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CURSO DE DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

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CURSO DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Elaborado por: Alex Maguiña Macedo Macedo

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INDICE

A. Sección General 1. Objetivos 2. Alcances 3. Nomenclatura y glosario de términos 4. Principios de Energías Renovables.

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B. Sección Especifica 1. Energía Fotovoltaica. 2. Tipos de Sistemas Fotovoltaicos. 3. Tipos de componentes de los Sistemas Fotovoltaicos. 4. Dimensionamiento de sistemas aislados: PWM y MPPT. 5. Dimensionamiento de sistemas interconectados. 6. Pruebas en sistemas aislados.

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A. Sección General 1. Objetivos El presente curso tiene la finalidad de orientar a los asistentes sobre la realidad de las energías renovables en Perú y de modo especifico los tipos de sistemas fotovoltaicos existentes en Perú y el contexto estatal y privado que requiere de este tipo de sistemas. 2. Alcances Dentro del curso se abarcara la teoría y práctica del funcionamiento de los componentes principales de los sistemas fotovoltaicos, mediciones de generación de energía fotovoltaica, carga y descarga de las baterías y funcionamiento de los inversores. 3. Nomenclatura y glosario de términos V I P P AC PDC E ED Cbat PD / DOD Rad L E R PR

Tensión nominal Intensidad nominal Potencia Potencia cargas en AC Potencia cargas en DC Energía Consumo de energía diario Capacidad de la batería Profundidad de descarga diaria Irradiación solar Vida útil Eficiencia de conversión Ratio de rendimiento Factor de pérdidas

[V] [A] [W] [W] [W] [Wh] [Wh] [Ah] [%] [kW/m2] [años] [%] [%] [%]

4. Principios de Energías Renovables. 4.1 ¿Qué son las energías renovables? Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.


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4.2 ¿Qué es la energía solar? La energía solar es la fuente fundamental para producir todas las variantes de uso de energía en el mundo.

4.3 ¿Cuánta energía tiene el sol? La luminosidad solar es la energía emitida por el sol por unidad de tiempo, siendo esto: 3,65 x 10²³ kW. La constante solar es la energía recibida por unidad de tiempo y unidad de superficie, en la tierra esto como máximo es: 1366 W/m². De la energía solar recibida: 47% se transforma en calor, 29% se refleja, 23% se usa en el ciclo hidrológico, 0,98% movimientos oceánico y 0,02% fotosíntesis.

4.4 Aprovechamiento directo de la Energía Solar La energía solar se aprovecha de modo directo de los siguientes modos: Solar Termica, Solar Fotovoltaica y Solar Domestica:


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B. Sección Especifica 1. Energía Fotovoltaica. La energía producida por un Sistemas Fotovoltaicos (SFV) es una fuente de energía eléctrica en la cual se capta la incidencia de fotones en la superficie del panel mediante las celdas fotovoltaicas.

Esta energía es transmitida por los conductores hacia un controlador de carga o algunos tipos de inversores. Ventajas de los SFV Utilizan una energía gratuita y renovable No producen polución ni contaminación ambiental No requieren el uso de combustibles, aminorando gastos en suministro, transporte y almacenamiento de los mismos. No producen contaminación sonora (silenciosa) Bajo mantenimiento Permite aumentar la potencia instalada mediante la incorporación de nuevos módulos. (Es modular).   

  

Desventajas de los SFV Los rendimientos del sistema aún son bajos, básicamente por las bajas eficiencias de las células solares (15 – 20 %). Altos costos iniciales, al no ser un producto masivo aun. Dependencia de factores externos como condiciones climáticas. 

 

2. Tipos de Sistemas Fotovoltaicos. 2.1 Sistema aislado (off-grid) Los sistemas off-grid se desarrollan en zonas alejadas donde no se cuenta con energía convencional, este sistema debe abastecer principalmente la demanda diaria de energía Elaborado por: Alex Maguiña Macedo

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requerida por los usuarios. La demanda puede ser en corriente alterna y en corriente continua y sus componentes son los siguientes:

2.2 Sistemas Híbridos En los sistemas híbridos se cuenta con 2 fuentes de energía que pueden funcionar una después de otra o al mismo tiempo dependiendo del diseño y dimensionamiento realizado.

2.3 Sistemas interconectados (on-grid) Los sistemas interconectados son aquellos que necesitan una red eléctrica existente a donde conectarse para inyectar energía directamente al consumo.


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2.4 Sistema de Bombeo Solar Su uso es diverso en aplicaciones agrícolas y de agua potable, la energía captada por el panel se inyecta a un controlador de bomba que controla la bomba solar.

3. Tipos de componentes de los Sistemas Fotovoltaicos. 3.1 Módulo Fotovoltaico Los Módulos Fotovoltaicos o Paneles Solares producen electricidad a partir de la luz que incide en ellos a través del efecto fotoeléctrico y pueden clasificarse por el material de la celda fotovoltaica que lo conforma. Según las celdas fotovoltaicas pueden ser: CRISTALINAS: Se puede componer de secciones de cristal de silicio en el caso de los Monocristalinos y de pequeñas partículas cristalizadas en los Policristalinos. AMORFAS: Son aquellas donde el silicio no se ha cristalizados. Los paneles solares más usados son los cristalinos, variando la elección entre Monocristalino y Policristalino por su eficiencia, valores de voltaje y corriente del sistema, dimensiones, etc. Características: •

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3.2 Controlador de Carga El controlador de carga o regulador electrónico se encarga de administrar la energía •


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generada por el panel y protección automática de la batería. El regulador debe proteger contra sobrecargas o sobre descarga, contra cortocircuito, sobretensiones y batería baja de modo que la batería tenga un mayor tiempo de vida. El controlador debe tener señales luminosas y/o sonoras, estas deben indicar la capacidad de la batería, estado de carga, corriente de entrada, alarmas, etc. Los controladores de carga pueden ser de tipo PWM o MPPT, según esta clasificación existe una gran gama de marcas que cumplen lo requerido en R.D. Nº 003-2007-EM/DGE----R.D. Nº 203-2015-MEM/DGE. Los controladores de carga tipo MPPT tienen mayor eficiencia que los de tipo PWM, y para cada uno de ellos existe un método de dimensionamiento. PWM

MPPT

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Características: PWM


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MPPT


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3.3 Batería •

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En el sistema fotovoltaico la unidad de almacenamiento conformado por una o varias baterías definen el voltaje del sistema que vamos a diseñar. Las baterías tiene un voltaje variable que depende de su estado de carga, su condición de trabajo o su tiempo de almacenamiento. Y tienen un voltaje nominal que puede ser 2V, 6V, 12V o 48V en corriente directa. Las baterías pueden clasificarse por la composición química interna que poseen; siendo las maso conocidas y usadas del mercado las baterías de tipo ACIDO, tipo GEL o Gelificadas, cristalizadas, OPz, Litio, y sus demás variantes. La selección de la batería se dará de acuerdo al presupuesto, tiempo de vida y tipo de uso que tendrán.

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Curvas características

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Calores de capacidad y energía por voltaje final de la celda


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3.4 Inversor de Corriente Los inversores de corriente son equipos electrónicos que tienen la entrada de corriente continua y la salida en corriente alterna para el uso directo de los equipo s domésticos o industriales del usuario. La característica principal de estos componentes es la potencia, esta debe ser mayor a la potencia total de la carga instalada. Estos inversores pueden separarse en dos grupos: Inversores de corriente para sistemas aislados son aquellos que transforman la energía de las baterías para producir la corriente alterna que será usada por el usuario. Inversores de corriente para sistemas interconectados son aquellos que transforman la energía de los paneles directamente, estos inversores deben tener que acoplarse a la red eléctrica existente en la vivienda pudiendo ser monofásico o trifásico. Tipos de inversores: Inversor de corriente DC/AC Estos inversores cumplen solo la función de invertir la corriente continua en corriente alterna monofásica, la potencia del inversor debe ser superior a la potencia de la carga instalada. Si se tiene una carga trifásica como motores o bombas es posible generar una red alterna trifásica uniendo 3 inversores del mismo tamaño y enlazando mediante algún medio de comunicación. •

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Inversor Cargador Estos inversores aparte de tener una entrada de corriente continua y una salida de corriente alterna poseen una o varias entradas de corriente alterna. Esta entrada adicional cumple la función de ingresar energía hacia el sistema abasteciendo de a la carga y haciendo que el Inversor/Cargador cumpla la función de cargador dando energía hacia las baterías. Este tipo de inversores poseen funciones de comunicación y monitoreo remoto, son programables y se pueden colocar en paralelo o realizar conexión trifásica.

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Inversor de Interconexión Estos inversores tienen una entrada de corriente continua y la salida se debe conectan a una red existente a donde se inyecta la energía, De acuerdo a la gama del inversor puede contar con comunicación para monitoreo remoto y de acuerdo a la potencia se puede seleccionar en monofásicos o trifásicos.

4. Dimensionamiento de sistemas aislados: PWM y MPPT. Paso 1: Para dimensionar un sistema fotovoltaico es necesario saber primero cual es la demanda de energía diaria que se necesita, para ello debemos tener llenar los valores del siguiente cuadro: INFORMACIÓN DE CONSUMO DIARIO campamento ITEM

DESCRIPCION

Voltaje

CANTIDAD

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Laptops Lamparas Radio TV pastorales o reflectores computadoras

220 VAC 12 VDC 220 VAC 220 VAC 220 VAC 220 VAC

4 45 2 2 4 2


POTENCIA (WATTS AC)

HORAS USO (HORAS/DIA)

DIAS USO (DIA/SEMANA)

70.0 15.0 40.0 120.0 70.0 368.0

8.0 10.0 8.0 3.0 8.0 2.0

6 7 7 7 7 6

2,240.00 Wh/dia 6,750.00 Wh/dia 640.00 Wh/dia 720.00 Wh/dia 2,240.00 Wh/dia 1,472.00 Wh/dia

Sub T ota l

14,062. 00 Wh/dia

Wh/día

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Paso 2: Conociendo la cantidad de energía requerida debemos conocer la radiación solar existente en el sitio donde se instalara el SFV, para ellos recurrimos a encontrar las coordenadas geográficas del sitio ingresando a Google Maps.

Paso 3: Teniendo las coordenadas del sitio de ubicación ingresamos al siguiente enlace de búsqueda de la NASA y colocamos los valores de latitud y longitud en el buscador: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi

Paso 4: Una vez ingresado seleccionamos la opción de mínima radiación


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Aparecerán los valores de radiación a diferentes ángulos de inclinación:

Seleccionamos como valores de referencia los que tengan el ángulo más cercano a la Latitud del punto donde se instalara el SFV, en este caso: Minimum Radiation Incident On An Equator-pointed Tilted Surface (kWh/m2/day) Annual Average Tilt 12 4.59 4.63 4.71 5.21 5.65 4.6 5.34 5.82 6.01 5.35 5.72 5.19 5.24 Jan

Feb

Mar Apr

May Jun Jul

Aug Sep

Oct

Nov Dec

A estas condiciones debemos elegir el mes de peor radiación para garantizar que en los meses siguientes de mayor radiación el sistema funcione correctamente, este valor es 4.59 kWh/m2/day. La condiciones estándar de medida CEM: 1000 W / m2, AM 1,5 y 25°C. Definimos a estas condiciones las Horas Sol Pico por día a dicha radiacion:

ℎ 2  = =     1000 2   = 4.59ℎ = 4.59     

4.59

Paso 5: 5.1 Para PWM Definimos un voltaje de sistema para PWM 12Vdc o 24Vdc y calculamos la capacidad necesaria requerida: Demanda 1400 kWh/día 1400 kWh/día V sistema 12V 24V demanda Ah 116.66 Ah 58.33 Ah 2 paneles de 36 celdas o 1 Paneles en serie 1 panel de 36 celdas panel de 72 celdas


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Para calcular la cantidad de paneles en paralelo debemos aplicar la siguiente formula:  (ℎ) # = (1 + . . )   Considerando un panel Yilgli de 145wp que tengan Intensidad de máxima potencia 7.99A. demanda Ah Factor de exceso f.e. HSP # P paralelo

116.66 Ah 3% 4.59 h 3.27~4

58.33 Ah 3% 4.59 h 1.64~2

Se necesitaría en el primer caso 4 panels de 145wp en un arreglo de 1 en serie y 4 en paralelo, o 4 paneles de 145 wp con un arreglo de 2 en serie y 2 en paralelo. Conocido esto la selección del controlador de carga será verificando la máxima corriente del arreglo: # P paralelo 3.27~4 1.64~2 I max 4x7.99 = 31.96A 2x7.99 = 17.98A Controlador de 20Ah o de Controlador PWM No es muy comercial 30Ah. 5.2 Para MPPT La potencia del arreglo de paneles se encuentra aplicando la siguiente formula:  (ℎ/í)  =        Donde la Eficiencia y Factor de derateo son 0.9. Demanda 1400 kWh/día Radiación 4.59 Potencia a instalar 376 wp ~ 3 paneles de 145wp El controlador de carga se seleccionara para el caso de MPPT considerando las características de Tensión máxima, Corriente máxima y Potencia máxima, para esto se usara la tabla en Excel de seleccionables. Controlador de Carga MPPT 75/10 MPPT 75/15 MPPT 100/15 MPPT 100/30 MPPT 100/50 MPPT 150/35 MPPT 150/45 MPPT 150/60 MPPT 150/70 MPPT 150/85 OTRO


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Cumple NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE Cumple a 12V NO CUMPLE

NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE Cumple a 24V NO CUMPLE Cumple a 24V Cumple a 24V Cumple a 24V Cumple a 24V NO CUMPLE

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NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE Cumple a 48V Cumple a 48V Cumple a 48V Cumple a 48V Cumple a 48V NO CUMPLE

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Paso 6: Para el cálculo de la capacidad del banco de baterías se tiene que aplicar la siguiente formula:

í   =

    í ( ℎ)(%)    (ℎ)

Y la distribución de las baterías se ve de acuerdo al voltaje de sistema que tengamos y al tipo de controlador disponible. Paso 7: La selección del inversor de corriente es considerando un 25% mas de la potencia de maxima demanda del sistema a dimensionar. 5. Dimensionamiento de sistemas interconectados. Se realizara utilizando el aplicativo entregable. 6. Pruebas en sistemas aislados. Se realizara a lo largo de todo el desarrollo de curso


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