S o l u c i o n e s I n t e g r a l e s P a r a L a
Clase Magistral Diplomado en Energía Solar
Pasos para Dimensionar un
sistema solar fotovoltaico
aislado de la red (Off Grid)
Pasos para el dimensionamiento del sistema
Identificar el estado de las cubiertas, tejados, suelo, y otras superficies que no presenten averías.
Revisar que no existan obstáculos que puedan generar sombras en las superficies donde se va instalar el sistema.
Realizar prueba técnica de carga estructural o cargabilidad bajo estándares de la NSR -10.
Solicitar planos eléctricos (Diagramas unifilares) y de infraestructura del lugar (AS-Built).
Parámetros requeridos para la instalación
Identificación del potencial energético
Realizar la búsqueda de la radiación solar promedio del lugar con bases de data meteorológicas como (NASA,Meteonorm, Solargis,etc).
Determinar la demanda energética diaria de la carga (Residencial, comercial e industrial) en unidades de kWh.
Realizar el diseño de todo el sistema por medio de un software especializado como (PVsyst,PVsol, Sketchup, Helioscope, Homer Pro, Design Builder,etc).
Establecer la configuración del sistema
Off Grid con baterías, sistema de respaldo (Backup Planta Diesel, ACPM, Biomasa), fuente Híbrida Solar - Eólica (Aerogenerador), etc.
1
2
3
4 Realizar la conexión del sistema
Tener los instrumentos de medición eléctrica y de georreferenciación, hacer pruebas técnicas en las conexiones, llevar los
Términos Generales
Potencia Eléctrica
Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en Watt (Vatio) y se
representa con la letra “P”.
P= V*I [𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆
𝒔 ] 𝑾 [𝑽𝒐𝒍𝒕𝒊𝒐𝒔 ∗ 𝑨𝒎𝒑𝒆𝒓𝒊𝒐𝒔]
Energía Eléctrica
Cuantificación de la potencia eléctrica consumida por un aparato en una hora. Se mide en Wh.
E=P*t
Energía eléctrica (Wh)= Potencia(Vatios)*Tiempo (horas)
Cuadro de Cargas
El cuadro de cargas, es un resumen de la potencia de los dispositivos o elementos eléctricos en una instalación eléctrica.
El cuadro de cargas ofrece a quien esté interpretando el plano eléctrico, una visión clara amplia y rápida del circuito de la instalación eléctrica.
Creación del cuadro de cargas
CUADRO DE CARGAS DC – AC
Consumo Diario (Wh) – Vivienda Rural 2 habitaciones y 3 personas (2 adultos y 1 niño)
Aparato Cantidad Pot. Uni (W) Pot. Tot = Cantidad x Pot. Uni (W) Horas (h) Energía Diaria (Wh)
Televisión 1 140 140 5 700
Luminaria 12 30 360 5 1800
Horno eléctrico 1 1100 1100 0,5 550
Nevera 1 350 350 12 4200
Ventilador 1 350 350 8 2800
Bomba de agua 1 1400 1400 0,5 700
Plancha 1 700 700 1 700
Datos meteorológicos del lugar
Medellín - Antioquía
Coordenadas (6,217 / -75,567)
NASA: https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/
xxxxxxxxx
Mes Irradiancia
𝒌𝑾𝒉 𝒎𝟐 𝒅í𝒂
Enero 4.46
Febrero 4.72
Marzo 4.05
Abril 3.59
Mayo 3.64
Junio 3.63
Julio 3.81
Agosto 4.14
Septiembre 3.94 Octubre 4.06 Noviembre 4.16 Diciembre 4.24 Promedio 4.18
Horas Solares Pico (HSP)
𝐻𝑆𝑃 = 𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ( 𝑊ℎ 𝑚2 𝑑í𝑎) 1000 𝑊
𝑚2 𝑑í𝑎
Para este caso
𝐻𝑆𝑃 = 4,18 (
𝑘𝑊ℎ 𝑚2 𝑑í𝑎) 1 𝑘𝑊
𝑚2 𝑑í𝑎
= 4,18 → 4,2 HSP.
La hora solar pico es una unidad que mide la irradiación solar y se define como la energía por unidad de superficie que se recibiría con una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m².
Definir el rendimiento del sistema (PR)
ŋ = 𝑃𝑚𝑎𝑥 Ʌ𝑇 𝐼𝑠𝑐 Ʌ𝑇 ∗ 𝑉𝑜𝑐 Ʌ𝑇 Siendo
𝑃𝑚𝑎𝑥 Ʌ𝑇 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 25°𝐶 + 𝑃𝑚𝑎𝑥 25°𝐶 ∗ ϒ
100% ∗ Ʌ𝑇 𝐼𝑠𝑐 Ʌ𝑇 = 𝐼𝑠𝑐 25°𝐶 + 𝐼𝑠𝑐 25°𝐶 ∗ 𝛽
100% ∗ Ʌ𝑇 𝑉𝑜𝑐 Ʌ𝑇 = 𝑉𝑜𝑐 Ʌ𝑇 25°𝐶 + 𝑉𝑜𝑐 Ʌ𝑇 25°𝐶 ∗ 𝛼
100% ∗ Ʌ𝑇
Definir el rendimiento del sistema (PR)
ϒ = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝛽 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝐼𝑠𝑐 𝛼 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑉𝑜𝑐
Ʌ𝑇 = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑢𝑔𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑦 25°𝐶
Temperatura ambiente promedio en coordenadas 6,217, -75,567 es 27°C
𝑃𝑚𝑎𝑥 Ʌ𝑇 = 274,32𝑊 𝐼𝑠𝑐 Ʌ𝑇 = 9,11 A 𝑉𝑜𝑐 Ʌ𝑇 = 39,26 𝑉
Definir el rendimiento del sistema (PR)
ϒ 𝛽 𝛼
Definir el rendimiento del sistema (PR)
Así pues el rendimiento del sistema se determina a un 75%.
ŋ =
𝑃𝑚𝑎𝑥 Ʌ𝑇𝐼𝑠𝑐 Ʌ𝑇∗𝑉𝑜𝑐 Ʌ𝑇
=
274,32 𝑊9,11 𝐴 ∗39,26 𝑉
= 0,76 = 76%
Se introducen los datos anteriormente hallados en la ecuación de potencia en paneles
𝑃
𝑃= 𝐸
𝐷𝐻𝑆𝑃 ∗ 𝑃𝑅
Calcular la potencia en módulos FV
𝑃
𝑃= 11450𝑊ℎ/𝑑í𝑎 (0,76 ∗ 4,2 ℎ/𝑑𝑖𝑎)
𝑃
𝑃= 3634,92𝑊
La potencia pico para el sistema es de
3634,92Wp
Calcular la potencia en módulos FV
Condiciones de Prueba Estándar (STC=STANDARD TEST CONDITIONS), es la principal prueba de rendimiento de salida para un módulo fotovoltaico: temperatura de celda de 25°C y una irradiancia de 1000 W/m2, con un espectro de masa de aire 1.5 (AM1.5).
Temperatura de Operación Normal de la Celda (NOCT=NORMAL OPERATING CELL TEMPERATURE) es un estándar de prueba orientado a las condiciones operacionales de las celdas solares, asume una irradiancia de 800 W/m²,
temperatura ambiente de 20°C y velocidad del viento de 1 m/s con el módulo en un ángulo de inclinación de 45° y su
Calcular la potencia en módulos FV
Eagle Jinko 270W – P60 5BusBar
Pmp 270
Vmp 31,7
Imp 8,52
Voc 38,8
Isc 9,09
Calcular la potencia en módulos FV
El módulo solar que se está trabajando es de 270W y se acaba de calcular la potencia pico, entonces ya es posible determinar el total de módulos requeridos
𝑃1𝑚𝑜𝑑= 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜
#𝑚𝑜𝑑= 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠
#𝑚𝑜𝑑 = 𝑃𝑝 𝑃1𝑚𝑜𝑑
#𝑚𝑜𝑑 = 3634,92𝑊 270𝑊
#𝑚𝑜𝑑 = 13,46
Área a emplear m
2El siguiente paso es determinar el área que se va a ocupar con el arreglo de paneles fotovoltaicos:
𝐴
𝑡= Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐴
1𝑀𝑂𝐷= Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜
Como el área de un módulo es de aproximadamente 1.6368 m
2y el
sistema requiere 14 módulos, entonces:
Capacidad del sistema de almacenamiento
La tensión nominal del sistema fotovoltaico se determina por los parámetros eléctricos de entrada del regulador e inversor fotovoltaico.
Se puede emplear esta tabla de referencia de tensión del banco de baterías, de acuerdo a la Pp del arreglo de paneles fotovoltaicos.
REFERENCIA TIPO DE VOLTAJE DEL SISTEMA (Criterio del diseñador)
Potencia < 800 Wp 12V
Potencia 800Wp – 1600Wp 24V
Potencia 1600Wp – 3200Wp 48V
Potencia 3200Wp – 6400Wp > 48
Capacidad del sistema de almacenamiento
El consumo diario 𝐸𝐷 se traslada a unidades de 𝐴ℎ/𝑑í𝑎 usando 𝐿𝐷
𝐿
𝐷=
11450𝑊ℎ/𝑑í𝑎48𝑉
= 238,54 𝐴ℎ/𝑑í𝑎
𝐶
𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜=
𝐿𝐷∙𝐴𝜂𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟.𝜂𝑟𝑒𝑔𝑏𝑎𝑡∙𝑃𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝜂𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 𝐸𝐹𝐼𝐶𝐼𝐸𝑁𝐶𝐼𝐴 𝐷𝐸𝐿 𝐼𝑁𝑉𝐸𝑅𝑆𝑂𝑅 = 96% = 0,96
𝜂𝑟𝑒𝑔𝑏𝑎𝑡= 𝐸𝐹𝐼𝐶𝐼𝐸𝑁𝐶𝐼𝐴 𝐷𝐸𝐿 𝑅𝐸𝐺𝑈𝐿𝐴𝐷𝑂𝑅 𝐵𝐴𝑇𝐸𝑅𝐼𝐴 = 100% = 1 𝐶𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜 = 𝐶𝐴𝑃𝐴𝐶𝐼𝐷𝐴𝐷 𝐷𝐸𝐿 𝐵𝐴𝑁𝐶𝑂 𝐷𝐸 𝐵𝐴𝑇𝐸𝑅𝐼𝐴𝑆
𝐴 = 𝐷Í𝐴𝑆 𝐷𝐸 𝐴𝑈𝑇𝑂𝑁𝑂𝑀Í𝐴 = 1 𝐷Í𝐴 (𝐶𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑎𝑑𝑜𝑟) 𝐸𝐷 = 𝐸𝑁𝐸𝑅𝐺Í𝐴 𝐷𝐼𝐴𝑅𝐼𝐴 = 11.450 𝑊ℎ/𝑑í𝑎
Cuadro de cargas
Capacidad del sistema de almacenamiento
𝐶𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜 = 238,54𝐴ℎ/𝑑í𝑎∙1𝑑í𝑎 0,96∗1∗0,5
𝐶𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜 = 496,96𝐴𝐻 = 497𝐴𝐻 (Rack de batería o banco de baterías)
Capacidad del sistema de almacenamiento
Características
Vida útil de 7 años, no requiere mantenimiento y soporta pucos de
arranque de equipos inductivos.
AGM son las siglas de Absorbent Glass Mat. En estas baterías, el electrólito se
absorbe por capilaridad en una estera en fibra de vidrio situada entre las placas lo que permite soportar altas
temperaturas.
Capacidad del sistema de almacenamiento
CANTIDAD DE BATERIAS EN SERIE
#BATERIAS SERIE=Vsistema/Vbatería =48V/12V=4 BATERIAS EN SERIE
#BATERIASENPARALELO = CBANCO/CBATERIA=496,96AH/250AH=2
DOS PARALELOS DE 4 BATERIAS CONECTADAS EN SERIE
Total 8 baterías
Capacidad del sistema de almacenamiento
Diferencias en regulador de carga PWM y MPPT
Reguladores solares MPPT
El regulador solar MPPT es capaz de separar la tensión de funcionamiento del grupo de placas solares respecto de la tensión de la batería. Esto le permite situar la tensión de las placas solares en el punto óptimo para obtener la máxima potencia en cada momento. De ahí el nombre de “maximizador”.
•Un regulador solar MPPT es más costoso que un regulador solar PWM.
•Los reguladores solares MPPT son necesarios para placas solares de 60 células.
•En los reguladores solares MPPT no se puede superar la máxima tensión admisible por el regulador.
Diferencias en regulador de carga PWM y MPPT
Consiguen un rendimiento máximo del panel aprovechando en todo momento la potencia máxima disponible. Esto se debe a que el regulador con algoritmo de control MPPT aprovechan toda la intensidad generada por el panel, independientemente del voltaje.
Diferencias en regulador de carga PWM y MPPT
Reguladores solares PWM
La tensión de trabajo de las placas solares es la misma que la de la batería en todo momento.
•Los reguladores PWM son más económicos.
•Los reguladores PWM se utilizan con placas solares de 12V y 24V.
•En los reguladores PWM no se puede superar la máxima corriente admisible por el regulador.
•La corriente de carga es la misma que la corriente del generador fotovoltaico.
Diferencias en regulador de carga PWM y MPPT
Reguladores solares PWM
Diferencias en regulador de carga PWM y MPPT
Los reguladores MPPT se dimensionan dependiendo de la potencia fotovoltaica y la tensión en baterías, mientras que los reguladores PWM se dimensionan dependiendo intensidad máxima de placas y tensión de baterías.
Los reguladores PWM se averían al sobrepasar su intensidad nominal, mientras que el regulador MPPT se avería cuando se sobrepasa la tensión máxima de entrada fotovoltaica, por lo que son dispositivos que funcionan de forma muy diferente.
Los reguladores MPPT puede trabajar con paneles de 36 células, 72 células y paneles solares de conexión a red o paneles de 60 células, mientras que los Reguladores PWM sólo pueden trabajar con placas de 36 y 72 células, es decir módulos fotovoltaicos de 12V y 24V.
Regulador de carga MPPT
Regulador de carga MPPT
Arreglo de módulos fotovoltaicos
De acuerdo a los parámetros de eléctricos de entrada del regulador, se determina el conexionado de los módulos fotovoltaicos.
7 PARALELOS DE 2 PANELES SERIE
Características del Array
Imparray = Imppanel x #paralelo =17,04 A Vmparray = Vmppanel x #serie = 221,9 V
Características de un inversor
Esquema general de conexión del sistema fv
Esquema general de conexión del sistema fv
Esquema general de conexión del sistema fv
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