SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÓNOMOS SFA

Instalaciones Fotovoltaicas

Sistemas Fotovoltaicos Autónomos(Leocadio Hontoria)

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

AUTÓNOMOS

SFA



Índice1. Introducción

1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA

1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado Red SFCR

1.3. Analogías y Diferencias

1.4. Clasificación de los SFA

3. Métodos de Dimensionado

3.1. Clasificación

3.2. Métodos Intuitivos

3.3. Métodos Analíticos

3.4. Métodos Numéricos

2. Definiciones

2.1. Capacidad del Generador CA

2.2. Capacidad del Sistema de Acumulación CS

2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga

2.4. Curvas LLP

4. Dimensionado SFA



1. Introducción



Sistema de Generación

Regulador

Sistema Acumulación

Carga (LCC)Consumo

SFA 1. Sólo Consumo en Continua





SFA 2. Consumo en Continua y Alterna


Regulador


Carga (LCC)

Carga (LCA)Inversor



1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado a Red SFCR

SFCR


InversorRed Eléctrica Convencional




Analogías Diferencias

Regulador Sistema Acumulación Inversor

1.3. Analogías y Diferencias

Filosofía de Dimensionado

SFA: Cubrir una demanda de consumo. Fiabilidad en el servicio.

SFCR: Producción de Energía.



1.4. Clasificaciones de los SFA•Según Aplicación:

•I. Electrificación Rural

•II. Productos de Consumo

•III. Aplicaciones Industriales

•Según Usos Sistema Acumulación:

•I. SFA sin Batería (PV-direct)

•II. SFA con Batería

•III. SFA Híbrido





2. Definiciones



Sistema de Generación.

Sistema de Acumulación (Baterías)

Sistema de Regulación (Regulador)

Sistema de Acondicionamiento de Potencia (Inversor)

Otros Elementos (Estructuras, cableado, cargas,..)


Regulador


Carga (LCC)

Carga (LCA)Inversor



2.1. Capacidad del Generador Normalizada al Consumo

Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y la energía consumida por la carga.

2.2. Capacidad del Acumulador Normalizada al Consumo

Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la energía consumida por la carga

CS

CA



2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga

El mérito de un SFA se mide en términos de la fiabilidad con que suministra energía eléctrica a la carga

¿Cómo se cuantifica la fiabilidad?

Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP)

Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo de funcionamiento de una instalación

LLP = Déficit de energía

Demanda de energía



2.4. Curvas LLP* Es posible encontrar diferentes pares de valores CA-CS que conducen al mismo valor de LLP

* A mayor tamaño del sistema fotovoltaico mayor es su coste, mayor su fiabilidad y menor su LLP

(CS,CA) = (8, 0.61)Generador “Pequeño”Acumulador “Grande”(CS,CA) = (2, 1.1)

Generador “Grande”Acumulador “Pequeño”

LOLP 0.01

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cs

CA

LLP

CS

CA



3. Métodos de Dimensionado



3.1. Clasificaciones de los Métodos de Dimensionado

•Según Seguidor Punto de Máxima Potencia (MMP):

•I. Con Seguidor MMP

•II. Sin Seguidor MMP

•Según Relación CA-CS-LLP:

•I. Intuitivos

•II. Numéricos

•III. Analíticos



Según Relación CA, CS y LLP* Métodos Intuitivos

•No establecen relación entre CA, CS y LLP

•Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el mes crítico o la energía producida en media anual, exceda a la consumida por la carga en un determinado factor de seguridad

* Métodos Numéricos

•Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación

* Métodos Analíticos

•La forma de las líneas isofiables sugiere la posibilidad de

describirlas analíticamente

•Presentan ecuaciones para describir las líneas isofiables



3.2. Métodos Intuitivos

•No establecen relación entre CA, CS y LLP

•Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el mes peor, exceda a la consumida por la carga en un factor de seguridad

Por Ejemplo CA = FS1 CS = FS2

FS1 y FS2 factores arbitrarios

En España

FS1 / FS2 Aplicación

Doméstica Telecomunicación

Norte de España 1.2 / 5 1.3 / 8

Sur de España 1.1 / 4 1.2 / 6



3.3. Métodos Numéricos

•Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación

Ventajas

Son muy precisos

Posibilitan refinamientos, incorporando modelos más completos para los diferentes elementos del sistema

Permiten analizar aspectos adicionales al dimensionado

Inconvenientes

Necesitan de largas secuencias de radiación para la simulación

Largo tiempo de cálculo



3.4. Métodos Analíticos

•Relación entre CA, CS y LLP mediante ecuaciones

Autores: Barra, Bartoli, Macomber, Gordon, Bucciarelli

Método del Instituto de Energía Solar (IES)

CA = f CS-u

f = f1 + f2 log (LLP)

u = exp(u1 + u2 LLP)



4. Pasos en el Dimensionado



Pasos en el Dimensionado

1. Estimación del Consumo

2. Dimensionado Sistema de Generación (Generador Fotovoltaico)

3. Dimensionado Sistema de Acumulación (Baterías)

4. Dimensionado Sistema de Regulación (Regulador)

5. Dimensionado Sistema de Acondicionamiento de Corriente (Inversor)

6. Dimensionado del Cableado



DefinicionesExpresiones

Paso 1 Estimación del Consumo



Consumo Medio Diario Consumo eléctrico medio en un día cualquieraSímbolo Lmd Unidad Wh / día

Paso 1. Estimación del Consumo Definiciones

Consumo Medio Mensual Media mensual del anterior(Se considera igual al anterior)

Consumo Total AnualProducto del Consumo Medio Diario por el número de días de consumo a lo largo de un añoSímbolo LT Unidad Wh

Consumo Medio AnualMedia anual del anteriorSi el consumo medio diario es constante a lo largo del año, coincidirá con éste Símbolo Lma Unidad Wh / día



Consumo DC LmdDC = P(DC)i ·tdi

Consumo AC LmdAC = P(AC)i ·tdi

Lmd,DC : Energía consumida en DC (Wh/dia)LmdAC : Energía consumida en AC (Wh/dia)P(D,C)i : Potencia Nominal Elemento DC i (W) P(AC)i : Potencia Nominal Elemento AC i (W) tdi :Tiempo diario de uso (h)

Lmd : Consumo Medio Diario(Wh/día)BAT : Rendimiento de la bateríaINV : Rendimiento del inversorCON : Factor Rendimiento Conductores

Consumo Medio Diario [Lmd (Wh /dia)]

Consumo Total Anual [LT (Wh)]

Consumo Medio Anual [Lma (Wh /dia)]

Nd : Número días

LT = Lmd * Nd

Lma = LT / Nd

Paso 1. Estimación del Consumo Expresiones

CONBAT

INV

ACmdDCmd

md

LL

L

,,



Dimensionado GeneradorPosición Óptima de Módulos

Criterio 1. Criterio del Mes Crítico

Criterio 2. Criterio Máxima Captación

Energética Anual



Posición Óptima Módulos. Criterio Mes CríticoA. Orientación SUR ( = 0)B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada (Gd (kWh/m2))

Gd Global (kWh/m2) Mes 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º

Ene 1,385 1,514 1,584 1,625 1,636 1,617 1,569 Feb 2,036 2,139 2,176 2,176 2,139 2,066 1,960 Mar 3,062 3,104 3,078 3,004 2,882 2,718 2,516 Abr 4,040 4,041 3,970 3,837 3,647 3,405 3,119 May 4,121 4,109 4,024 3,872 3,658 3,387 3,069 Jun 4,743 4,702 4,587 4,399 4,143 3,828 3,464 Jul 4,558 4,526 4,421 4,244 4,002 3,701 3,352

Ago 4,071 4,075 4,005 3,870 3,674 3,423 3,126 Sep 3,571 3,584 3,530 3,421 3,260 3,053 2,806 Oct 2,374 2,467 2,492 2,474 2,415 2,316 2,180 Nov 1,624 1,744 1,803 1,829 1,823 1,785 1,716 Dic 1,205 1,342 1,422 1,476 1,501 1,499 1,467



C. Consumo Medio Mensual (= Consumo Diario Medio Lmd)D. Relación Consumo / Radiación

D1. Tomar el Máximo Cociente para cada ángulo (Mes Crítico)D2. Seleccionar de todos los máximos el Menor.

Lmd / Gd Mes 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º

Ene 2166 1982 1894 1846 1834 1855 1912

Feb 1473 1403 1379 1379 1403 1452 1531

Mar 980 966 975 999 1041 1104 1192

Abr 743 742 756 782 823 881 962

May 728 730 746 775 820 886 978

Jun 633 638 654 682 724 784 866

Jul 658 663 679 707 750 811 895

Ago 737 736 749 775 817 876 960

Sep 840 837 850 877 920 983 1069

Oct 1264 1216 1204 1213 1242 1295 1376

Nov 1847 1720 1664 1640 1646 1681 1748

Dic 2490 2235 2110 2033 1999 2001 2045



Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética

A. Orientación SUR ( = 0)B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada (Gd (kWh/m2))

MEDIA ANUAL

Media Anual

Gd Global (kWh/m2)

0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º

3.066 3.112 3.091 3.019 2.898 2.733 2.529



Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética

C. Consumo Medio Anual (Lma)

D. Relación Consumo / Radiación Seleccionar de todos los máximos el Menor.

Media Anual

Lma / Gd

0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º

979 964 971 994 1035 1098 1186



Dimensionado GeneradorCálculo del Número de Paneles

Método 1. Funcionamiento Punto de Máxima Potencia

Método 2. Amperios Hora

Método 3. Curvas Isofiables




Método 1 Funcionamiento Punto

Máxima Potencia



Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia Definiciones

NT :Número Total de módulos a instalarNS: Número de módulos en SerieNP: Número de módulos en ParaleloNT = NS x NP

PMPP,TC: Potencia Pico del Módulo en STC (Wp/kW/m2)PG: Factor Global de Funcionamiento del Generador (0.65-0.9)

•Generador FV trabaja en el punto de máxima potencia•Incluir un factor global de funcionamiento (PG o PR)



Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia Expresiones

Lmdc : Consumo Medio Diario Mes Crítico (Wh /día)PMPP,STC : Potencia Pico del Módulo (Wp/kW/m2)Gd : Radiación global sup. inclinada (kWh /m2)PG : Factor Global de Funcionamiento

NS : Número de paneles serieVBAT : Tensión Nominal de la Batería (V)VMPP,STC : Tensión Nominal Módulo (max. potencia (V))

NP : Número de paneles paralelo

NS = VBAT / VMPP,STC

NP = NT / NS

NT = Lmdc / (PMPP·Gd·PG)




Método 2 Amperios-Hora



Método 2. Amperios Hora Definiciones

IMOD,MPP,STC: Corriente nominal del módulo (A)QAh: Consumo Medio Anual (Ah /día)IGFV,MPP,STC: Corriente total del generador FV (A)

NT :Número Total de módulos a instalarNS: Número de módulos en SerieNp: Número de módulos en Paralelo

•Generador FV NO trabaja en el punto de máxima potencia•Generador FV trabaja punto de tensión impuesto por BAT•Corriente de trabajo aprox. corriente ISC



Método 2. Amperios Hora Expresiones

NS = VBAT / VMOD,MPP

NT = NP * NS

Np = IGFV,MPP,STC / IMOD,MPP,STC

QAh = Lmd / VBAT

QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)Lmd: Consumo Medio Diario (Wh /día)VBAT: Tensión Nominal de la Batería (V)

IGFV,MPP,STC = QAh / Gd

IGFV,MPP,STC : Corriente total del Generador FV (A)Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)




Método 3 Curvas Isofiables



Método 3. Curvas Isofiables Definiciones

Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP)

Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo de funcionamiento de una instalación

Capacidad del Generador

Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y la energía consumida por la carga.

Capacidad del Acumulador

Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la energía consumida por la carga



Método 3. Curvas Isofiables Expresiones

CA = IGEN,MPP· Gd /QAh

CA : Capacidad del generador (normalizada al consumo)QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)IGEN,MPP : Corriente total del Generador FV (A)Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)

C´A = IGEN,MPP· Gd (0) /QAh

C’A : Capacidad del generador (normalizada al consumoen plano horizontal)QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)Im,GEN : Corriente total del Generador FV (A)Gd(0): Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)

CS = Cn· PDmax / Lma

Cs : Capacidad del acumulador (normalizada al consumo)Cn : Capacidad del acumuladorPDmax : Profundidad de descarga máxima



Método 3. Curvas Isofiables Expresiones

LLP = Déficit de energía

Demanda de energía

LLP: Probabilidad de Pérdida de Carga

CA = (Gd /Gd(0)) ·(f·Cs-u)

f = f1 + f2 log (LLP) u = u1 + u2 · LLP



* Definiciones

* Expresiones

Paso 3 Dimensionado




Profundidad de Descarga Máxima (PD,max)nivel máximo de descarga que se le permite a la batería

Profundidad de Descarga Máxima Diaria (PD,max,d)nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo diario

Profundidad de Descarga Máxima Estacional (PD,max,e)nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo estacional

Días de Autonomía (N)número de días consecutivos que, en ausencia de sol, el sistema de acumulación es capaz de atender el consumo

Capacidad de la Batería (Wh ó Ah)cantidad de energía que debe ser capaz de almacenar la bateríaAl igual que la Profundidad de Descarga Máxima existen dos capacidades: diaria y estacional

Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación. Definiciones



Cnd : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria)Cne : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria)Lma : Consumo Medio Anual (Wh) (o utilicar Lmd)N: Número de días de autonomíaPDmax,d : Profundidad de Descarga Máxima DiariaPDmax,e : Profundidad de Descarga Máxima EstacionalVBAT : Tensión Nominal de la Batería (V)FCT : Factor de Corrección por Temperatura

Cnd (Wh) = Lma / (PDmax,d·FCT) Cne (Wh) = (Lma · N) / PDmax,e·FCT)

Cnd (Ah) = Cnd (Wh) / VBat Cne (Ah) = Cne (Wh) / VBat

Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación. Expresiones



* Definiciones

* Expresiones

Paso 4 Dimensionado

Sistema Regulación



Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación. Definiciones

Corriente Máxima Circulando por la InstalaciónMáxima corriente entre la que

produce el generador y la que consume la carga

Corriente EntradaCorriente procedente del Generador FV

(Entra al Regulador)

Corriente SalidaCorriente consumida en la carga

(Sale del Regulador)



Ientrada = IGFV,SC = 1,25·IMOD,SC · Np

IGFV;SC : Corriente de cortocircuito (SC) del Generador FV (A)IMOD,SC : Corriente de cortocircuito del módulo (A)Np : Número de ramas Paralelo del Generador

IR = máx (IGFV,SC, IC)

IC : Corriente que consume la Carga (A)PDC : Potencia de las cargas en DC (W)PAC : Potencia de las cargas en AC (W)VBAT : Tensión nominal de la Batería

Isalida = IC = 1,25·(PDC + PAC / INV) / VBAT

Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación. Expresiones



Paso 5. Dimensionado Sistema de Acondicionamiento de Potencia

Características de un convertidor DC - AC•Potencia Nominal (kW)•Tensión Nominal de Entrada (V)•Tensión Nominal de Salida (V)•Frecuencia de operación (Hz)•Rendimiento (%)

Paso 6. Dimensionado del cableado

Pérdidas óhmicas•Verificar las normas electrotécnicas de baja tensión•La pérdida de energía debe ser menor que una cantidad prefijada

Pinv 1,2 · PAC



Bibliografía

E. Lorenzo. Electricidad Solar.UPM. 1994.

Mariano Sidrach. Sistemas fotovoltaicos autónomos: métodos convencionales de dimensionamientoPublicaciones CIEMAT. 2001.

M. Alonso.Sistemas Fotovoltaicos.SAPT Publicaciones Técnicas. 2001.

L. Hontoria, J. Aguilera, F.J. MuñozDimensionado de Sistemas Fotovoltaicos AutónomosPublicaciones CIEMAT. 2008.

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