Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.

Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos
autónomos.
Derlis González1 ,
Alberto Rojas2 .
Facultad Politécnica - UNE.
Ciudad del Este - Paraguay
1
[email protected] 2 [email protected]
Resumen
Este trabajo propone la automatización de un método de dimensionamiento de sistemas
fotovoltaicos autónomos basado en el desarrollado por la Sandia National Laboratories [1].
El mismo está construido como un conjunto de planillas electrónicas a ser llenadas, donde
las operaciones y decisiones a ser tomadas para el dimensionamiento están automatizadas
y las celdas se encuentran interrelacionadas logrando reducir considerablemente la cantidad
de ingreso de datos y acelerar la obtención de los cálculos o respuestas. Las celdas contienen
ayuda para el llenado que consiste en comentarios que facilitan su uso por cualquier usuario
con mı́nimos conocimientos de electricidad.
Descriptores: dimensionamiento fotovoltaico, energı́a renovable.
Abstract
This work proposes the automation of a dimension method for photovoltaic (PV) systems,
based on a method developed at Sandia National Laboratories. It consists of a set of
computing spreadsheets that are to be filled in, where the operations to be executed and the
decisions to be made for the PV dimension are automated and the cells are interrelated in
a way that the amount of data input are minimized and the output information is speeded
up. Cells filling in are facilitated with context comments added that help use so that any
user with minimal electricity background can understand.
Keywords: photovoltaic dimension, renewable energy.
1. Introducción.
La energı́a solar fotovoltaica aprovecha partes del
espectro electromagnético de la energı́a del sol
para producir electricidad. La transformación se
realiza por medio de módulos o paneles solares fotovoltaicos. La energı́a solar fotovoltaica se utiliza
para hacer funcionar lámparas eléctricas, para iluminación o para hacer funcionar radios, televisores
y otros electrodomésticos de bajo consumo energético, generalmente, en aquellos lugares donde
no existe acceso a la red eléctrica convencional.
Es necesario disponer de un sistema formado
por equipos especialmente construidos para realizar la transformación de la energı́a solar en energı́a eléctrica. Este sistema recibe el nombre de
sistema fotovoltaico y los equipos que lo forman
reciben el nombre de componentes fotovoltaicos.
Un sistema fotovoltaico es un conjunto de
equipos construidos e integrados especialmente
para realizar cuatro funciones fundamentales:
– Transformar directa y eficientemente la energı́a solar en energı́a eléctrica,
– Almacenar adecuadamente
eléctrica generada y,
la
energı́a
– Proveer adecuadamente la energı́a producida (para el consumo) y almacenada.
Los componentes fotovoltaicos encargados de realizar estas funciones son:
– El módulo o panel fotovoltaico,
– La baterı́a,
– El regulador de carga y,
– El inversor [2].
Según su funcionamiento con relación a una red
eléctrica convencional, existen dos tipos fundamentales de sistemas fotovoltaicos.
De una parte están los denominados sistemas fotovoltaicos conectados a una red eléctrica
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
(SFVC), que, como se puede deducir por su nombre, precisan de la conexión a una red eléctrica
para realizar su función generadora de electricidad.
Por otra parte están los sistemas fotovoltaicos
autónomos (SFVA), que al contrario de los anteriores, no precisan de conexión con una red
eléctrica, y su funcionamiento es independiente o
autónomo de dicha red (de ahı́ su nombre). Los
SFVA fueron anteriores en el tiempo a los SFVC,
y aunque si bien estos últimos están consiguiendo
un crecimiento muy importante, los SFVA siguen
siendo los más empleados en zonas rurales, lugares
remotos y poco accesibles, etc [3].
2. Conceptos de diseño y
dimensionamiento.
Diseño de un sistema fotovoltaico autónomo es un
concepto muy amplio que abarca a todas las tareas
y especificaciones que se han de realizar y tener
en cuenta para que un sistema fotovoltaico funcione satisfactoriamente con la mayor fiabilidad
y al menor coste posible. En este sentido existe
una gran multitud de factores que afectan a este
diseño como son entre otros las caracterı́sticas del
consumo de las cargas que van a ser atendidas por
la instalación fotovoltaica y la radiación solar del
lugar donde se ubicará la instalación, principalmente.
El concepto de dimensionamiento es un concepto menos amplio y está incluido entre las tareas del diseño. Se entiende por dimensionamiento
de un sistema fotovoltaico, el cálculo del tamaño
óptimo de la instalación. La tarea fundamental
del dimensionamiento de un sistema fotovoltaico
autónomo consiste principalmente en la determinación del tamaño óptimo tanto del generador
fotovoltaico como de la baterı́a o conjunto de
baterı́as que forman el sistema. Puesto que estos dos elementos son los más importantes del sistema fotovoltaico autónomo; se debe prestar especial atención a su dimensionamiento. En una
fase posterior, y sin restarle importancia, habrá
que dimensionar los otros elementos que también
participan de la instalación como son el inversor,
el regulador de carga y el cableado.
sistema fotovoltaico autónomo.
El criterio que se sigue en el dimensionamiento
de un sistema fotovoltaico autónomo no es tanto
el producir la máxima energı́a sino que aparece el
concepto de fiabilidad. El dimensionamiento en
este caso se hace atendiendo más a la fiabilidad
del sistema, entendiendo por fiabilidad el asegurar el buen funcionamiento del mismo procurando
que los fallos en el sistema sean mı́nimos. En este
caso, el sistema debe diseñarse y dimensionarse de
forma que la probabilidad de fallo sea lo más baja
posible, dentro de unos márgenes que se establecen según el tipo de sistema.
Una primera clasificación de métodos de dimensionamiento serı́a aquella que los clasifica
según si el método presenta alguna información
sobre la fiabilidad del sistema o no. Los métodos
que presentan ese tipo de información son muy
precisos, pero a su vez suelen tener otros condicionantes que los hacen más complicados de ejecutar, sobre todo si no se cuenta con un programa
informático que los simule.
Por otro lado, existen también diferentes
métodos propuestos por diferentes autores, que
aunque no dan información sobre la fiabilidad, sı́
sirven como una buena aproximación, al menos en
una primera fase del diseño que permite establecer
una idea de la estructura del sistema fotovoltaico
al menos grosso modo.
En este documento se pretende presentar un
método que sea comprensible por su sencillez y
a la vez que sirva como buena aproximación en
el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico.
Se pretende que cualquier usuario pueda realizar
un dimensionamiento de un sistema fotovoltaico
autónomo sin tener que efectuar complicados
cálculos.
4. Método propuesto para el
dimensionamiento de sistemas FVs
autónomos.
Este método consiste en una serie de planillas
electrónicas para la automatización de la mayor
parte de los cálculos. Los pasos a seguir en el dimensionamiento que se propone son los siguientes:
– Paso 1. Estimación del consumo,
3. Métodos de dimensionamiento.
Existe gran variedad de métodos de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
Esta diversidad abarca desde métodos muy complicados que precisan de un programa informático
para ejecutarse hasta métodos mucho más simples, que con una calculadora de mano permiten
realizar el dimensionamiento.
En un sistema conectado a la red eléctrica, sus
posibles fallos no son tan cruciales como en un
– Paso 2. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles FV,
– Paso 3. Dimensionamiento del sistema de
acumulación,
– Paso 4.
FV,
Dimensionamiento del generador
– Paso 5. Dimensionamiento del regulador o
controlador,
126
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
– Paso 6. Dimensionamiento del inversor y,
mandada para cada grupo. El voltaje recomendado del sistema FV autónomo será
determinado considerando esta información.
– Paso 7. Dimensionamiento del cableado.
4.1. Paso 1: cálculo de la carga y
estimación del consumo.
La primera tarea a realizar para el dimensionamiento de un sistema FV es la determinación de
la carga a través de una planilla correspondiente.
Los pasos necesarios son los siguientes:
– Identificar cada carga y el número de horas
de uso por dı́a, anotar la corriente de carga
en Amperes, anotar el voltaje de operación
para cada carga y calcular la demanda de
potencia. El factor de potencia no se considera para realizar los cálculos referentes a
las cargas en corriente alterna (CA). Para las
cargas en CA se requiere de un inversor, el
cual añade complejidad al sistema y causa de
10 a 15 por ciento de pérdida debido a la eficiencia al convertir corriente continua (CC)
en CA. Si las cargas a conectar en CA representan sólo un pequeño porcentaje del total,
es conveniente reemplazarlas por aparatos
equivalentes que funcionen con CC.
– Agrupar las cargas por tipo y voltaje nominal de operación y sumar la potencia deDemanda de potencia en CA
< 1500
1500-5000
> 5000
– Después de haber seleccionado el voltaje del
sistema calcular el total diario de Ampereshora requeridos a este voltaje.
Selección de voltaje de operación El voltaje
de operación seleccionado para sistemas FVs
autónomos depende de los requerimientos de las
cargas y la corriente total. Si el voltaje seleccionado es igual al requerido por la mayor carga,
entonces esta carga puede ser conectada directamente a la salida del sistema.
En cualquier caso, es recomendable mantener
la corriente en cualquier sección del sistema por
debajo de ciertos lı́mites permitiendo ası́ utilizar componentes y cables eléctricos estándares
y comúnmente disponibles. Cuando la mayorı́a
de las cargas requieran CA, el voltaje de CC de
operación será seleccionado después de un estudio
de las caracterı́sticas del inversor disponible. La
Tabla 1 será de ayuda en este caso. Otra consideración a tener en cuenta es el posible incremento
de la potencia requerida del sistema en el futuro.
Se debe escoger un voltaje que trabajará con el
futuro sistema ampliado.
Voltaje de entrada del inversor en CC
12
24 o 48
48 o 120
Tabla 1. Criterio de selección del voltaje de operación en CC del sistema.
Algunas reglas generales para la selección del
voltaje de operación del sistema son:
– Para sistemas que operen en CC, el voltaje
del sistema es el requerido para las cargas cuyas potencias sean mayores. Convertidores electrónicos CC-CC pueden ser utilizados para proveer de potencia a cargas de
diferentes voltajes que la del sistema.
– Seleccionar un inversor que sea capaz de
proveer los requerimientos de las cargas y
mantener la corriente de alimentación de
éste por debajo de 100 Amperes en el lado
de CC.
El algoritmo de cálculo para cada tipo de carga es
el siguiente:
P =n·I ·V
donde,
P= potencia de la carga
n=número de artefactos iguales
I=corriente de la carga
V=voltaje nominal de la carga
AhC =
P · Ud · Us
7 · ECP · V N S
donde,
AhC=promedio de energı́a requerida por dı́a por
la carga
Ud=promedio de tiempo que la carga será utilizada por dı́a. Utilizar fracciones de hora en
forma decimal, por ejemplo 1 hora 15 minutos
será 1,25 horas.
Us=número de dı́as durante una semana que la
carga será utilizada.
ECP=Eficiencia en la conversión de potencia.
Para los casos de CC a CC y de CC a CA a través
de un inversor.
VNS=Voltaje Nominal del Sistema.
Ahcorr =
ΣAhC
)
ηcables .ηbat
donde,
127
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
Ahcorr : energı́a total requerida por dı́a por las
cargas, corregida de acuerdo a los rendimientos de
los cables utilizados y la baterı́a.
ηcables : rendimiento de los cables utilizados.
ηbat : rendimiento de la baterı́a. Consultar el manual del fabricante.
4.2. Paso 2: Cálculo del ángulo óptimo de
inclinación de los paneles solares.
4.2.1. El recurso solar.
Completando otra planilla se obtendrá el diseño de
un mes el cual será el peor caso que podrı́a ocurrir
dada la combinación de una baja insolación y una
alta demanda de energı́a. El ángulo de inclinación
recomendado para los paneles solares es también
determinado por el diseño calculado para ese mes.
Utilizando este criterio, el sistema FV autónomo
será diseñado para proveer la potencia necesaria y
mantener la baterı́a cargada durante el peor mes
del año.
Datos imprecisos de insolación causan errores
de diseño por lo que deben utilizarse datos que reflejen el comportamiento del sol en el lugar de la
instalación, durante varios años. Pero estos datos,
particularmente la insolación para superficies inclinadas, generalmente no están disponibles. Se
deben buscar estos datos en universidades, aeropuertos, agencias del gobierno, estaciones meteorológicas, etc. Los datos de insolación utilizados
deben estar en kilowatt-hora por metro cuadrado.
Esto es equivalente a las horas solares pico, es decir, el número de horas por dı́a durante el cual
la intensidad del sol es un kilowatt por metro
cuadrado.
Esta planilla del diseño contiene campos para
Lat. 26,
Lon. 55
ángulo 0◦
ángulo 11◦
ángulo 26◦
ángulo 41◦
ángulo 90◦
ángulo 0◦
Ene
6,21
6,08
5,66
4,98
2,03
6,21
Feb
5,62
5,64
5,44
4,99
2,25
5,62
Mar
5,06
5,25
5,28
5,05
2,78
5,06
Abr
4,06
4,39
4,64
4,66
3,17
4,06
May
3,30
3,72
4,11
4,29
3,32
3,30
Jun
2,88
3,31
3,74
3,97
3,26
2,88
introducir la corriente de carga de cada mes y
datos de insolación para tres diferentes ángulos de
inclinación de los paneles solares. Para la mayorı́a
de las aplicaciones es posible identificar el diseño
correspondiente a un mes, el cual será el utilizado,
sin necesidad de hacer cálculos relativos a todos los
meses. De hecho, si la carga es constante durante
todo el año, el diseño del mes a utilizar será de
aquel mes con la menor insolación y el arreglo FV
será instalado con el ángulo de inclinación que corresponda al más alto valor de insolación durante
ese mes.
4.2.2. Selección de datos.
En la página web [4] se tienen los datos de insolación necesarios para el dimensionamiento. Se
puede seleccionar el área aproximada de la instalación en un globo terráqueo o ingresar las coordenadas del lugar de la instalación.
La insolación (energia/m2 diaria) a menudo
es presentada como un promedio diario para cada
mes. Por supuesto, para un dı́a dado la irradiancia
solar (potencia/m2 ) varı́a continuamente desde la
salida del sol hasta su puesta. La máxima irradiancia ocurre al mediodı́a solar el cual es definido
como el punto medio en tiempo entre la salida del
sol y su puesta. El término horas solares pico es
definido como el número equivalente de horas por
dı́a, con una irradiancia solar constante igual a
1000 W/m2 , que darı́a la misma cantidad de energı́a que la irradiancia variable diaria. En otras
palabras, seis horas solares pico significan que la
energı́a recibida durante las horas del dı́a en que
se recibe la luz del sol es igual a la energı́a que
se recibirı́a por un sol que emitiera una radiación
constante de 1000 W/m2 durante seis horas.
jul
3,25
3,72
4,20
4,44
3,58
3,25
Ago
3,96
4,38
4,75
4,88
3,56
3,96
Set
4,52
4,75
4,86
4,73
2,85
4,52
Oct
5,17
5,24
5,12
4,76
2,31
5,17
Nov
6,16
6,06
5,68
5,04
2,07
6,16
Dic
6,32
6,15
5,68
4,95
1,98
6,32
Promedio
anual
4,71
4,89
4,93
4,73
2,77
4,71
Tabla 2. Promedio de energı́a incidente sobre una superficie inclinada apuntada hacia el ecuador
(KW h/(m2 dia)).
El algoritmo de cálculo es el siguiente:
Para cada mes y para los siguientes tres casos
calcular:
Latitud - 15◦
corr
IN 1 = Ah
HSP
Latitud
corr
IN 2 = Ah
HSP
Latitud + 15◦
corr
IN 3 = Ah
HSP
Tabla 3. Cálculo de las corrientes nominales del diseño para las tres posibles inclinaciones del arreglo.
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Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
Donde,
HSP: Horas Solares Pico en un determinado punto
donde se desea realizar la instalación, con una
dada inclinación de los paneles solares.
Latitud - 15◦
M es X1
IN 1
IN j = Corriente nominal, donde j = 1, 2, 3.
Para cada una de las tres inclinaciones, de entre
los 12 meses, seleccionar el mayor valor.
Se tendrá entonces:
Latitud
M es X2
IN 2
Latitud + 15◦
M es X3
IN 3
Tabla 4. Selección de la corriente nominal de mayor valor.
De entre estos tres valores, la inclinación β a
elegir, de los paneles FVs es aquella cuyo IN sea
el menor. Entonces se habrá seleccionado la corriente nominal que ha de determinar la inclinación
del arreglo, i. e.:
β: inclinación adoptada para el arreglo FV.
IN : corriente nominal seleccionada, correspondiente al mes X.
4.3. Paso 3: Dimensionamiento del sistema
de acumulación (baterı́as).
Antes de alguna decisión, se tendrá que estudiar y
entender algunos parámetros y conceptos relativos
a la disponibilidad del sistema.
Primero se tendrá que determinar la cantidad de energı́a a ser almacenada para la aplicación en cuestión, la cual usualmente se expresa
como el número de dı́as sin sol, en otras palabras,
por cuántos dı́as nublados el sistema deberá estar operando utilizando la energı́a almacenada en
las baterı́as. No existe una sola respuesta correcta
para esta cuestión, sino que depende de la aplicación requerida, el tipo de baterı́a, y la disponibilidad deseada para el sistema.
Cuando se especifica la cantidad de energı́a almacenada, se debe tener presente la diferencia entre la capacidad nominal de la baterı́a y la capacidad utilizable.
Capacidad nominal de la baterı́a (C ): este
término indica la máxima cantidad de energı́a que
una baterı́a puede proporcionar individualmente
durante la descarga bajo especı́ficas condiciones de
temperatura y tasa de descarga. No será posible
obtener la capacidad nominal de la baterı́a repetidamente cuando es usada en sistemas FVs pero,
sin embargo, la capacidad nominal de una baterı́a
es un dato muy importante para comparar el desempeño de varios tipos de baterı́as. Para hacer
las comparaciones se debe tener la capacidad nominal a una misma tasa de descarga.
Los fabricantes de baterı́as suelen brindar
como dato técnico la capacidad nominal de la
baterı́a y es mucho mayor que la cantidad de energı́a que puede extraerse de la baterı́a repetidamente en aplicaciones fotovoltaicas. Para algunas
baterı́as selladas de ciclo no profundo la capaci-
dad utilizable es sólo el 20% de la capacidad nominal, esto es, sacar más de 20 Amperes-horas de
una baterı́a de 100 Amperes-horas causará la falla
prematura de la baterı́a.
Otros tipos de baterı́as diseñadas para ciclos
profundos tienen una capacidad utilizable de hasta
el 80% de su capacidad nominal. Para la mayorı́a
de las aplicaciones de los sistemas FVs cuanto más
grande es la capacidad de la baterı́a, tanto mejor.
La mejor recomendación para el número de
dı́as que ha de soportar la baterı́a sin recibir energı́a de los paneles FVs es fijarlo tanto como se
pueda costearlo. Obviamente si el lugar donde
se quiere instalar el sistema tiene largos periodos
de dı́as nublados se necesitará más capacidad de
almacenamiento de energı́a para suplir las necesidades en esos periodos de inclemencia del tiempo.
Además, si es crı́tico que la carga esté alimentada todo el tiempo, se ha de precisar una gran
capacidad de almacenamiento de energı́a en las
baterı́as. Una capacidad pequeña podrá ser utilizada si el usuario de los equipos puede tolerar
algunos cortes de energı́a.
Es importante comprar baterı́as de calidad
que puedan ser cargadas y descargadas muchas
veces antes de fallar. Las baterı́as utilizadas
en los automóviles no deberı́an utilizarse para
este propósito si existen otras alternativas. Las
baterı́as de los automóviles están diseñadas para
proveer una alta corriente durante un corto periodo de tiempo. Luego es rápidamente recargada.
Las baterı́as de ciclo profundo utilizadas en los
sistemas FVs pueden descargarse lentamente por
muchas horas y pueden no ser recargadas totalmente por muchos dı́as y semanas. Se debe seleccionar una baterı́a que admita este tipo de operación.
Controlador de carga: es un equipo electrónico
que mantiene la carga de la baterı́a en los lı́mites
fijados no permitiendo una sobrecarga o una sobredescarga de ésta, lo cual acortarı́a su vida útil
notablemente. Es importante entender la cercana
interrelación entre la baterı́a y el controlador de
carga. Cuando se adquieren las baterı́as, se debe
comprar también un controlador de carga compatible con ellas.
Los siguientes conceptos ayudan a especificar
129
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
la baterı́a apropiada para un sistema FV:
Profundidad de descarga (depth of discharge):
este término indica el porcentaje de la capacidad
nominal de la baterı́a que puede ser extraı́do de
ella. Las baterı́as de ciclo profundo son las más
utilizadas para aplicaciones fotovoltaicas. Otro
tipo de baterı́a utilizada es la de niquel-cadmio
(NiCd). Éstas son más caras pero pueden soportar
duras condiciones climáticas. Las baterı́as NiCd
pueden descargarse completamente sin dañarse.
El valor de la máxima profundidad de descarga
utilizada para el dimensionamiento debe ser el del
peor caso de descarga que la baterı́a ha de experimentar. El controlador de carga de la baterı́a
debe ser configurado para prevenir una descarga
por debajo de este nivel.
Debido a que las baterı́as NiCd pueden ser
descargadas hasta casi el 100% sin dañarse, algunos proyectistas de sistemas FVs no utilizan
controladores de carga con este tipo de baterı́as.
Corrección de la temperatura: Las baterı́as
son sensibles a las temperaturas extremas y una
baterı́a a temperatura muy baja no provee tanta
energı́a como una a temperatura cálida (aproximadamente 25o C). La mayorı́a de los fabricantes
proveen un gráfico como el mostrado en la figura
1, de la capacidad que tiene la baterı́a en función
a la temperatura.
baterı́a.
Se debe tratar de mantener la baterı́a a temperaturas cálidas[1]. Las baterı́as de plomo ácido
son normalmente diseñadas para operar a 25o C
[6].
Estado de carga (SOC-State-of-charge): indica
la carga remanente en una baterı́a en cualquier
punto del tiempo. Es igual a 100 menos la profundidad de la descarga dado en porcentaje.
Ciclo de vida útil de la baterı́a: es muy difı́cil
de predecir porque depende de muchos factores
tales como las tasas de carga y descarga, profundidad de las descargas, número de ciclos de
carga y descarga y temperaturas de operación.
Una baterı́a de plomo ácido puede durar de 5 a
10 años. Una baterı́a de nı́quel-cadmio generalmente durará más cuando es operada en similares
condiciones y puede funcionar satisfactoriamente
por más de 15 años bajo condiciones óptimas.
Disponibilidad del sistema: es definida como
el porcentaje de tiempo que un sistema de potencia es capaz de abastecer los requerimientos de la
carga. El número de horas que el sistema está
disponible durante un año se divide entre 8760
horas (número de horas de un año) para dar la
disponibilidad anual del sistema. De un sistema
con disponibilidad del 95% se espera que llene los
requerimientos de la carga durante 8322 horas de
un año promedio durante la vida útil del sistema.
Una disponibilidad del 99% significa que el sistema opera en promedio por año durante 8672 de
las 8760 horas.
El algoritmo a ser aplicado es el siguiente:
DCS
M P D · RCT
Donde: AhBat: capacidad requerida para las
baterı́as.
DCS: dı́as de carga sin sol.
MPD: máxima profundidad de descarga de la
baterı́a.
RCT: reducción de la capacidad de carga por
la temperatura
Ahbat =
Fig. 1. Capacidad de la baterı́a en función de la temperatura.
BP =
Por ejemplo, una baterı́a a 25o C tiene 100%
de su capacidad si es descargada a una tasa de
corriente de C/20. La tasa de descarga es dada
como una fracción de la capacidad nominal C, de
la baterı́a. Sin embargo una baterı́a operando a
0o C tiene sólo 75% de su capacidad nominal si
es descargada a una tasa de C/20. Si la tasa de
descarga es mayor, esto es C/5, sólo 50% de la capacidad nominal será utilizable cuando la temperatura es -20o C. A pesar de que el gráfico muestra
que se puede obtener más energı́a que la capacidad nominal de la baterı́a cuando se tienen temperaturas más altas, esto debe ser evitado debido
a que esta circunstancia acortará la vida útil de la
Ahbat
CBS
donde:
BP: cantidad de baterı́as en paralelo.
CBS: capacidad en Ah de la baterı́a seleccionada.
V NS
BS =
V NB
donde:
BS: cantidad de baterı́as en serie.
VNS: voltaje nominal en serie.
VNB: voltaje nominal de cada baterı́a.
CB = BP · BS
donde:
CB: cantidad total de baterı́as.
130
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
4.4. Paso 4: Dimensionamiento del
generador FV.
Se aplica una técnica de dimensionamiento
diseñada para generar suficiente energı́a durante
el mes seleccionado para cubrir las necesidades de
la carga y todas las pérdidas del sistema. Esto
significa que en un año promedio la carga será
abastecida y el estado de carga de la baterı́a será
la misma el último dı́a del mes utilizado para el
diseño, ası́ como el primer dı́a de ese mismo mes.
El método de dimensionamiento utiliza corriente
(Amperes) en lugar de potencia (Watts) para describir los requerimientos de la carga porque es
más fácil hacer una comparación con el desempeño
de un módulo FV, esto es, comparar un módulo
FV que produce 30 Amperes a 12 Voltios a una determinada temperatura de operación es más fácil
que con un módulo de 50 Watts que puede tener
diferentes puntos de operación.
Se debe obtener las especificaciones técnicas
de los módulos FVs disponibles para comparar su
desempeño, tamaño y costo. Generalmente hay
varios tipos de módulos que cumplirán con los requisitos esperados.
La planilla de cálculo requiere la entrada de
la corriente nominal del módulo FV. Esta es la
corriente producida en las condiciones de prueba
estándares (STC - Standard Test Conditions), es
decir, a 1000 W/m2 de irradiancia y 25o C de temperatura.
Las especificaciones del módulo FV son suministradas por el fabricante. Los valores de corriente
dados son de corto circuito, Isc , y la de máxima
potencia Imp . El valor utilizado en la planilla para
la corriente nominal del módulo FV será Imp .
El voltaje de máxima potencia es fijado como
16 V. Sin embargo, el voltaje de operación de un
arreglo FV es determinado por el voltaje de la
baterı́a. Éste varı́a dentro de un pequeño rango
dependiendo del estado de carga de la baterı́a y la
temperatura ambiente; de 1 a 4 voltios menos que
el voltaje de máxima potencia dado por el fabricante.
Afortunadamente, la corriente presenta muy
poca variación desde el voltaje de máxima potencia (17 Voltios) hasta el voltaje normal de operación (12 Voltios). El número de módulos conectados en paralelo requeridos para producir la corriente requerida raramente es un número entero.
Obviamente el diseñador debe tomar la decisión
si redondea el número hacia arriba o hacia abajo.
Los requerimientos de disponibilidad del sistema
deberán ser considerados al tomar esta decisión.
El número de módulos conectados en serie se
calcula dividiendo el voltaje del sistema entre el
voltaje nominal del módulo. El algoritmo a seguir
es el siguiente:
IN aj =
IN
F AM
MP =
IN aj
IN M
V CB = 1, 2 · V N B · BS
MS =
V CB
V MTA
TM = MP · MS
donde,
IN aj : mı́nima corriente del arreglo que cubrirá
la demanda promedio diaria en el lugar de instalación.
FAM: factor de ajuste del módulo, introducir
un número decimal entre 0 y 1 que exprese un
ajuste de la corriente de las condiciones estándares
a las condiciones de uso verdaderas (acumulación
de polvo sobre los paneles, degradación por el
paso del tiempo, etc.). Valores por defecto: paneles monocristalinos y policristalinos 0,9; paneles
amorfos 0,7.
INM: corriente nominal del módulo FV, introducir la corriente nominal del módulo FV
operando a 1000 W/m2 y 45o C de temperatura. Este dato es proporcionado por el fabricante del módulo FV. MP=Módulos FV en paralelo. VCB=Mı́nimo voltaje requerido para cargar las baterı́as. MS=Módulos FV en serie.
VMTA=Voltaje del módulo a la temperatura más
alta esperada. Este dato es proporcionado por el
fabricante. TM=Total de módulos FV.
ICCT = M P · ICC
donde:
ICCT : corriente de corto circuito total del arreglo FV operando a 1000W/m2 y 45o C de temperatura.
ICC : corriente de corto circuito de cada
módulo FV operando a 1000W/m2 y 45o C de temperatura.
4.5. Paso 5: Dimensionamiento del
regulador o controlador.
Los controladores están presentes en los sistemas
FVs autónomos para proteger a las baterı́as de
una sobrecarga o una excesiva descarga. Ambos efectos pueden causar la falla prematura de
la baterı́a. Todos los controladores causan una
pequeña pérdida en el sistema. La función del
controlador es monitorar el funcionamiento del
sistema dependiendo del estado de carga de la
baterı́a. Otras funciones importantes del controlador son: evitar que las baterı́as se descarguen
131
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
por la noche por los paneles solares y el seguidor
del punto de potencia máxima.
IM C = 1, 25 · ICCt
donde:
IMC: mı́nima corriente del controlador, sobredimensionada al 25% para permitir producción
de energı́a a los más altos valores de irradiancia.
CP =
IM C
NC
donde:
CP: cantidad de controladores en paralelo.
IN C : corriente nominal de cada controlador.
4.6. Paso 6: Dimensionamiento del
inversor.
Los inversores son necesarios en los sistemas FVs
cuyas cargas precisen CA.
Cuando se especifica un inversor, es necesario
considerar los requerimientos de la entrada en CC
y la salida en CA. Para la salida en CA deben
considerarse los requerimientos de las cargas en
cuanto a la variación de voltaje, frecuencia y forma
de onda que han de ser toleradas. En el lado de
entrada en CC deberá especificarse una potencia
pico de corta duración y una tolerancia aceptable
a la variación de tensión [1].
4.7. Paso 7: Dimensionamiento del
cableado.
4.7.1. Parámetros.
Para la correcta definición de la sección de los conductores, es necesario conocer:
– Tensión nominal (Voltios),
– Potencia nominal (Watts),
4.7.2. Criterios.
Son dos los criterios básicos para determinar la
sección de un conductor:
– Capacidad máxima de conducción de corriente.
– Máxima caı́da de tensión admisible. Este
criterio es de gran importancia en los circuitos de baja tensión relativamente largos,
donde la caı́da de tensión puede ser significativa.
El criterio que prevalece es el que determina el
conductor de mayor sección [5].
Para la aplicación de estos criterios se deben
tener en cuenta las fórmulas y recomendaciones
que constan en los catálogos técnicos de los fabricantes de conductores tales como INPACO [5] y el
Reglamento de Baja Tensión de la Administración
Nacional de Electricidad si el trabajo se hace en
Paraguay..
5. Conclusión.
Se ha expuesto un método de dimensionamiento
FV para sistemas autónomos, basado en un
llenado de planillas electrónicas completamente
guiado y que genera automáticamente los resultados parciales en orden secuencial claramente explicado a fin de facilitar su uso por cualquier usuario
con mı́nimos conocimientos de electricidad y computación.
A la vez, el método presentado constituye
una buena aproximación práctica de dimensionamiento FV que toma en cuenta todos los factores
que más influyen en este tipo de sistema FV, a
saber:
– Estimación del consumo,
– Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de
los paneles FV,
– Dimensionamiento del sistema de acumulación,
– Intensidad de corriente a transportar (Amperes),
– Dimensionamiento del generador FV,
– Factor de potencia (cos f),
– Dimensionamiento del regulador o controlador,
– Caı́da de tensión admisible (
– Dimensionamiento del inversor y,
– Largo del circuito (metros),
– Tipo de instalación,
– Temperatura ambiente (o C),
– Caracterı́sticas de cortocircuito.
– Dimensionamiento del cableado.
Esta propuesta constituye apenas un adelanto de
lo que ha de llegar a ser una completa guı́a tutorial que ha de poner al alcance de cualquier interesado la posibilidad de montar su propio sistema fotovoltaico respondiendo a sus necesidades
energéticas particulares.
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Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos.
Referencias
Fotovoltaica. Universidad de Jaén.
[1] Sandia National Laboratories. Stand-Alone
Photovoltaic Systems. A Handbook of Recommended Design Practices.
[4] NASA. Atmospheric Science Data Center.
¡http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/¿ [01-10-2010]
[2] FOCER (Fortalecimiento de la Capacidad en
Energı́a Renovable), Biomass Users Network
(BUN-CA). Manuales sobre energı́a renovable:
Solar Fotovoltaica. 1o Ed. Año 2002.
[5] Industria Paraguaya de Cobre S.A. (INPACO)
[En lı́nea] www.inpaco.com.py
Accedido en
01-08-2010.
[3] Aguilera, J., Hontoria, L. Dimensionado de sistemas FVs autónomos. Curso de Energı́a Solar
[6] h t t p : / / w w w . e n e r g e x . c o m . c o
/pdf/temperaturabaterias.p
df
Accedido en 01-08-2010.
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