UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA DE INGENIERIA EN ENERGIA FACULTAD DE INGENIERIA TEMAS SELECTOS DE ENERGIA SOLAR

DIMENSIONAMIENTO DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS (FV)

Las celdas individuales se unen entre sí eléctricamente para formar módulos fotovoltaicos de mayor potencia. Estos a su vez se interconectan para formar paneles y arreglos cuyas capacidades se adaptan en términos de corriente y voltaje a las necesidades de la aplicación.

2. CONSTITUCION DEL SISTEMA FV

Sub sistema de almacenamiento

Sub sistema de regulación

Sub sistema de distribución y consumo

Aisladas de la red

Este tipo de instalaciones dan suministro eléctrico en regiones donde no se puede disponer de red eléctrica.

INSTALACIÓN BÁSICA CON DOS PANELES PARA CONSUMO A CORRIENTE CONTINUA A 24V

Consumo a 24V Corriente Continua

Interruptor General

Regulador a 24V

CONECTADO A LA RED ELECTRICA

3. Sistema Híbrido : Eólico-Solar

En sitios donde además del recurso solar existe buen viento, es posible también generar electricidad con este recurso. Para ello se utilizan aerogeneradores, las cuales pueden incorporarse a los sistemas fotovoltaicos para integrar lo que se llama un sistema híbrido eólico-solar. Estos sistemas híbridos ofrecen ventajas económicas sobre los sistemas puramente fotovoltaicos, ya que el costo de la electricidad producida con aerogeneradores es menor que el de la producida con paneles fotovoltaicos. Además, en algunos sitios el viento sopla cuando no hay sol, lo que reduce la necesidad de baterías y abarata el costo del sistema.

Radiación Solar

Energía Eólica

Utilización a 12 o 24 V

Utilización a 220 V

Acumulador o batería

Regulador de carga

Panel fotovoltaico

Inversor CC/CA

Aerogenerador

4. Métodos de Cálculo de Instalaciones FV

Método Simplificado Se establece el balance energético para el periodo más desfavorable y se determina el área de superficie fotovoltaica para la inclinación que la hace mínima de manera que la oferta iguale a la demanda en este periodo, quedando el sistema sobredimensionado durante el resto del año. Es necesario la disposición de capacidad de acumulación para poder suministrar energía durante los días nublados (autonomía).

Método de simulación y cálculo de la pérdida de carga El método consiste en determinar para unos valores dados de capacidad de baterías y de área de paneles, la fracción de la demanda energética que es necesario aportar mediante una fuente auxiliar como consecuencia de la pérdida de carga de la batería (LP). Se determinan los valores de área de paneles y capacidad de batería para los que la pérdida de carga quede por debajo de un determinado valor y se elegirá entre ellos la combinación que resulte más económica.

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

1. Area geográfica de estudio

Se trata de una pequeña casa de campo situada en la provincia del Santa, alejada de la red y que se quiere electrificar con energía solar. Posee un clima caluroso semiseco y está ubicado a 40 m.s.n.m., en las siguientes coordenadas:

• Latitud : 9° 7’ 22‘’ Sur • Longitud : 78° 30’ 42 ‘’ Oeste • Altitud : 40 m.s.n.m.

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

2. Análisis del recurso solar La estimación de la media mensual de la radiación solar diaria, ha sido elaborada teniendo en cuenta los días representativos del mes y se ha evaluado de manera teórica para diferentes pendientes o ángulos de inclinación.

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

3. Requerimiento

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

4. Cálculo del número de módulos fotovoltaicos

Cálculo del consumo diario total del receptor:

nominal TensiónidaPot.ConsumCDR =

diaAh58.169

V 12 Wh/día2035CDR ==

diaAh58.169CDR =

Cálculo de horas sol pico

0116.0*024.0*/ hsp 2mKJ=

415.40116.0*024.0*34.15859 hsp ==

4.4 hsp ≅

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada Cálculo de la corriente que genera al día un módulo solar

diaAh31.244.4x7.1Ihsp ==×

Cálculo del número de módulos en paralelo

Nº de paneles en paralelo = 43.524.31

58.169=

diaAh

diaAh

Nº de paneles en paralelo = 6

Número de módulos, asumiendo factor de seguridad 10%

1.158.16910%consumo ∗=+

Nº de paneles en paralelo = 97.524.31

54.186=

diaAh

diaAh

Nº de paneles en paralelo = 6

diaAh54.18610%consumo =+

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

5. Cálculo del número de acumuladores

Días de autonomía: 5 Profundidad de descarga: 60% Consumo: 186.54 Ah/día

0.6

5diasdiaAh24.186

Capacidad∗

=

Ah1552Capacidad =

Nº baterías = 65.024001552

=

Nº baterías = 1

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

6. Cálculo del número de reguladores

Producción máxima de todos los paneles: PMP

PMP = 6 * 7.10 = 42.6 A

Nº de reguladores = 13.220

6.42=

AA

Nº de reguladores = 3

Observamos que cada regulador tiene la capacidad de soportar la corriente de 2 paneles en paralelo (2x7.1=14.2 A), ya que la corriente que soportan es a lo más 20 A. Por lo tanto para 6 paneles fotovoltaicos es necesario tener 3 reguladores de este tipo.

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

7. Cálculo del inversor

Energía total de consumo: 2035 W-h/día.

Máxima potencia (W) : 257 W

EficienciasalidaEEntradaE .. =

díaWhEntradaE 89.2164

94.02035. ==

Como la tensión es de 12 V, la corriente absorbida será de: díaAh41.180

1289.2164

=

El inversor elegido es el correcto porque la corriente del mismo es mayor que la corriente de consumo del receptor (ICRD= 169.58 A). Además cubre la potencia de arranque de los equipos.

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

8. Cálculo de la sección del conductor

ba VVILS

−×××

=ρ2Donde:

S: sección en mm2. L: longitud en m. I: intensidad en Amp. Va – Vb: caída de tensión en Volt. (aprox 5% del valor nominal de

tensión) ρ: 0.01786 Ωmm2/m (conductor de cobre)

Estimamos que desde la estación de paneles hasta el regulador hay una distancia de 15 m y la corriente como máximo será = 2 módulos x 7.1= 14.2 Amp.

268.121205.0

2.141501786.02 mmS =×

×××=

Panel Fotovoltaico – Regulador (15m)

Regulador – Batería (2m)

Estimamos que desde la batería hasta el regulador hay una distancia de 2 m y la corriente como máximo será = 2 módulos x 7.1= 14.2 Amp.

269.11205.0

2.14201786.02 mmS =×

×××=

Ejemplo de cálculo de una vivienda aislada

Batería – Inversor (2m) Para un consumo máximo de 265 W la corriente máxima será: A00.24

1294.0265

=×

286.21205.0

24201786.02 mmS =×

×××=

Derivaciones (10m) La corriente será del equipo de mayor consumo (85W)

A1.71285

=

223.41205.0

1.71001786.02 mmS =×

×××=

Conclusión: Según lo calculado y homogenizando las secciones podríamos disponer de un conductor de 16mm2 de paneles a baterías; y para líneas generales de 6mm2

+ - + - + -

Imax= 20 A

R1 R2 R3

+ -Imax= 60 A

Esquema de Instalación

CARACTERISTICAS CONDUCTORES ELECTRICOS - INDECO

NORMAS DE FABRICACIÓN :ITINTEC 370.048(Calibre mm²) :UL-83 (Calibres AWG) :VDE 0250 (Calibres AWG) Tensión del servicio :600 voltios Temperatura de operación :60°C

DESCRIPCIÓN Conductores de cobre electrolítico recocido, sólido o cableado. Aislamiento de PVC USOS Aplicación general en instalaciones fijas; edificaciones, interior de locales con ambiente seco o húmedo, etc. Generalmente se instalan en tubos conduit. CARACTERÍSTICAS Alta resistencia dieléctrica, resistencia a la humedad, productos químicos y grasas, al calor hasta la temperatura de servicio, retardante a la llama.

EMBALAJE De 0,5 a 35 mm²: en rollos estándar de 100 metros. De 10 a 500mm² : en carretes de madera COLORES De 0,50 a 4mm²: Blanco, negro, rojo, azul, verde y amarillo Mayores a 4mm²: Solo en color negro CALIBRE : 0,5 - 500 mm² : 18 AWG -500MCM

ESPECIFICACIONES CONDUCTORES TW - mm²

CALIBRE CONDUCTOR N° HILOS

DIAMETRO HILO DIAMETRO CONDUCTOR ESPESOR AISLAMIENTO DIAMETRO EXTERIOR PESO AMPERAJE (*)

AIRE DUCTO

mm² mm mm mm mm Kg/Km A A

ALAMBRES

0,75 1 1,0 1,0 0,75 2,5 12 9 7

1 1 1,1 1,1 0,75 2,6 15 11 9

1,5 1 1,4 1,4 0,75 2,9 20 16 13

2,5 1 1,8 1,8 0,75 3,3 31 27 22

4 1 2,3 2,3 0,75 3,8 45 32 28

6 1 2,8 2,8 0,75 4,3 65 45 35

10 1 3,6 3,6 1,15 5,9 113 67 46

CABLES

2,5 7 0,67 2,0 0,75 3,5 32 27 22

4 7 0,85 2,6 0,75 4,1 48 32 28

6 7 1,04 3,1 0,75 4,6 69 45 35

10 7 1,35 4,1 1,50 6,4 121 67 46

16 7 1,70 5,1 1,50 7,1 193 90 62

25 7 2,14 6,4 1,50 8,4 290 120 80

35 7 2,52 7,6 1,50 9,6 390 150 100

50 19 1,78 8,9 1,50 12,9 535 185 125

70 19 2,14 10,7 2,00 14,7 745 230 150

95 19 2,52 12,6 2,00 16,6 1005 275 180

120 37 2,03 14,2 2,40 19,0 1280 320 210

150 37 2,25 15,8 2,40 20,6 1546 375 240

185 37 2,52 17,6 2,40 22,4 1911 430 275

240 61 2,25 20,3 2,40 25,1 2464 480 320

300 61 2,52 22,7 2,80 28,3 3106 575 355

400 61 2,85 25,7 2,80 31,3 3922 670 410

500 61 3,20 28,8 2,80 34,4 4891 780 460