MPV SOLAR REFERNCE
  • Christian Correa

¿Cómo calcular un sistema fotovoltaico aislado de la red?

¿Cómo calcular un sistema fotovoltaico?

El mercado de la fotovoltaica ha crecido tanto que hay disponible cantidad de opciones para nuestras necesidades, los kits fotovoltaicos que ofrecen muchas empresas que poco tienen que ver con fotovoltaica lo demuestran.


Pero a la hora de decidir en utilizar esta tecnología, muchos apuntan a lo barato y no a las verdaderas necesidades, y lo hacen por falta de conocimiento no por otra cosa.

Prepárate porque hoy te voy a regalar un mini curso instalador de placas solares gratis.

Si buscas trabajo de instalador de placas solares, que sin ir mas lejos es el empleo de moda, este tutorial de energía solar te va a servir de guía.

Pero la verdadera finalidad es que aprendas y conozcas cuales son las verdaderas necesidades de energía para tu vivienda así nadie te puede timar.



Contenido:

  1. ¿Qué es un sistema fotovoltaico aislado?

  2. ¿Cómo se compone?

  3. El dimensionamiento

  4. Datos necesarios

  5. Primer paso: Cálculo de consumos estimados

  6. Segundo paso: Radiación solar disponible

  7. Tercer paso: Cálculo de placas solares o, dicho correctamente, paneles solares necesarios

  8. Cuarto paso: El regulador de carga

  9. Quinto paso: Capacidad de los acumuladores

  10. Sexto paso: Elección del inversor

  11. La estructura

Pero primero tenemos que saber…

…¿Qué es un sistema fotovoltaico aislado?

Un sistema fotovoltaico aislado es aquel sistema que nos autoabastece de energía, y esa energía la tenemos a partir de la irradiación solar que tenemos zona donde está ubicada la instalación.

A partir de la irradiación, son los módulos fotovoltaicos los que van a producir la corriente eléctrica, que la almacenamos en unas baterías y después de esas baterías nos autoabasteceremos.

¿Cómo se compone?

Ya que sabemos de qué se trata la instalación fotovoltaica aislada, seguiremos con los componentes que la integran.


En primer lugar nombraremos a el panel fotovoltaico, es el encargado de producir electricidad gracias a la radiación solar.





Luego esa electricidad pasará por el regulador o controlador

de carga, es quien se encarga de verificar el estado de carga de la batería, adaptando diferentes ritmos para la carga y va a verificar en todo momento que la batería una vez que esté cargada, no se sobrecargue haciendo que no siga entrando energía del panel. En algunos casos este regulador también se va a encargar de que la batería no se descargue más que lo que hemos programado. Es decir, si nosotros tenemos una profundidad de descarga de un 60% de nuestra batería, pues este equipo puede vigilar que no se produzca una descarga mayor. es decir. nos va a proteger la batería contra excesos de carga y contra un exceso de descarga.


Seguidamente acumularemos esa electricidad generada en la batería, quién va a ser la encargada de almacenar la energía eléctrica de la instalación.

Los Consumos, estos consumidores de energía (electrodomésticos, iluminación, etc.) podemos tenerlos de dos tipos. Tenemos algunos que consumen corriente continua, a partir del regulador y de la batería pues se consume la energía en corriente continua.

En otros casos tenemos consumos en corriente alterna a 230 voltios generalmente y 50 hertzios como los que podemos tener en nuestra casa.




En este caso estos consumos para poderlos alimentar necesitamos hacer uso de un aparato

llamado "inversor", que transforma la corriente continua en corriente alterna, y de esa manera estamos alimentando estos consumos en corriente alterna.

Sé que ahora es mucha información pero tranquilo, lo vamos a ir viendo paso a paso.

El dimensionamiento


En el caso de una instalación de energía solar fotovoltaica autónoma (aislada de la red), es fundamental un correcto dimensionamiento tanto para poder abastecer con garantías la demanda energética que tengamos, como también para acotar el coste económico de la instalación.

Como caso de ejemplo, vamos a tomar la necesidad de electrificar un casa sin conexión eléctrica a la red en una zona rural, que será utilizada por una familia de 4 personas los fines de semana.

Para calcular cualquier sistema de energía fotovoltaico, necesitaremos conocer las cargas que tenemos en la vivienda.

En un sistema conectado a la red es más sencillo ya que miraremos la factura de luz y veremos los consumos mensuales o podremos pedir a la eléctrica, nuestra curva de consumo, para tener más detalle del mismo.

Datos necesarios

En este caso, como estamos haciendo una instalación aislada, debemos recabar los datos de consumo de nuestros electrodomésticos, luminarias, etc. Y la cantidad de horas que son utilizados.

Además, estos consumos pueden estar divididos en:

  • Consumidores de 12 Voltios DC

  • Consumidores de 230 Voltios AC

Lo más normal lo más habitual hoy en día es que los consumos sean en corriente alterna a 230 voltios AC (corriente alterna). Para nuestro calculo vamos a suponer que tenemos que alimentar una casa de campo que tiene todos sus elementos en corriente alterna (AC).


Vamos a ver los cálculos paso a paso así que prepara café y presta atención.


Primer paso: Cálculo de consumos estimados

Establecemos para el caso de ejemplo los equipos básicos necesarios que consumirán energía, en otras palabras, ¿Qué tenemos en casa que van a consumir electricidad?

Ejemplo:

Suponiendo que tenemos los siguientes consumos: 4 bombillas de 60W cada una, un TV que consume 70W, Un ordenador portátil que consume alrededor de 60W, una nevera con un consumo de 200W y un microondas con una potencia de 800W. Ok, ya tenemos los consumos pero también debemos saber cuanto tiempo van a estar funcionando, pues, esa potencia es la que cada electrodoméstico consume cada hora.

Para eso multiplicaremos esos consumos por la cantidad de hora que los vamos a utilizar.


Bombillas: 4 unidades x 4 horas x 60 W(100%) = 960 Wh

Televisión: 1 unidad x 3 h x 70 W (100%) = 210 Wh

Ordenador portátil: 2,5 h x 60 W (100%) = 150 Wh

Nevera: 24 h x 200 W (50%) = 2400 Wh (la nevera trabaja de manera intermitente por eso solo pondremos la mitad del consumo en 24 horas)

Microondas: 0,5 h x 800 W (100%) = 400 Wh

En este apartado, tendréis que estimar los consumos para vuestro caso concreto. Se podrían estimar aquí los consumos necesarios para otros tipos de instalaciones, como por ejemplo la demanda de autoconsumo para cubrir de forma parcial las necesidades de una instalación conectada a la red o una instalación pensada para abastecer un punto de recarga de una bici, moto o coche eléctrico, para cargar las baterías, etc.

Más adelante realizaremos artículos más específicos para este otro tipo de casos, hoy nos vamos a centrar en nuestro ejemplo para una casa aislada.

Así pues, si sumamos los diferentes consumos parciales, obtenemos el consumo total estimado para nuestra casa de ejemplo:

Total consumos por día estimados (C.D.E.) = 4120 Wh / día

Aplicamos un rendimiento de la instalación del 75% para calcular la energía total necesaria para abastecer la demanda:

Total energía necesaria (T.E.N.) = C.D.E. / 0,75 = 5493 Wh/día


Segundo paso: Radiación solar disponible

Para obtener la radiación solar incidente, se pueden utilizar tablas con estimaciones ya existentes.

Una buena fuente de estas estimaciones es la aplicación PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System – European Commission, Joint Research Center), que tiene una plataforma on-line desde donde se pueden obtener los datos de insolación para toda Europa de forma fácil y rápida.

Aquí te dejo el link: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html

Suponiendo que nuestra instalación está en Granada:


Latitud: 37°10’38” Norte

Longitud: -3°35’54” Oeste-3.602

Potencia nominal de la instalación solar fotovoltaica: 1kWp

Inclinación optima de los módulos: 35º.

Orientación de los módulos: 0º ( esto quiere decir que la orientación va a ser hacia la línea ecuatorial).

Sí sí, allí cerca del refugio de la cucaracha y el río Genil



Utilizando la aplicación PVGIS obtenemos los siguientes valores

Diccionario:

Ed: Producción media diaria de energía eléctrica del sistema (kWh)

Em: Producción media mensual de energía eléctrica del sistema (kWh)

Hd: suma diaria promedio de irradiación global por metro cuadrado recibida por los módulos del sistema (kWh / m2)

Hm: suma promedio de irradiación global por metro cuadrado recibida por los módulos del sistema (kWh / m2)

El mes más desfavorable de radiación, observamos que es en diciembre con 4,27 kWh/m2 al día. De forma que dimensionaremos la instalación para las condiciones mensuales más desfavorables de insolación, y así nos aseguramos que cubriremos la demanda durante todo el año.

Una vez conocemos la radiación solar incidente, la dividimos entre la radiación solar incidente que utiliza el fabricante para calibrar los módulos (1 kW/m2), y obtendremos la cantidad de horas sol pico (HSP). A

efectos prácticos en nuestro caso este valor no cambia, pero utilizaremos el concepto de HSP (horas sol pico) que es el número de horas equivalente que tendría que brillar el sol a una intensidad de 1000 W /m2 para obtener la insolación total de un día, ya que en realidad el sol varía la intensidad a lo largo del mismo.

HSP = radiación solar tabla / 1kW/m2 = 4,27 HSP


Tercer paso: Cálculo de placas solares o, dicho correctamente, paneles solares necesarios


Vamos a realizar los cálculos para establecer el número de módulos (paneles o placas solares) en función de las condiciones de radiación más desfavorables.

Para realizar este cálculo nosotros hemos elegido módulos de 180 W.

Este dato viene dado en las características técnicas de los módulos elegidos según cada modelo y fabricante.



Suponiendo que los datos que nos da el fabricante son los siguientes:

Tensión Máxima Potencia: 19,8V

Corriente en Cortocircuito (Icc): 9,8A

Corriente de máxima potencia (Imax) 9,10A

Y definiendo que nuestra tensión del sistema va a ser de 24V procedemos con los cálculos.

La energía diaria a producir por los paneles es de 5493Wh/día

La energía necesaria diaria que tienen que suministrar el panel seleccionado será igual a las multiplicación de las HSP por la Imax del panel

E=HSP x I = 4,27h x 9,10A =38,857Ah

Ahora que sabemos la energía diaria que nos va a dar el módulo o placa solar elegido, vamos a calcular cuantos módulos o paneles fotovoltaicos vamos a necesitar en total

Esto lo haremos de la siguiente forma:

Tenemos 5493 Wh/día que lo dividiremos por la tensión del sistema, que en nuestro caso es 24V. Esto nos va a dar un valor en Amper hora (Ah).

Vamos a por ello:

5493Wh / 24V = 228,875Ah

Luego ya haremos la división entre los Ah que necesitamos y los que produce un panel y tendremos el número de placas solares, o mejor dicho, módulos fotovoltaicos que necesitaremos.

228,875Ah / 38,857Ah = 5,89

Este número no puede tener decimales, puesto que se trata de paneles solares, entonces redondearemos siempre hacia arriba. Por lo tanto el resultado será de 6 paneles los que necesitaremos para nuestra instalación.

Importante:

Teniendo en cuenta el voltaje nominal del panel y el voltaje del sistema. El voltaje nominal del panel, no puede ser superior al del sistema.

¿Cómo calculamos la cantidad de paneles en serie?

Lo primero que tenemos que saber es que cuando los paneles se conectan en serie, la intensidad (A) queda igual, que si es de 8A va a seguir siendo de 8A. En cambio sí conectamos los paneles en paralelo, las intensidades se van a sumar. Ejemplo, si tengo 8A y coloco otro panel de 8A, tendremos una salida de 16A.

Teniendo en cuenta de cómo conectemos los paneles, variaremos el voltaje y la intensidad de carga al final del campo fotovoltaico. Se entiende como campo fotovoltaico al conjunto de módulos que consta nuestra instalación.

Volviendo a nuestra instalación, sabemos que debemos mantener los 24 voltios entonces haremos dos series de 3 paneles cada una, donde la intensidad se va a sumar pero el voltaje quedará de 12 voltios:

3 x 9,10A = 27,3 A

Y estas dos series las conectamos en paralelo, donde la intensidad quedará igual y el voltaje se va a sumar dando un total de 24 voltios:

12V x 2 = 24V

En conclusión, tendremos que colocar dos series de 3 paneles, conectadas en paralelo, como se muestra en la siguiente imagen.


Cuarto paso: El regulador de carga

Vamos a dimensionar el regulador de carga, como sabéis el regulador o también denominado controlador de carga, es un elemento muy importante ya que va a ser el encargado

de controlar los procesos de carga y descarga de las baterías. Las principales tareas que debe de realizar son:

  • Por un lado evitar la sobre-carga de la batería, es decir una vez que la batería ha alcanzado el 100% de su carga ésta no debe continuar cargándose, de esta manera evitamos la generación de gases y la disminución del líquido electrolito que tenemos en el interior de la batería y en consecuencia aumentamos la vida útil de la batería.

  • Por otro lado también impide la sobre-descarga de las baterías en los periodos de luz solar insuficiente, es decir, cuando descargamos de forma excesiva la batería el regulador de carga desconecta la batería de los consumos para protegerla y que no se descargue de forma excesiva hasta el punto de que se pueda dañar la batería esto en consecuencia también aumenta la vida útil de la batería vale porque la protegemos contra sobre descargas excesivas.

  • Por último podemos decir que asegura el funcionamiento del sistema en el punto de máxima eficacia.

Datos que necesitamos para calcular el regulador de carga.

  1. Tensión nominal, indica el valor de la tensión de trabajo que como hemos visto pueden ser 12, 24 o 48 voltios.

  2. Corriente máxima, la máxima intensidad que soportará el regulador.

Como regla general ahora lo vamos a ver vamos a dimensionar el regulador de carga con un factor de seguridad del 10%, esto es así para que, primero el regulador no trabaje a la intensidad

límite que soporte tengamos hay un margen de maniobra.

Y por otro lado tenemos que estar bien seguros de que nuestro regulador se ajusta a la tensión del sistema.

Vamos al cálculo:

Voltaje: 24V

Imax: 27,3 A

En principio hallaremos nuestra intensidad máxima de seguridad multiplicando la intensidad de los paneles conectados en paralelo por un 10%.

27,3A x 1,1 = 30,03A

Con este resultado buscaremos un regulador de voltaje que soporte 24 V y 30A o más


Quinto paso: Capacidad de los acumuladores

Para diseñar la capacidad de las baterías de acumulación, primero tendremos de establecer la autonomía deseada en caso de tener días desfavorables sin insolación por abundante nubosidad.

En el caso que nos ocupa, para fines de semana la máxima autonomía necesaria la podemos establecer en 3 días (viernes, sábado y domingo). En electrificación de casas rurales para abastecimiento diario podría establecerse entre 4-6 días, teniendo en cuenta que este valor se puede reducir en el caso de que dispongamos de un grupo electrógeno de refuerzo.

Capacidad de la batería = (energía necesaria * días de autonomía) / (Voltaje * profundidad de descarga de la batería)

La profundidad de descarga depende del tipo de batería elegido. Estos valores oscilan entre 0,5 a 0,8. Podéis consultar estos valores en las características técnicas para cada modelo y fabricante. En nuestro caso, elegiremos una batería que tolere una descarga de hasta un 60% (0,6).

Capacidad de acumulación = (5493 * 3) / (24 * 0,6) = 1144,38 Ah (c100)

El valor c100 indica que la capacidad de la batería será la suministrada por ciclos de carga de 100 h, que es la frecuencia de carga normalmente establecida en electrificación rural.

La selección del sistema de acumulación requiere de diferentes comprobaciones para que el sistema dure y tenga un óptimo rendimiento. Los sistemas de acumulación necesitan una mínima intensidad de carga para asegurar que las baterías carguen correctamente y evitar que tengan una vida útil más corta de la esperada.

El cálculo hecho aquí queda sin efecto si utilizamos las modernas baterías de Litio Ferroso que ya vienen con la capacidad en potencia. Por ejemplo las baterías de 24V y 2,8kWh.

Sexto paso: Elección del inversor

Finalmente ya solo queda elegir un inversor o convertidor de corriente continua a corriente alterna para poder disponer de corriente alterna a 230 V en nuestra vivienda, apta para cualquier tipo de aparato o electrodoméstico.

La potencia del inversor de CC/AC la tendremos que elegir en función de la suma de todas las potencias nominales de los equipos consumidores multiplicado por el coeficiente de simultaneidad de uso de estos(normalmente valores que van de 0,5-0,7). En nuestro caso la potencia total estimada es de 1370W.

Les recuerdo:

Bombillas: 4 unidades x 60 W = 240 Wh

Televisión: 1 unidad x 70 W = 70 Wh

Ordenador portátil: 1 x 60 W = 60 W

Nevera: 1 x 200 W = 200 W

Microondas: 1 x 800 W = 800 W

Sumados estos electrodomésticos nos dan: 1370W en total, si observan ya no es Wh como hicimos al principio, solo utilizaremos su potencia nominal.

Potencia del inversor = 1360 * 0,7 = 952 W

Así pues, con un Inversor de 1000 W sería suficiente para nuestro ejemplo, siempre y cuando realmente utilicemos sólo los aparatos contemplados inicialmente.

Siempre podemos establecer una potencia mayor por si puntualmente se utiliza algún otro electrodoméstico de mayor consumo.

Recordemos que los sistemas fotovoltaicos también tienen un consumo y las llamadas "perdidas".


¿Y no se te olvida algo?

La estructura es el esqueleto de campo generador (las placas solares, o paneles solares fotovoltaicos, dicho de la manera correcta, MÓDULOS FOTOVOLTAICOS). Esta va a ser la encargada de sostener nuestros Módulos así que soportaran vientos, lluvias, etc. y es por esto ultimo que debemos elegir una buena estructura, y recordad que si la vivienda está cerca del mar, debe estar protegida contra la salinidad de esa atmosfera.

La estructura no la vamos a dimensionar, es mejor dejar esto en manos del fabricante ya que es el quien, con la aportación de datos que le podamos brindar, va a hacer el calculo correcto para tu instalación.


Seguramente esta información te va a ser de gran utilidad, ya sea si quieres comprar un sistema fotovoltaico o si vas a vender sistemas fotovoltaicos, instalar, o solo por curiosidad.

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