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G.Hoernig A. 1
Dimensionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas
Profesor Ingeniero
Germán Hoernig Appelius
Abril 2011
V 7.0
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G.Hoernig A. 2
Bienvenidos
al curso
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G.Hoernig A.
Ventajas de la Energía Solar
☼- Es una fuente de energía renovable, sus recursos son ilimitados.
☼- Es una fuente de energía muy amigable con el medio ambiente, su
producción no produce ninguna emisión.
☼- Los costos de operación son muy bajos.
☼- El mantenimiento es sencillo y de bajo costo.
☼- Los módulos tienen un periodo de vida hasta de 20 años.
☼- Se puede integrar en las estructuras de construcciones nuevas o existentes
☼- Se pueden hacer módulos de todos los tamaños.
☼- El transporte de todo el material es práctico.
☼- El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando.
☼- Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde no
llega la electricidad.
☼- Los paneles fotovoltaicos son limpios y silenciosos.
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G.Hoernig A.
Desventajas de la Energía Solar
☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión inicial.
☼- Los lugares donde hay mayor radiación solar, son lugares desérticos y
alejados de las ciudades.
☼- Para recolectar energía solar a gran escala se requieren grandes
extensiones de terreno.
☼- Falta de elementos almacenadores de energía económicos y fiables.
☼- Es una fuente de energía difusa, la luz solar es una energía relativamente de
baja densidad.
☼- Posee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya que no puede
utilizarse más energía de la acumulada en períodos en donde no haya sol.
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Referencias Bibliográficas
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Registro Solarimétrico
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Generalidades
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Instrumentos
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Pirheliógrafo
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Solarímetro
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Piranómetro de Radiación Difusa
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Equivalencia
La irradiación solar anual por m2
equivale al contenido energéticode casi un barril de petróleo.
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G.Hoernig A. 19
Producción Mundial Anual de Celdas Fotovoltaicas 1985 - 2009
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G.Hoernig A.
Plantas Proyectadas o en Construcción
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G.Hoernig A. 21
Instalaciones Fotovoltaicas Mundiales acumuladas 1998 - 2009
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G.Hoernig A.
Conceptos Básicos
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G.Hoernig A.
Como se produce la Electricidad Fotovoltaica
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Los fotones separan las cargas en y+ ―
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G.Hoernig A.
Como se produce la Electricidad Fotovoltaica
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Al puentear externamente las capas se produce una circulación de corriente
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G.Hoernig A.
Esquema de la Celda Solar
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G.Hoernig A. 26
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G.Hoernig A.
Tipos de Instalaciones I
Se obtiene directamente 12 V de corriente continua
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G.Hoernig A.
Tipos de Instalaciones II
Se obtiene directamente 220 V de corriente alterna
28
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G.Hoernig A.
Conceptos de Seguridad Eléctricos
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G.Hoernig A.
Voltaje de Seguridad
☼Según normas nacionales
☼Ambiente húmedo máx: 24 V
☼Ambiente seco máx: 50 V
☼Se considera baja tensión hasta: 400 V
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G.Hoernig A.
Protección Eléctrica
☼Protector Diferencial
☼Tierra de protección
☼Fusibles
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G.Hoernig A.
Protección ante Fallas Comunes
Cortocircuitos : Disyuntor termomagnético
Sobrecarga: Disyuntor termomagnético
Aislación: Protector diferencial
En instalaciones fotovoltaicas: fusibles
Siempre se debe instalar:
Primero el protector termomagnético
Segundo el protector diferencial
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G.Hoernig A.
33
Térmicos
Diferenciales
Fusibles
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G.Hoernig A.
Conexión correcta
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MEDIDORDISYUNTOR
TERMOMAGNÉTICOPROTECTOR
DIFERENCIALF
F
F
N
N
Tierra de Protección
Tierra de
Servicio
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G.Hoernig A.
Puede ser la misma tierra, pero es de mala calidad
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G.Hoernig A.
Sección de los conductores
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Inversor
¿Qué corriente pasa por los conductores?
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G.Hoernig A.
Ejemplo para transmitir 800 W
37
P
V I
Recordemos que:
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G.Hoernig A.
Las Corrientes son muy Diferentes
38
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G.Hoernig A.
Selección de los Cables o Alambres para las conexiones.
39
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G.Hoernig A.
Tipos de Alambres y Cables
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G.Hoernig A. 41
Tipos de Alambres y Cables
![Page 42: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/42.jpg)
G.Hoernig A.
Corriente según Sección
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G.Hoernig A. 43
Corriente según Sección
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G.Hoernig A. 44
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G.Hoernig A.
Corrección por Temperatura
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G.Hoernig A. 46
Sección (mm2) 35 25 16 10 6 4 2,5 1,5
Corriente (A)
1 540 389 246 156 93 62 39 22
2 270 194 123 78 46 31 19 11
3 180 130 82 52 31 20 13 7
4 135 97 62 39 23 15 10 5
5 108 78 49 31 18 12 8 4
6 90 65 41 26 15 10 6 3
7 77 55 35 22 13 9 5 2,8
8 67 49 31 19 12 8 4,5 2,5
9 60 43 27 17 10 7 4 2
10 54,0 39,0 25,0 16,0 9,0 6,0 3,5 1,8
12 45,0 32,0 20,0 13,0 8,0 5,0 3,0 1,5
15 36,0 26,0 16,0 10,0 6,0 4,0 2,0 1,0
18 30,0 22,0 14,0 9,0 5,0 3,0 1,8 0,8
21 26,0 18,0 12,0 7,0 4,0 3,0 1,6 0,7
24 22,0 16,0 10,0 6,5 3,5 2,5 1,5 0,5
27 20,0 14,0 9,0 5,5 3,0 2,0 1,0 -
30 18,0 13,0 8,0 5,0 2,5 1,5 0,8 -
Distancia máxima en metros para una caída de tensión de 5% en sistemas de 12 Volt
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G.Hoernig A.
El Panel Fotovoltaico
47
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G.Hoernig A.
Tipos de Celdas
48
Eficiencia de Celdas %
Monocristalina 12-15
Policristalina 11-14
Amorfa 6-7
Teluro de Cadmio 7-8
GaInP/GaAs/Ge 31% 31
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G.Hoernig A.
Tipos de Celdas
49
Monocristalinas
Policristalinas
Amorfas
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G.Hoernig A.
Silicio Policristalino
50
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G.Hoernig A. 51
Etapas en producción de CFV
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G.Hoernig A.
La más Importante es el Desarrollo del Proyecto
52
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G.Hoernig A.
Celda-Módulo-Paneles
53
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G.Hoernig A.
La duración garantizada
es de 20 años, puede
durar 40
54
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G.Hoernig A.
Detalles Constructivos
55
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G.Hoernig A.
Celdas Flexibles
56
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G.Hoernig A.
Celdas Transparentes
57
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G.Hoernig A.
Paneles Transparentes
58
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G.Hoernig A.
Tejas Solares
59
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G.Hoernig A. 60
Láminas FV impermeabilizantes
Tejas FV
Paneles FV con concentradores
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G.Hoernig A.
Intensidad de Cortocircuito
• Es la máxima corriente que se puede
obtener sin cargas externas
61
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G.Hoernig A.
Tensión de Circuito Abierto
•Máxima tensión sin tener nada conectado e
intensidad de corriente nula.
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G.Hoernig A.
Potencia Máxima
Pmáx = Imáx x Vmáx
63
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G.Hoernig A.
Orientación del Panel
Si el panel tiene la capacidad de orientarse
durante el día y según las estaciones, puede
captar 43 % más de energía.
64
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G.Hoernig A.
Orientadores
65
De un eje
De dos ejes
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G.Hoernig A. 66
Condiciones de Irradiación en Valparaíso
Depende de la orientación del panel al Norte
geográfico
Inclinación del panel
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G.Hoernig A. 67
Orientación
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G.Hoernig A. 68
Inclinación
horizontal
23º
33º
43º
90º
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G.Hoernig A. 69
Puede ser más importante el aspecto de arquitectura, para que
se integre armónicamente a la casa
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G.Hoernig A.
Integración con Arquitectura
70
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G.Hoernig A.
Integración con Arquitectura
71
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G.Hoernig A. 72
Orientación e Inclinación más Recomendable
•Dependerá en que época del año
necesitamos generar electricidad
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G.Hoernig A. 73
Valores en Valparaíso con diferentes inclinaciones y épocas
Irradiación en W/m2/día
mes horizontal 23º 33º 43º 90º
enero 6.074 5.871 5.592 5.220 2.555
julio 1.765 1.644 1.854 1.821 1.340
Tabla D6A y D6B
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G.Hoernig A. 74
mes horizontal 23º 33º 43º 90º
enero 6.074 5.871 5.592 5.220 2.555
julio 1.765 1.644 1.854 1.821 1.340
Conclusiones
Ideal enero : horizontal
Ideal julio : 33º
Práctico enero : 33º
Práctico julio : 33º
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G.Hoernig A. 75
Tipos de Radiación sobre la Tierra
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G.Hoernig A. 76
Tipos de Radiación sobre la Tierra
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G.Hoernig A. 77
El Panel Fotovoltaico Elegido
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G.Hoernig A. 78
Características
☼Potencia eléctrica : 75 W
☼Corriente máxima de prueba : 4,35 A
☼Corriente de cortocircuito : 4,8 A
☼Tensión de prueba : 17,3 V
☼Tensión de circuito abierto : 21,7 V
SW 75 mono/R5A
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G.Hoernig A. 79
Información en Condiciones Standard
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G.Hoernig A. 80
Información en Condiciones más Reales
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G.Hoernig A. 81
Otras Características
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G.Hoernig A. 82
Otras Características
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G.Hoernig A. 83
Otras Características
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G.Hoernig A. 84
Otras Características
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G.Hoernig A. 85
Es bueno que tengan alguna Certificación
85
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G.Hoernig A. 86
Área Real del Panel
A = largo x ancho
1,229 x 0,556 = 0,683 m2
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G.Hoernig A. 87
Letra Chica
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G.Hoernig A. 88
Determinación del Rendimiento
Condiciones son con irradiación de 1.000 W/m2
Temperatura 25 ºC
Solamente son 0,683 m2
![Page 89: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/89.jpg)
G.Hoernig A. 89
Rendimiento
η = 75 W
1.000 W/m2 x 0,683 m2
η % = 10,98 = 11 %
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G.Hoernig A. 90
Rendimiento
•De cada 1.000 W/m2 de irradiación
•Se obtienen solamente 110 W/m2
![Page 91: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/91.jpg)
G.Hoernig A.
Cálculo de la Instalación de una Casa en la Zona de Valparaíso
91
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G.Hoernig A. 92
![Page 93: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/93.jpg)
G.Hoernig A. 93
¿Qué necesito saber para
hacer mi instalación
fotovoltaica?
Cuántos paneles
Cuántas baterías
Que regulador
Qué inversor
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G.Hoernig A. 94
Condiciones Supuestas
Dependencia 100 % de Energía Solar
Se necesita 365 días al año
Por seguridad debe abastecer 3 días sin
sol
2,385 kW de consumo diario
Todo con 12 VCC o 220 VCA
Uso de paneles de 75 Watt
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G.Hoernig A.
Componentes Necesarios
95
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G.Hoernig A. 96
Otros Datos
Conexión en //: (V = constante; i = variable)
En serie sería: (V = variable; i = constante)
Sobredimensionar la instalación
Latitud de Valparaíso: 33 º Sur
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G.Hoernig A. 97
¿Cuántos Paneles Necesito?
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G.Hoernig A. 98
![Page 99: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/99.jpg)
G.Hoernig A. 99
Consumidor Cantidad Potencia
c/u W
Potencia
W
Horas
uso
Consumo
Wh/día
Ampolleta 5 15 75 5 375PC 1 90 90 6 540TV 1 80 80 4 320
Lavadora 1 300 300 1 300Microondas 1 700 700 1 700Licuadora 1 150 150 1 150
Total 1.395 2.385
Ej. Demanda de Consumo Diario
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G.Hoernig A. 100
Promedio
•Se consumirán 2.385 Wh/día
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G.Hoernig A.
Determinación de Superficie Necesaria I
101
Considerar el mes de mayor
consumo con el de menor radiación (julio-agosto)
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G.Hoernig A.
Determinación de Superficie Necesaria II
102
Superficie =Consumo Wh/día
Radiación Wh/m2/día
S = = 1,193 m2
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G.Hoernig A.
Determinación de Superficie Necesaria II
103
Superficie =Consumo Wh/día
Radiación Wh/m2/día
S = = 1,193 m2
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G.Hoernig A.
Tabla B32Irradiancia Solar en Territorios
de la República de Chile
104
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G.Hoernig A.
Suponemos 33 ° de Inclinación al Norte y el Peor Mes del Año
105
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G.Hoernig A. 106
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G.Hoernig A.
Conversión de Unidades
107
215,9 MJ/m2 x 277,7 Wh / 30 días = 1.999Wh/m2/día
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G.Hoernig A. 108
= 1,193 m2S1
• Pero sería con un rendimiento de 100 %• En realidad en nuestro caso es de 11 %
Determinación de Superficie Necesaria II
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G.Hoernig A. 109
=S21,193 m2
0,11= 9,1 m2
Determinación de Superficie Necesaria III
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G.Hoernig A.
Nr.Paneles Según el Tamaño de Nuestro Panel
110
Panel necesario m2
Panel disponible m2=
9,1 m2
0,683 m2= 13,3
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G.Hoernig A.
Número de Paneles Finales
111
13,3 unidades de 75 W
Se aproxima a 14 paneles
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G.Hoernig A.
Recomendación
• Colocar los paneles en 2 grupos en paralelo
para reducir el daño ante algún defecto.
112
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G.Hoernig A.
Recordemos
•Baterías en Serie
•Baterías en Paralelo
113
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G.Hoernig A.
Baterías en Serie: Aumenta la Tensión o Voltaje
114
En la salida:12 V10 A
6 baterías de 2 V y 10 A
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G.Hoernig A.
Baterías en Paralelo: Aumenta la Corriente o Amperaje
115
6 baterías de 2 V y 10 AEn la salida:
2 V60 A
2 V
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G.Hoernig A.
Conexiones Mixtas en Serie y Paralelo
116
6 baterías de 2 V y 10 A
6 V20 A
En la salida:
6 V
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G.Hoernig A.
Paneles en Paralelo de 2 Filas de 4 Módulos en Serie
117
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G.Hoernig A.
Baterías
118
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G.Hoernig A.
Selección
Por capacidad de carga en A/h
Profundidad de descarga:
Automotrices permiten 10 % a 25 % de
descarga
Las de uso solar hasta 80 %
119
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G.Hoernig A.
Selección de Baterías I
120
Ibatería =Consumo/día
Tensión batería
2.385 W/día=
12 V= 198,8 A
Se selecciona una batería de 200 A
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G.Hoernig A.
Selección de Baterías II
121
Ibatería 3 días = Ibat. x 3 días = 200 A x 3
Se selecciona una batería de 600 A
Considerando una autonomía de 3
días(telecomunicaciones 6 días)
= 600 A
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G.Hoernig A.
Selección de Baterías III
122
Ibatería 50% = Ibat. x 1,5
Se selecciona una batería de 900 A
Considerando que la batería no debe
descargarse más de 50%
= 900 A
122
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G.Hoernig A.
Selección de Baterías IV
123
N baterías =Inecesaria
Se seleccionan 5 baterías de 200 A
Si usamos baterías de 200 A
900 A
200 Ac/u 200 A= 4,5 unidades=
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G.Hoernig A.
Buena Instalación
124
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G.Hoernig A.
Selección de Regulador de Carga I
125
Podría ser conveniente colocar uno para cada circuitoTrabajaremos con 12 VHay también para 24 V y/o 12 V
![Page 126: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/126.jpg)
G.Hoernig A.
Selección de Regulador de Carga II
126
Usaremos 2 circuitos con 7 paneles cada uno y su correspondiente regulador
![Page 127: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/127.jpg)
G.Hoernig A.
Selección de Regulador de Carga III
127
Cada panel tiene una corriente de cortocircuito de 4,8 A
![Page 128: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/128.jpg)
G.Hoernig A.
Selección de Regulador de Carga IV
128
Para los 7 paneles de cada circuito necesitamos:
Ireg = 4,8 A x 7 paneles = 33,6 A
![Page 129: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/129.jpg)
G.Hoernig A.
Selección de Regulador de Carga V
129
Van escalonados en 5 ASe seleccionan 2 reguladores de 35 A
![Page 130: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/130.jpg)
G.Hoernig A.
Selección de Regulador de Carga VI
130
La tensión de prueba es de 17,3 V
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G.Hoernig A.
Selección de Regulador de Carga VI
131
La tensión de prueba es de 17,3 V Debe ser mayor a la de la batería que
es de 14 V Esto permite que fluya la corriente Normalmente traen también
indicadores de carga/descarga Evitan la descarga total de la batería
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G.Hoernig A.
Inversor
12 VCC 220 VCA
132
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G.Hoernig A.
Inversor I
Se elige según el consumo máximo en Watt
de todos los elementos que podrían estar
funcionando juntos.
En nuestro caso serían 1.395 W
133
![Page 134: Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 · G.Hoernig A. Desventajas de la Energía Solar ☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042101/5e7db4a04edd5a32941ccc87/html5/thumbnails/134.jpg)
G.Hoernig A.
Nuestro caso
134
Consumidor Cantidad Potencia
c/u W
Potencia
W
Horas
uso
Consumo
Wh/día
Ampolleta 5 15 75 5 375PC 1 90 90 6 540TV 1 80 80 4 320
Lavadora 1 300 300 1 300Microondas 1 700 700 1 700Licuadora 1 150 150 1 150
Total 1.395 2.385
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G.Hoernig A.
Inversor II
Sería recomendable un inversor de 1.500 W
Podría ser de 2.000 W también.
Si se trabaja con motores eléctricos se debe
considerar las sobrecargas de la partida
135
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G.Hoernig A.
Tipos de Ondas
136
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G.Hoernig A.
Tipos de Inversores
Onda cuadrada: uso general, motores, iluminación; barato
Onda rectificada: NO en equipo electrónico, leds si pueden usarlos
Onda sinusoidal pura: electrónica, comunicaciones
137
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G.Hoernig A.
Una Buena Instalación
138
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G.Hoernig A. 139
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G.Hoernig A.
Consideraciones de Montaje
Cuando fallan celdas, aumenta su
temperatura (medición láser)
Durante el montaje cubrir los paneles
Sacarse anillos, relojes objetos metálicos
1º conectar las baterías, luego los paneles
Si falla el vacío de las celdas aparecen
manchas.
140
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G.Hoernig A.
Considerar las Posibles Sombras
141
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G.Hoernig A.
Sombras de los paneles
142
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G.Hoernig A.
Sombras
143
El ángulo alfa debe ser menor de 20º, para que otro objeto no produzca una sombra sobre él.
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G.Hoernig A.
Distancia entre Paneles
144
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G.Hoernig A.
Geometría de las Sombras
145
H = L x senß 1,3 x sen33° = 0,7 m
A = H/ tg (61 -33 ) 0,7/ tg 28 = 1,3 m
B = L x cosß 1,3 x cos 33 = 1,09 m
A + B = 2,4 m
Para nuestro panel FV:
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G.Hoernig A.
Uso de Diodos
• Protegen de
descargas sin sol
• Protegen baterías
individuales en
serie
• No son necesarios
bajo 24 VCC
146
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G.Hoernig A.
Montaje por Estructuras
147
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G.Hoernig A.
Montaje por Estructuras
148
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G.Hoernig A.
Algunos Precios en Chile
149
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G.Hoernig A.
Precios en Chile
150
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G.Hoernig A.
Precios en Chile
151
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Precios en Chile
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Precios en Chile
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Precios en Chile
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Precios en Chile
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INSIX Ltda
Venta de celdas fotovoltaicas monocristalinas y policristalinas pais de origen CHINA
Envios a todo CHILE
Celdas monocristalinas 4,6 dólar el Watt
Celdas policristalinas 4,8 dólar el Watt
Capacidades disponibles 50, 100, 200 Watt
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Módulos fotovoltaicos en silicio monocristalino y policristalino
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G.Hoernig A.
Comparación
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Caso Tendido eléctrico Foto voltaico
Cabaña
alejada
$ 2.000.000 a
$ 8.000.000
$ 350.000 a
$ 1.200.000
Caracterís-
ticas
Costo según
consumo
Costo 0
Restric-
ciones
Sin Componentes de
bajo consumo
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Variación de los precios en €/Watt
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1 € ≈ $ 700
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Variación de los precios en €/Watt
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1 € ≈ $ 700
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Aplicaciones Fotovoltaicas
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G.Hoernig A.
Suministro eléctrico para 20 familias en Empedrado VII R
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G.Hoernig A. 162
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G.Hoernig A. 1633,5 MW
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G.Hoernig A. 164
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G.Hoernig A. 167
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G.Hoernig A.
Ladrillos de Sol
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G.Hoernig A. 173
Aíslan el sol
Producen
alrededor de 70 W/ m2
Valen U$ 1.900/m2
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G.Hoernig A. 174
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G.Hoernig A. 178
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La paneles solares generarán para Google 2.611.719 KWh por año, lo que significará un ahorro de energía de U$S 393.000. A un costo total de U$S 15 millones, la mayor instalación de paneles solares que se haya realizado en la historia en un campus corporativo, recuperará su inversión en 7,5 años (!).
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Son las 4:37:17 p.m.
Hasta aquí llegamos. Muchas gracias