5.4 GENERACIÓN SOLAR EN EL FLORIDO 135
5.4.3 Dimensionamiento de la instalación 139
5.4.3.1 Vivienda de 1000 W 140
Los cálculos se hacen para el mes de junio debido a que es el mes de mayor insolación y también aumenta la temperatura ambiente por lo que los aparatos electrodomésticos consumen más energía pero también los paneles pueden generar más electricidad; también se hará el cálculo de los paneles y equipo requerido para un mes de invierno que es cuando los paneles generan menos. Esto es para tomar la decisión de cuántos paneles solares instalar y poder determinar las características del inversor.
• Cálculo para verano
El equipo electrodoméstico que pudiera ser utilizado, considerando su consumo en el mes de junio que es el mes de mayor insolación es:
Tabla 5.7 Datos de cargas para casa de 1000 W en verano
DATOS DE CARGAS
Dispositivos o cargas en C.A. Número Watts Watts inst. Hrs/día Watts-hora/día Lámparas fluorescentes 6 15 90 4 360 Televisor (TV) 1 100 100 3 300 Aire acondicionado 1 500 500 6 3000 Ventilador de mesa 1 80 80 4 320 Refrigerador 1 230 230 6 1380
TOTAL W = 1000 TOTAL Wh/día = 5360
Se va a diseñar un arreglo de 24 V. La corriente requerida por la casa es:
día hora Amp = = arreglo Volts día hora watts = día hora Amperes T 223.33 / 24 5360 / / − − −
Considerando que la instalación está en El Florido, la latitud es 32.28ºN y en el mes de junio, el mes con mayor insolación, tiene 7.17 Hrs/día de pico solar. En este caso no hay batería.
Corriente pico del arreglo = Amp-h/día promedio
/
η batería/
Hr/día pico solar= 223.33 / 7.17 = 31.14 A
Suponiendo que se usan módulos de 198 W, 24 V, Sharp ND-198U1F, la corriente de catálogo es: 7.52 A, con un costo de $879.0 USD c/u.
Tabla 5.8 Características de panel solar Sharp ND-198U1F
Características eléctricas Potencia Máxima (Pmáx)* 198 W
Máximo voltaje de salida 26.3 V Corriente de corto circuito (Isc) 8.23 A Máxima corriente de salida (Ipm) 7.52 A Eficiencia del módulo (%) 0.134 Máximo voltaje del sistema (CD) 600 V Capacidad del fusible serie 15 A Coeficiente de temperatura (Pmáx) -0.485%/°C
* Medido en condiciones estándar de operación: 25°C, 1kW/m2, AM 1.5
Dimensiones (A x B x C debajo) 994 x 1491 x 57.5 mm
Ya que el voltaje en C.D. es 24 V y que cada módulo tiene un voltaje nominal de 25.8 V. No. de módulos en paralelo = =4.96 5módulos
7.52 31.14
1.2× ≈
No. de módulos en serie = Voltaje del sistema en C.D. 1 26.3V
24V ≈ =
Voltaje nominal del módulo
No. total de módulos = No. de módulos en serie X No. de módulos en paralelo = 1 X 5 = 5 módulos
• Cálculo para invierno
La condición más desfavorable de insolación es en el mes de diciembre. Si se tiene un consumo de:
Tabla 5.9 Datos de cargas para casa de 1000 W en invierno
DATOS DE CARGAS
Dispositivos o cargas en C.A. Número Watts
Watts inst. Hrs/día Watts- hora/día Lámparas fluorescentes 6 15 90 5 450 Televisor (TV) 1 100 100 3 300 Aire acondicionado 1 500 500 3 1500 Ventilador de mesa 1 80 80 3 240 Refrigerador 1 230 230 6 1380
TOTAL W = 1000 TOTAL Wh/día = 3870
Para un arreglo de 24 V la corriente requerida por la casa es:
día hora Amp = = arreglo Volts día hora watts = día hora Amperes T 161.25 / 24 3870 / / − − −
Corriente pico del arreglo = Amp-h/día promedio
/
η batería/
Hr/día pico solar= 161.25 / 3.18 = 50.7A
Suponiendo que se usan módulos de 198 W, 24 V, Sharp ND-198U1F, los mismos que en el caso anterior, el número de módulos es:
No. de módulos en paralelo = =8.09 8módulos
7.52 50.7
1.2× ≈
Es decir que en junio, el mes con mayor insolación, se necesitarían 5 módulos para proporcionar la potencia total de la casa, y en diciembre se necesitarían 8 módulos para el mismo fin aún cuando la energía diaria consumida es menor. Sin embargo en este caso se seleccionan 6 módulos ya que se desea que los paneles suministren 1000 W por casa de potencia pico y al ser cada panel de 198 W da un total de 1188 W de potencia pico por casa que al restarle las pérdidas del inversor y de los cables más el efecto de la temperatura da aproximadamente 1000 W que se entregan a la red. Esto quiere decir que en verano los paneles van a proporcionar mayor cantidad de energía que la consumida por la vivienda y los excedentes se volcarán a la red, y en invierno sólo se proporcionará una parte de la energía y la otra se consumirá de la red.
• Especificación del inversor
Para alimentar las cargas en C.A. se usa un inversor del que se debe especificar: voltaje en C.D., voltaje en C.A. y potencia en Watts. Los paneles solares generan en 24 V C.D. y el inversor debe convertir esta energía a 120 V C.A. para poder conectarse con la red.
VCD = 24 V
VCA = 120 V
Watts de los paneles en C.D. = 1188 W
Tomando una eficiencia del 90% (ver tabla 5.10):
Watts en C.A. = WattsenC.D.∗η=1188W ∗0.9=1069.2W
Para tener mayor confiabilidad en la instalación se instalarán dos inversores en paralelo. El inversor se diseña para satisfacer la potencia en C.D. De los paneles ya que toda la potencia que generen será utilizada ya sea por la casa o enviada a la red.
Se seleccionan dos inversores de 600 W Go Power! GP-SW600 W, de onda senoidal pura con un costo de $399.00 USD c/u.
Tabla 5.10 Especificaciones del inversor Go Power! GP-SW600 W
Especificaciones GP-SW600
Potencia continua de salida 600 W Potencia pico 860 W
Forma de onda de salida Onda senoidal <3% THD Voltaje de salida +-3% 115 VAC RMS
Frecuencia de salida +- 0.05% 50/60 Hz ajustable Voltaje de entrada 21.0 a 30.0 V DC Eficiencia 85 a 92%
Protección Sobrecarga, corto circuito, polaridad inversa (fusible), sobre/bajo voltaje, sobre temperatura Dimensiones (L x A x A) (295 x 180 x 72 mm)
• Efecto de la temperatura
La temperatura de trabajo que alcanza un panel FV obedece a una relación lineal dada por la expresión:
Tt = Ta + kRd
donde:
Tt es la temperatura de trabajo del panel
Ta es la máxima temperatura ambiente
Rd es el valor de la radiación en mW/cm2
K es un coeficiente que varía entre 0.2 y 0.4 ºC cm2/mW, dependiendo de la velocidad promedio del viento.
Cuando la velocidad del viento es muy baja, o inexistente, el enfriamiento del panel es pobre o nulo, y k toma valores cercanos o iguales al máximo (0.4). El valor de R varía entre 80 y 100 mW/cm2. Para zonas con alto valor de insolación diaria se usa el valor máximo. Si existen nubes pasajeras que reducen el valor de irradiación, el valor de R se reduce a 80mW/cm2.
El panel solar Sharp 198 W tiene un coeficiente de degradación la potencia de salida de 0.485%/ºC sobre los 25ºC.
El primer paso en el cálculo de la potencia de salida de un panel FV, trabajando a una temperatura mayor que los 25ºC, es determinar los valores de radiación solar y ambientales para la zona en que éste será usado. En El Florido, Baja California Norte, se tienen las siguientes condiciones: radiación solar a medio día: 100 mW/cm2; máxima temperatura de verano: 44ºC; buena velocidad promedia del viento durante esa estación: k=0.2.
Tt= 44 + (0.2 x 100) = 64ºC
El incremento en la temperatura de trabajo respecto a los 25ºC de diseño del panel es de 39ºC.
Con la expresión Pt=Pp−(Pp×δ× T)se calcula la potencia de salida a la temperatura de
trabajo donde:
Pt es la potencia de salida a la temperatura de trabajo.
Pp es la potencia pico del panel a 25ºC
δ es el coeficiente de degradación (0.485%/ºC)
T es el incremento de temperatura por sobre los 25ºC.
La potencia pico del panel seleccionado es de Pp = 198W, reemplazando los valores en la ecuación se tiene: W = ) ( = Pt 198− 198×0.00485×39 160.54
Esto significa que en un día caluroso de verano un panel FV de 198 W generará únicamente 160 W por el efecto de la temperatura en El Florido. Sin embargo esta no es una situación general, ya que la temperatura promedio anual es de 25.2ºC donde la temperatura máxima mensual promedio se presenta en el mes de agosto con 31.4ºC y es uno de los meses donde mayor cantidad de niebla y lluvia hay por lo que, haciendo los cálculos para el mes de agosto, tomando el valor de insolación de agosto como 6.3 kW/m2, se obtienen los siguientes valores: Tt= 31.4 + (0.2 x 63) = 44ºC T = 44ºC-25ºC = 19ºC W = ) ( = Pt 198− 198×0.00485×19 180
Es decir que los paneles de 198 W producirían sólo 180 W en promedio en el mes de agosto por efecto de la temperatura. De junio a octubre la temperatura sobrepasa los 25ºC siendo los meses más calurosos julio, agosto y septiembre que es donde habría mayor reducción de la capacidad de generación, sin embargo en los demás meses del año la temperatura promedio está por debajo de los 25 ºC lo que permite a los paneles funcionar a su capacidad nominal.
Con estos cálculos se observa que cuando la vivienda ecológica tiene instalados 6 paneles de 198 W que debiera sumar una potencia total de 1188 W generados, el efecto de temperatura provoca que esta potencia disminuya, la temperatura promedio del mes más caluroso es de 34°C por lo que los paneles generarán en promedio 180 W dando un total de 1080 W y si se le resta la eficiencia del inversor da un total de 972 W entregados a la red por casa.