solo proveerá 200Ah @ C10 por ende para proveer se requerirá dos bancos en paralelo para obtener la capacidad de 400AH.

➢ Depende de las existencias en Colombia.

Accesorios

✓ Control y gestión de Baterías

✓ Sensor de temperatura para controladora o inversor.

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Estructura de soporte

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Estructura de soporte

▪ Durabilidad

▪ Tropicalización

▪ Rigidez a los vientos

▪ Dilatación térmica y estructural

▪NSR 10

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADO O AUTONOMOS – Sistema de gestión y monitoreo

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HIBRIDOS

La característica principal de un sistemahíbrido es el uso de dos o más fuentes dealimentación distintas, Además de laenergía solar, en los sistemas híbridosfotovoltaicos se utiliza generalmente ungenerador diésel, un aerogenerador o la redpública como fuente de alimentación.

Por ende, su núcleo es el sistema detransferencia entre las diferentes fuentes denergía y la salida en AC de los equipos, poreso normalmente el inversor hibrido enrealidad es un inversor cargador decarácter configurable o inteligente.

Función especifica de alta disponibilidad.

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• Se usa el método de balance de energías para dimensionar los paneles solares y el banco de baterías.

• Se tiene en cuenta las prioridades entre las fuentes de energía, para el calculo de las baterías.

• Las baterías como ultimo recurso o hasta ciertos niveles de %DoD.

• La energía solar siempre como primera prioridad, con o sin ausencia de red.

• Plantas eléctricas en caso de emergencia.

• Análisis de la operación y visualización de Escenarios, respuesta a cada uno de ellos.

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HIBRIDOSModos de operación

Modo aislado: Únicamente existirá consumo de lared u otras fuentes AC, cuando las baterías notengan carga o no estén dentro del nivel dedescarga configurado y no haya generación solar.

Modo back-up: En este caso el inversor híbrido seconecta a la red o las otras fuentes AC o solarcuando esta están presentes, las baterías semantienen cargadas, en flotación, y seránutilizadas si la red cae.

Modo soporte de red: El inversor híbrido adaptarála potencia de salida de la instalaciónfotovoltaica marcando un valor predeterminado,de esta forma se mantendrá constante o tambiénes posible controlar una rampa de variación de lapotencia suministrada.

En todos los casos esta la opción de inyección ared, si es deseado.

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HIBRIDOSTipos de Inversores híbridos

Hibrido On grid Hibrido de inversor cargador off grid

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Hibrido On grid

▪ Gestionan la procedencia de la energía para optimizar elmáximo aprovechamiento de la energía solar y el ahorrode la energía consumida de la red, así como la carga ydescarga de la batería, sin necesidad de añadir unregulador de carga adicional

▪ Opera conectado a la red, aportando energía solar en elmismo momento que la red eléctrica cuando la carga essuperior a la energía generada en la instalación solar.

▪ En el caso de fallo de red eléctrica, estos inversorespueden trabajar en Isla, aportando la energía procedentede la instalación solar directamente al consumo.

Hibrido de inversor cargador off grid

• Gestionan el conjunto de fuentes de energía, pero la forma en cómo lo hacen, y sus limitaciones son considerables, así como el aprovechamiento de la energía solar.

• En este caso el inversor no permite la posibilidad de conectarse a la red eléctrica existente, a la vez que se genera energía solar.

• Cuando el consumo eléctrico es mayor a la producción solar , no es posible aprovechar la instalación solar y toda la energía se alimenta desde la red eléctrica existente.

• Se reduce considerablemente el aprovechamiento de la energía solar disponible y el ahorro energético de la energía consumida, siendo ésta la gran diferencia con los inversores hibridos On-Grid.

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• El inversor híbrido On-Grid permite un total aprovechamiento de la energía solar, rentabilizandoasí su inversión y provocando un ahorro mayor en la factura energética.

• Con el Inversor híbrido On-Grid Grid, al poder alimentar directamente las cargas desde las placassolares, reducimos los ciclos de carga y descarga de la batería, incrementando su vida útil.

• El inversor cargador Off-Grid es una solución más económica pero a medio plazo resulta menosrentable ya que no permite optimizar el rendimiento de la instalación, ni el aprovechamiento dela energía solar.

• Si consideramos una curva de consumo tipo y de generación solar para poder aprovechar lamisma energía solar, en el caso de los inversor cargador Off-Grid tendríamos quesobredimensionar las baterías, lo que conlleva:

o Pérdidas energéticas de las baterías

o Incremento de coste de las baterías

o No justifica el ahorro inicial de usar un inversor Off-Grid

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HIBRIDOSInversores híbridos On grid

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HIBRIDOSInversores híbridos on grid

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DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HIBRIDOSInversores híbridos off grid

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PREGUNTAS

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GRACIAS

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dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos · 2019. 9. 16. · bulk, absorción y flotación,...

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