08_Solar System_Dimensioning_Student_guide_es

Ejercicio #8: dimensionando un sistema
fotovoltaico
Resumen: Los sistemas fotovoltaicos constituyen una fuente de energía
confiable y económicamente viable para lugar no servidos por la red
eléctrica, especialmente en sitios soleados,como es el caso en los
paìses en tropicales.
Esta guía ofrece instrucciones básicas para el dimensionamiento del los
paneles solares, el banco de baterías y el resto del hardwae del
sistema fotovoltaico.
Bases:
Al escoger los dispositivos necesarios para suministrar sus
requerimientos de energía debe determinarse al menos:
• Tipo y número de paneles solares necesarios para capturar la energía
requerida por la carga que desea alimentar (la cantidad de eenrgía
usada por la aplicación).
• Capacidad de batería requerida. El banco de baterías debe almacenar
suficiente energía para alimentar la carga durante las noches y los
días en que haya poca iluminaciøn, determinando así el número de
días de autonomía.
• Las características de los otros componentes (el regulador, cableado,
fusibles, etc,) necesarios para la cantidad de potencia generada y
almacenada.
El método que usaremos para el dimensionamiento del sistema es el
llamado método del peor mes. El peor mes, es aquel que, en promedio,
presenta la mayor relación entre la energía demandada y la energía
disponible.
Usando este método, la confiabilidad del sistema se toma en
consideración fijando el número máximo de días que el sistema puede
alimentar a la cargas en ausencia de energía solar, es decir el número
máximo de días de autonomía (N), que puede ser pensado como el
número máximo de días nublados consecutivos, en los que los paneles
no colectan una cantidad significativa de energía. Naturalmente, es
necesario un compromiso entre confiabilidad y costo, el cual
dependeráde la importanci crítica de la instalación.
La siguiente tabla indica una aproximación a los d´œas de autonomía
requeridos:
Insolación
(clima)
Instalación
Doméstica
Instalación
Crítica
Muy nublado
5
10
Variable
4
8
Soleado
3
6
Pasos en el dimensionamiento de un sistema fotovolatico:
1) Estimar la carga eléctrica (cantidad de potencia requerida)
2) Estimar el número máximo de días nublados consecutivos
3) Estimar la capacidad de abtería requerida
4) Estimar el tipo y número de paneles requeridos
5) Determinar los requerimientos mínimos del regulador y el cableado
Procedimiento
1) Determinación de la carga eléctrica
La potencia consumida por un aparato eléctrico en corriente continua es
el producto del voltaje y la corriente (en corriente alterna hay que
multiplicar por un número adicional, el factor de potencia). La energía es
el producto de la potencia por el tiempo durante el cual se consume
dicha potencia. La energía se mide en joules (J), pero la unidad práctica
es el Wh (vatio*hora). La carga total es la suma de todas las cargas
activas en un lapso dado. La carga se expresa en W, pero si el voltaje
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se ha fijado de antemano es común expresar la carga en términos de
corriente, y hasta la energía a veces es expresada en Ah
(amperios*horas).
La mayoría de los equipos de comunicaciones funcionan con corriente
continua, extraida a partir de la corriente alterna de la red eléctrica por
medio de una fuente de alimentación que produce los 5,12, 24 o 48 V
requeridos, dependiendo del aparato. Estas fuentes de alimentación
deperdician energía, así que en un sistema fotovoltaico es mejor evitar
estas fuentes y alimentar directamente a los equipos con corriente
continua, En casos en los que el equipo requiera un voltaje continuo
diferente al de la batería, es preferible utilizar un convertidor de DC a
DC, que generalmente son más eficientes que las fuentes de
alimentacion comunes.
La escogencia del voltaje de operación en continua está determinada
por la carga, pero normalmente se utilizan 12 V, dada la gran
disponibilidad de paneles y baterías en este voltaje.
2) Estimado del número máximo de días nublados consecutivos
Para este estimado lo mejor es tratar de obtener datos climáticos
locales, normalmente recolectados por diferentes organizaciones. A
menudo las agencias aeronáuticas o ambientales recolectan este tipo
de información, pero si esto no está disponible se puede utilizar la base
de datos construída por la NASA a partir de observacionse satelitales
realizadas durante los últimos 22 años. Estos datos se pueden
descargar gratuitamente (luego de haberse registrado) en
http://www.eosweb.larc/nasa.gov/.
Para datos de insolación, se puede utilizar:
http://www.synergyenviron.com/resources/solar_insolation_tool.asp.
Este sitio no requiere registrarse pero es menos completo.
3) Estimado de la capacidad de batería requerida
Una vez establecido el número de días que la carga debe ser
alimentada desde las baterías, podemos calcular la capacidad de
batería requerida. Es importante enfatizar que las baterías nunca se
deben descargar completamente.
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Las baterías de ciclo profundo no deben descargarse más allá del 50%,
y en caso (desaconsejado) que se tenga que utilizar baterías
automotrices la descarga máxima no debe exceder del 20% (es decir,
dejar el 80% de la carga en la batería). Esto significa que solo podremos
usar la mitad de la capacidad total de una batería de ciclo profundo y
apenas un quinto de una batería de automóvil o camión.
4) Estimado del tipo y número de paneles fotovoltaicos requeridos
El próximo paso es calcular el tipo y número de paneles fotovoltaicos
requeridos para cargar las baterías en un tiempo razonable. Aquí
también es necesario un compromiso puesto que la solución óptima
puede resultar económicamente irrealizable.
Una primera aproximación puede ser simplemente multiplicar la carga
estimada (el consumo de los dispoditivos conectados) por 1.5 para
permitir cargar las baterías al mismo tiempo que se está alimentando la
carga. Esto resulata en una carga de diseño que es 50% mayor que la
calculada. A continuación hay que estimar la cantidad de energía solar
diaria disponible en el sitio de interés. El sitio de la Nasa mencionado
también provee esta información, pero ésta también puede obtenerse
de otras fuentes o estimada a partir de otros sitios con características
climáticas similares. Tenga en cuenta que la latitud y la altitud son los
factores más importantes a considerar.
Hay varias maneras de presentar la cantidad de energía solar disponible
en un sitio dado en términos del número de J/m2 por día, W*h /m2,, etc.,
pero la más útil se obtiene considerando un valor estándar de la
irradianza de 1000 W/m2 conocida como
sol pico. Dividiendo la
energía total capturada durante el día por este número se obtiene el
número de horas solares pico (PSH), es decir el número de horas
requeridas para que una irradiación constante de 1000W/m2 produzca la
misma cantidad de energía. Este número coincide con el número de
kWh /m2 por día, pero es más fácil visualizarlo como el número de horas
de radiación a valor constante, como puede observarse en el siguiente
gráfico:
4
hora del día
De la figura, observamos que el número de horas solares pico es 3, lo
que corresponde al número de kWh//m2 para ese día. Debemos escoger
el promedio del peor mes del año para nuestros cálculos.
El tamaño del panel solar se determina dividiendo los requerimientos
diarios de energia por el número de PSH, El número resultante se divide
por la potencia pico del panel, Wp, para determinar el número de
paneles requeridos.
5) Determinación de los requerimientos mínimos del regulador de
carga y del cableado
El último paso es calcular la capacidad del regulador de carga y el
grosor de los cables de interconexión. Este valor debe ser mayor que la
corriente máxima esperada al voltaje nominal. Los cables deben ser lo
más corto posible para minimizar la caída de voltaje y el consecuente
desperdicio de energía.
5
La siguiente tabla muestra la longitud máxima en metros para alambres
de cobre para mantener la caida de voltaje debajo del 5% a un voltaje
de 12 V.
Ejemplo
Se construye un repetidor inalámbrico con un “computador en una
tarjeta” (SBC -Single Board-Computer-) que consume 3.5 vatios. El
computador puede operar a cualquier voltaje entre 9 y 25 V. Se le
instala un radio que consume 8 W cuando transmite y 3.8 W cuando
recibe.
El dispositivo se instalará en una colina en las adyacencias de Cotonou,
Benin.
1) Determine la carga:
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Escogemos operar a 12 Vy suponemos que el SBC opera 24 horas al
día y que el radio transmite 40% del tiempo y recibe durante el otro
60%, con lo que el consumo total será:
3.5 * 24 + 8 * 24 * 0.4 + 3.8 * 24 * 0.6 = 215.52 Wh
lo redondeamos a 220WH y obtenemos:
220 / 12 = 18.3 Ah
2) Estimar el número máximo de días nublados consecutivos:
Del sitio de la NASA, introduciendo las coordenadas 7°N, 2°E :
Podemos ver que mayo es el peor mes, y en él podemos esperar un
máximo de 3.86 días nublados consecutivos.
3) Estimar la capacidad de batería requerida
De la tabla anterior, escogemos N=4 como el número máximo de días
en los que la batería debe alimentar la totalidad de la carga.
Multiplicamos òos amperios-hora por N y por un factor que representa el
porcentaje de descarga máxima admisible. Para baterías de ciclo
profundo, este factor es 2 (el doble de la capacidad requerida) para
permitir una descarga del 50%.
Por tanto, la capacidad de la batería de 12 V debe ser:
18.3 Ah * 4 * 2 = 147 Ah
Si usáramos baterías automotrices que sólo deben descargarse al 20%,
el factor sería 5 en lugar de 2.
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4) Estimar el tipo y número de paneles fotovoltaicos requeridos
Para el panel solar, aplicamos el factor aproximado de 1.5 para permitir
la carga de la batería al mismo tiempo que alimentamos el dispositivo, lo
que nos da una carga total de 330Wh.
La irradiación puede tomarse del sitio de la NASA:
El peor mes es agosto, que en promedio recibe solo 4.05 horas de sol
pico, de modo que:
330 Wh / 4.05 h = 81.5 W
Necesitamos un panel que pueda producir 82 W.
El sitio de la NASA también indica que el ángulo de inclinación óptima
para el panel en este sitio es de 16°, aunque hay una considerable
variación entre un mes y otro.
5) Determine los requerimientos del regulador y del cableado
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La corriente máxima en la carga ocurre durante transmisión, cuando la
potencia consumida es de 3.5 + 8 = 11.5 W que, a 12 V corresponde a
cerca de 1 A. El regulador debe poder manejar esta corriente y el
dispositivo puede ser alimentado fácilmente mediante cable UTP
utilizando POE (Power over Ethernet).
Tenga en cuenta que para cargas mayores el cable UTP puede no ser
suficiente, por lo que deberá usar un cable dedicado del tamaño
adecuado.
Se recomienda también insertar un fusible entre la batería y la carga.
Para saber más
La página 209 del libro WNDW y el sitio: http://www.sandia.gov/ERN/
index.html
Ejercicio
Diseñe un sistema fotovoltaico (panel + regulador + bateria + otros
equipos) para los siguientes sistemas:
1) Un repetidor remoto dotado de una Nanosatation2 y una
Powerstation5 debe instalarse en Mérida, Venezuela, Latitud 8° N,
Longitud 71° E. El repetidor debe operar 24/7 y debe tener una
autonomía de 5 días en ausencia de luz solar. Se usarán baterías de
ciclo profundo.
2) Una estación cliente que usa una Nanostation2 y un Netbook se debe
instalar en una escuela en Blantyre, Malawi (Latitud 15° S, Longitud
35° E). La autonomía requerida es de 24 horas sin luz solar y el radio
está conectado constantemente. El Notebook funciona a 220 V AC y
consume 5 W, y es usado 5 horas por día. No se dispone de baterías
de ciclo profundo , así que deben usarse baterías de automóvil en
esta instalación.
3) Sugiera posibles soluciones para optimizar el suministro de energía
eléctrica para los dos sitios mencionados.
4) Repita el diseño #2 utiliznado ahora baterías de ciclo profundo en
lugar de baterías automotrices y aplique la optimización sugerida en
el #3.
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