Calculo de un Sistema Fotovoltaico Autonomo V 2.pdf

Cálculo de un Sistema Fotovoltaico Autónomo En primer lugar se debe introducir un concepto fundamental, el de las “Horas de So l Pico” o HPS [horas]. Se puede definir como el número de horas en que disponemos de una hipotética irradiancia solar solar constante de 1.000 W/m2. Es decir, una hora solar pico “HPS” equivale a 1kWh/m2 o, lo que e s lo mismo, 3.6 MJ/m2. Dicho Dicho en otras palabras, es un modo de con tabilizar tabilizar la energía en ergía recibida del sol agrupándola en p aquetes, aquetes, siendo que cada “paquete” de 1 hora rec ibe 1.000 watts/m2. watts/m2. En este punto, hay que hacer un apun te importante: Irradiancia: Es la magnitud que describe la radiación o intensidad de iluminación solar que llega hasta nosotros medida como una potencia instantánea por unidad de superficie, W/m2 o unidades equivalentes.

Irradiación: Es la cantidad de irradiancia recibida en un lapso de tiempo determinado, es decir, la potencia recibida por unidad de tiempo y por unidad de superficie. Se suele medir en Wh/m2 o, en caso de un día, en Wh/m2/día o unidades equivalentes.

Para calcular entonces el valor de HPS se debe dividir el valor de la irradiación incidente entre el valor d e la potencia de irradiancia en condiciones estándar de medida (STC), pues es en esas condiciones donde se cumplen las características eléctricas de los módulos fotovoltaicos. Ese valor valor de d e irradiancia en condiciones estándar de medida es de 1.000 Watts/m2. Es decir, si se dispone de los datos de irradiación solar de u n determinado día y se divide entre 1.000, se obtienen las HSP. Por ejemplo, si tenemos una irradiación de 4.500 Wh/m2/día, para pasarla a HSP , se divide entre 1.000W /m2, con con lo que obtenemos 4.5 HPS. Los pasos a seguir siempre p ara dimensionar el sistema fotovoltaico autónomo son siempre: 1- Estimación Estimación del consumo. Aquí siempre siempre es fundamental los los datos aportados por el consumidor, y deben ser ser siempre lo más realistas posibles para evitar desviaciones en el d imensionamiento. imensionamiento. Si la instalación se rea lizara para una vivienda vivienda de de uso diario todo el año, se escogerá el valor medio d e todo el año. Si la instalación se realizara para el u so ocasional, por ejemplo en verano, hay que escoger los valores de los meses de verano. Datos de la Secretaría de En ergía: http://energia3.mecon.gov.ar/contenidos/verpagina.php?idpagina=2853 Ar tefa ct o Acondicionador 2200 frigorías/h Aspiradora Cafetera Computadora Laptop Estufa de cuarzo (2 velas) Extractor de Aire Freezer Freidora Heladera Heladera con Freezer Horno Eléctrico Horno de Microondas Lámpara Dicroica Lámpara Fluorescente Compacta 7 w Lámpara Fluorescente Compacta 11 w Lámpara Fluorescente Compacta 15 w Lámpara Fluorescente Compacta 20 w Lámpara Fluorescente Compacta 23 w Lámpara Incandescente 40 w

Potencia (en (en Watt) Consumo (en KWh) 1350 1,013 750 0,675 900 0,720 300 0,300 65 0,065 1200 1,200 25 0,025 180 0,090 2000 1 150 0,063 195 0,098 1300 1,040 800 0,640 23 0,023 7 0,007 11 0,011 15 0,015 20 0,020 23 0,023 40 0,040

José León Suarez 1275, (C1408FNY), C.A.B.A., Argentina produccionpopular.com.ar / produccionpopular.com.ar / [email protected]

Lámpara Incandescente 60 w Lámpara Incandescente 100 w Lavarropas Automático Lavarropas Automático con calentamiento de agua Lavarropas Semiautomático Licuadora Lustraspiradora Minicomponente Multiprocesadora Plancha Purificador de Aire Radiador Eléctrico Reproductor de Video Televisor Color 14” Televisor Color 20” Termotanque Tubo Fluorescente Tubo Fluorescente Turbo Calefactor (2000 calorías) Turbo Ventilador Secador de Cabello Secarropas Centrífugo Ventilador Ventilador de Techo Videograbadora

60 100 520 2520 200 300 750 60 500 1000 110 1200 100 50 70 3000 40 30 2400 100 500 240 90 60 100

0,060 0,100 0,182 0,882 0,080 0,300 0,675 0,060 0,400 0,600 0,110 0,960 0,100 0,050 0,070 0,900 0,050 0,040 2,400 0,100 0,400 0,192 0,090 0,060 0,100

2- Datos del lugar donde se realizará la instalación para saber la irradiación de la qu e dispon dremos. 3- Dimensionado d el generador fo tovoltaico (número de paneles necesarios). 4- Dimensionad o del sistema de acumulació n (número de baterías). Para el dimensionado del sistema d e acumulación es muy importante tener en cuenta los días de autonomía que se van a otorgar a la instalación, pa ra proyectos domésticos se suelen tomar entre 3 y 5 d ías de autonomía, 6 o 7 días en caso de tratarse de zon as con baja irradiación donde pueden producirse periodos de varios días en condiciones de poca luz. Para sistemas remotos suelen tomarse 7 y 10 días de autonomía. Para este caso vamos a tomar 3 días.

5- Dimensionado del regulador. 6- Dimensionado del inverso r . Una vez definidos los pasos, exponemos el método d e cálculo con un ejemplo típico. Suponemos un consumo para una vivienda con uso diario durante todo el año, como po r ejemplo: Unidades

Carga

Potenci a Unitari a (Watt)

Horas de func . al día

Total Energía necesaria (Wh)

Total Energía necesaria (Wh) x Margen Seguridad 20%

5

Lámparas (DC)

15

5

375

450

1

Heladera + freezer (AC)

195

10

1.950

2.340

2

Vent. Techo (AC)

60

10

1.200

1.440

Aparato (AC)

300

1,5

450

540

3.975

4.770

1

TOTAL =

José León Suarez 1275, (C1408FNY), C.A.B.A., Argentina produccionpopular.com.ar / [email protected]

Para el cálculo de los consumos medios diarios (L md) consideramos la siguiente expresión: L md = L md,DC + L md,AC / n inv = 450+(4.320/0.9) = 5.526 Wh/día n bat *n con 0.95*1 Siendo (L md) el consumo medio de energía diario, (L md,DC) el consumo medio de energía diario de las cargas en continua y (L md,AC) el de las cargas en alterna. O bien, si lo queremos expresar como el consumo de energía medio en Ah/día: Q Ah = L md / VBAT = 5.526 / 24 = 230 Ah/día Como era de esperar, el consumo medio diario real es ligeramen te superior al nominal, pues como se mencionaba, hemos tomado en cuenta las pérdidas que se pueden producir en algunos de los elementos de la instalación y el margen de seguridad del 20%. Como dato adicional, podríamos calcular el consumo total anual (LT) y medio anual (Lma): LT = Lmd * 365 d ías = 2.017.000 Wh/año Lma = LT/365 = 5.526 Wh/día (En este caso coincide con el medio diario, pues el con sumo que se ha estimado es constante todo el año, no sucedería así si hubiera variaciones de consumos estacionales) Una vez calculado el consumo, buscamos los datos de radiación solar global en Buenos Aires, localización de la vivienda, utilizando, por ejemplo el software RTScreen 4, que se puede obtener en: http://www.retscreen.net/es/home.php


Una vez hechas los cálculos tenemos la “Tabla de Radiaciones” (Wh/m2/dia) para la instalación horizontal y a 60° luego calculamos a partir de la tabla de radiaciones, la “Tabla de Cocientes” Consumo / Radiación que es la que se muestra a continuación. Datos para Capital y GBA (Aeroparque) : Modo de rastreo solar

Fijado

Inclinación

60,0

Azimut

5.526

180,0

Consumo/ radiación

Radiación solar diaria horizontal

Radiación solar diaria inclinado 60°

kWh/m²/d

kWh/m²/d

Enero

7,05

4,87

783,83

Febrero

6,09

4,87

907,39

Marzo

4,94

4,78

1.118,62

Abril

3,64

4,41

1.518,13

Mayo

2,75

4,17

2.009,45

Junio

2,22

3,72

2.489,19

Julio

2,46

3,96

2.246,34

Agosto

3,32

4,46

1.664,46

Setiembre

4,54

4,82

1.217,18

Octubre

5,35

4,54

1.032,90

Noviembre

6,44

4,64

858,07

Diciembre

6,97

4,66

792,83

Anu al

4,64

4,49

1.190,84

Mes

Un criterio de diseño puede ser elegir el mayor valor de todo s los cocientes, pues se corresponderán con el momento del año donde la relación entre el consumo de en ergía y la irradiación disponible será mayor, con lo que habrá que asegurar el suministro de energ ía sobre todo en ese momento aunque eso implique un sobredimensionamiento. En nuestro caso preferimos dimensionar para el prom edio de los meses de enero y diciembre o sea 7 kWh/m²/d Procedemos ahora con el cálculo del número to tal de módulos necesarios: NT = L md,crit / PMPP * HPScrit * PR = 5.526 / 90*7*0.9 = 10 La explicación de esta ecuación e s simple, necesitamos saber cuántos paneles nece sitamos para gene rar la energía que demanda nuestro sistema cada día, así que dividimos esa energía entre la que genera c ada panel, pues la energía diaria que puede darnos cada panel se obtiene de la ecuación: EP = PMPP * HPScrit * PR = 567 W Así pues, necesitaríamos un total de 10 paneles para cubrir las necesidades del sistema, aunque este número podría cambiar. Siendo, (L mdcrit ) el consumo medio diario mensual para el mes crítico, “Tabla de Consu mos”, (en este caso, es siempre el mismo 5.526 wh/dia, pues consideramos el con sumo diario constante todo el año )


(PMPP) la potencia pico del módulo en condiciones estándar de medida STC, en este caso, estamos utilizando como ejemplo el modelo KS90T- 24 del fabricante Solartec, con 90 watts de potencia pico en STC. (HPScrit ) son las horas de sol pico del mes promedio calculado a pa rtir de la “Tabla de Radiaciones”, es decir: Irradiación del mes promedio / 1000 W/m2 = 7 HPS (PR) el factor global de funcionamiento que varía entre 0.65 y 0.90. Usaremos 0.90 por de fecto. Respecto a la conexión de los módulos calculados en serie o paralelo, teniendo en cuenta que el KS90T24 de Solartec tiene una V max=35,6 Volt., hacemos: Nserie = Vbat / VmodPP = 24 / 35,6 = 0,67 =1 Nparalelo = NT / Nserie = 10 / 1 = 10 Así pues, conectaríamos 10 ramas en paralelo con un panel por rama. Pasamos ahora al cálculo de las baterías recordando que los dos parámetros importantes para el dimensionado de la batería son la máxima profundidad de descarga (estacional y diaria) y el número de d ías de autonomía. Como norma gene ral, tomaremos estos parámetros: Profund idad de Descarga Máxima Estacional (PDmax,e) = 70% = 0,7 Profund idad de Descarga Máxima Diaria (PDmax,d) = 25% = 0,25 Número de días de Au tonom ía (N) = 3 Calculamos entonces ahora la capacidad nominal necesaria de las baterías en función de la profundidad de descarga estacional y diaria. La mayor de ellas será la que seleccionemos, pues de lo contrario podríamos incurrir en una insuficiencia estacional o diaria. Capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima diaria (Cnd): Cnd(Wh) = L md / PDmax,d * F CT = 5.526 / (0.25 * 1) = 22.104 Wh Cnd(Ah) = Cnd(Wh) / VBAT = 22.104 / 24 = 921 Ah La explicación de las dos e cuaciones es sencilla, necesitamos generar una energía diaria L md con nuestras baterías pero permitiendo solamente un 25% de descarga máxima diaria y suponiendo un Factor de correción de Temperatura (FCT = 1). Una vez sabida la energía en Wh de la batería, simplemente dividimos entre la tensión de la misma (24V en este caso) y ya tenemos la capacidad mínima que necesitamos para nuestro sistema de acumulación en función de la descarga máxima diaria. Capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima estacional (Cne): Cne (Wh) = L md * N / P Dmax,e * FCT = 5.526 * 3 / (0.7 * 1) = 23.683 Wh Cne (Ah) = Cne (Wh) / VBAT = 23.683 / 24 = 987 Ah La explicación es similar a la anterior, necesitamos generar una energía diaria L md con nuestras baterías pero que podamos disponer de ella durante 3 días sin sol, sin p ermitir una descarga mayor del 70% y suponiendo un Factor de correción de Temperatura (FCT = 1). Una vez sabida la ene rgía en Wh de la batería, simplemente dividimos entre la tensión de la misma (24V en este caso) y ya tenemos la capacidad mínima que necesitamos para nuestro sistema de acumulación en fu nción de los días de autonomía. Así pues escogeríamos la mayor, es decir la capacidad nominal de las baterías sería, como mínimo, C100 = 987 Ah Si por ejemplo usamos baterías solares Trojan T-105 6V de 225 Ah y ciclo profundo, 4 grupos de 4 baterías en serie darán una capacidad de 900 Ah Procedemos ahora al cálculo del regulador , para ello debemos calcular cual es la máxima corriente que debe soportar el regulador, a su en trada pero también a su salida.


Para calcular la corriente de entrada al regulador hacemos el p roducto corriente de cortocircuito de un módu lo, en este caso la del KS90T-24 de Solartec es de Isc = 2 .82 Amp., y multiplicamos por el número de las ramas (la corriente de cada rama en p aralelo será aproximadamente la misma) en p aralelo calculado anteriormente: Ientrada = 1.25 * IMOD,SC * 10 = 35.25 A Siendo, (IMOD,SC) la corriente unitaria del módulo fotovoltaico en condiciones de cortocircuito, en este caso, p ara el KS90T-24, es de Isc = 2.82 Amp. Se usa la corriente de cortocircuito para el cálculo de la co rriente de entrada al regulador por que será la má xima corriente que podría ser generada por el módulo fotovoltaico y ha de ser esa la que tengamos en cuenta para evitar pérdidas de rendimiento. (NP) el número de ramas en paralelo, en e ste caso, 10. 1,25 es un factor de seguridad para evitar daños oc asionales al regulador. Para el cálculo de la corriente de salida hemos de valorar las potencias de las cargas DC y las cargas AC: Isalida = 1.25 * (PDC + P AC / ninv ) = 1.25 (75 + (195+120+300)/0.95) = 38 A VBAT 24 Siendo, (PDC), po tencia de las cargas en continua. (P AC), po tencia de las cargas en alterna. (n inv ), rendimiento del inversor, en torno a 90-95%. Así pues, el regulador debería soportar una corriente, como mínimo de 35 Amp. a su entrada y 38 Amp. a su salida. Por último, para el cálculo del inversor , únicamente hemos de calcular la suma de las po tencias de las cargas de alterna. En nuestro caso, serían de 615 W y aplicar un margen de seguridad del 20%. Así pues: Pinv = 1.2 * 615 = 738 W Así pues, será necesario un inversor de 738 W aproximadamente. Ahora bien, debemos tener en cuenta algo importante a la hora de seleccionar nuestro inversor. Muchos de los electrodomésticos y aparatos con motor utilizados tienen “picos de arranque”, como las heladeras, aire acondicionado, etc., lo qu e supone que para su arranque van a demandar mayor potencia que la nominal, en oc asiones hasta 4 o 5 veces más de la potencia nominal prevista. Es por esta razón que, para evitar problemas y deficiencias en el correcto funcionamiento de nuestra instalación, es recomendable hacer u n sobredimensionamiento que contemple los picos de arranque: Pinv = 1.2 * P AC (arranqu e) = 1.2 * ((195+120)*4+300) = 1.872 W

Es decir, nuestro inversor debería cubrir, al menos, 1.872W de demanda pico para tener bien cubiertas las necesidades de la vivienda, incluso los picos de demanda por arranque de los motores. Por último, para seleccionar nuestro inversor, sabemos que en el mercado podemos encontrar inversores de onda seno idal pur a (PWM) y de onda senoidal modificada (MSW). La recomendación es utilizar, siempre que sea posible, los de onda senoidal pura pue s aunque son algo más caros, nos evitarán más de un problema que nos podrían ocasionar los de onda mod ificada con aparatos con motores. Los inversores de onda senoidal pura modificada (PWM) pueden a limentar a la mayoría de e lectrodomésticos actuales, sin embargo, pueden ocasionarnos problemas con apa ratos con cargas inductivas, como son los motores. Los inversores de onda senoidal pura (PWM), “imitan” la forma de onda que d e la red eléctrica y en consecuencia es la mejor opción la a limentar los equipos eléctricos y electrónicos actuales.


Esta ha sido, de un modo general, la explicación de qué e s una instalación fotovoltacia autónoma, qué elementos la componen y cómo se realiza un cálculo típico. Bibliografía: José A. Alonso Lorenzo ( [email protected]) Ingeniero Técnico Industrial por la EUP de Ferrol. Sistemas Fotovoltaicos, Miguel Alonso Abella. Era S olar. Instalaciones Solares Fotovoltaicas, Enrique Alcor. Progensa. Energía Solar Fotovoltaica, Miguel Pareja Aparicio. Mancorbo. Sistemas Fotovoltaicos Autónomos, Leocadio Hontoria García. CIEMAT. C. Rus, F.J. Muñoz, L. H ontoria et al. Instalaciones Fotovoltaicas (Cap. 2. R adiación Solar) Recopil ador : Alberto Anesini Ing. - IPP 5/1/2014


ANEXO I: Cálculo de costos estimados (s/IVA) (s/M.Obra) de un Sistema Fotovoltaico Autónomo Para el caso del texto Total: u$s 9.198.Componente

u$s

Módulos FV de 90 W tipo KS90T- 24 (x10)

3.720

Soporte

300

Caño

100

Regulador de carga 40 A

100

Batería Solar Trojan T-105 6V (x16)

4.600

Sistema de puesta a tierra

60

Inversor CC/CA 750W (1.900 Wp ico)

212

Varios

100

Notas: En el caso de conexión a red el conjunto regulador, inversor y baterías es reemplazado por un inversor para conexión a red que tiene un costo similar a los elementos que reemplaza. El medidor es diferente pero se entiende su costo a cargo de la empresa de electricidad. Datos de precios estimados obtenidos de Internet sin negociación por volumen de compras


ANEXO II: Comparación de costos por kW generado para una casa con moto generador diésel/nafta vs. paneles fotovoltaicos. Consumos: Tomemos en cuenta el caso de l texto como consumo eléctrico básico necesario para el funcionamiento de una casa y tomando un margen del 20% para estar cómodo s calculamos 6 kWh por día. En 365 días se estarían consumiendo 2.000 kWh o sea 2MWh por año por domicilio. El costo de un sistema fotovoltaico que genere aproximadamente esta energía (con IVA y MO) es estimado en u$s 11.000 donde las baterías que tienen un costo de u$ s 4.600 tienen una vida útil de 10 año s y el resto de los componentes duran 25 años. O sea que en 25 años se habrán generado 50MWh con un costo de u$ s 11.000 + 10.000 = u$s 21.000 que dividido en los kW generados da u$s 0 .00042 po r kWh. El costo de un moto-generador naftero de 1.5 KVA de buena m arca es de u$s 770 y tendrá una vida útil de 3.000 hs., cada hora consumirá 1,25 l de nafta de u$ s 1,35 o sea que en su vida útil g enerará hasta 4.500 kWh a un costo de u$s 770+(3.000*1,35) = u$s 4.820 o sea a un costo de u$s1.07 po r kWh más el costo de contaminación atmosférica y ruido. No existen moto-generadores diésel de baja po tencia, supongamos el caso de un equipo que alimente varios domicilios con una po tencia de 10 KVA, tiene un costo de u$s 5.500 y tendrá una vida ú til de 6.000 hs., cada hora consumirá 2.5 l de diésel a u$ s 1,17 o sea que generará hasta 60.000 kWh a un costo de u$ s 5.500+(6.000*1,17) = u$s 0.21 po r kWh más los costos de contaminación. Mantenimiento: un sistema fotovoltaico no tiene c asi mantenimiento y requiere solo una atención periódica sobre las baterías, los moto-generadores son como u n automóvil que requieren atención, au n cuando se hallen parados. No estamos considerando en esta comparación costos de mantenimiento . Conclusión: el moto-generador puede resultar útil para un uso esporád ico y de corta duración (emergencias), cuando la falta de energía es frecuente y por periodo s largos la energía fotovoltaica es lo recomendable, aprovechándola como ahorro para un uso cuasi-permanente, aun cuando se disponga de energía fósil, actualmente en CABA el kWh tiene un valor de u$s 0,056 sin subs idio y de u$s 0.0065 con su bsidio.


ANEXO III: ¿Y si reorientamos el subsidio? Debo aclarar que lo que sigue no es tan lineal como lo explico, pero se puede usar como objetivo para instrumentar las políticas necesarias. En todos los casos es insoslayable aplicar criterios de u so racional de la energía para bajar el con sumo desmesurado En 2013 el Estado destinó aprox. 120.000 millones de $ a subsidios de transporte y energía. Se estima que 40.000 millones de $ equivalentes a unos u$s 6.000 millones, se destinaron a quienes no lo justifican por situación económica-social o geográfica. En un grosero supuesto de que esos recursos se destinaran totalmente a instalar sistemas de los propu estos en el texto, bajo un esquema de subsidiar un 50% d el sistema y otorgar un crédito blando al usuario para que devuelva el otro 50% con lo que se ahorra de energía, se podrían instalar unos 550.000 sistemas en un año, Si suponemos que el 30 % del total de hog ares en todo el país (unos 3.000.000) tienen las condiciones necesarias para instalarlos, y que se cubrirían en unos 5 años y medio. Esto equivaldría a una generación de 6 millones de MWh po r año de energía eléctrica en forma distribuida (no requiere transporte ni distribución de energía) que significa un 5% de la energía total generada y produciendo una gran cantidad de empleo sustentable entre muchos de los humildes excluidos que nos preocupan y ahorros importantes de divisas y de con taminación. Sistemas de Agua caliente sanitaria . Respecto al agua caliente sanitaria hay una solución similar con calefones solares, que según la zona y la irradiación disponible pueden ahorrar hasta un 70% de la en ergía que se utiliza para calentar agua (para baño y cocina) con energía tradicional y con un costo entre $8.000 a 10.000. Esta es una solución especialmente práctica para aquellos lugares donde no hay gas natural y hay sol d isponible, pero ayuda mucho en casi todo el país.

Alberto Anesini Ing. - IPP 5/1/2014


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