[03 Clase] Dimensionamiento

8/3/2019 [03 Clase] Dimensionamiento

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Curso INSTALADOR DE SISTEMAS PARA SUMINISTRO DE ELECTRICIDAD POR ENERGÍA SOLAR 2010[Agosto-Diciembre] FUNDACION UOCRA

Instructor: Tec. Pablo Maril – 15-6276-2046 [email protected]

Cálculo por el “Método por Corriente”

de dimensionamiento para sistemas fotovoltaicos aislados.

En este método de cálculo, se utiliza como parámetro de elección de los módulos la corriente del

punto de máxima potencia [Ipmp] dada por el fabricante del módulo acorde a las condiciones

establecidas para determinar su potencia nominal: 1000 W m2; 25ºC de temperatura de celda y

1,5 MA (Masa de aire).

Paso 1: Demanda

Como primera medida determinaremos nuestra demanda energética. Recordemos siempre usar

en formato decimal (1 hora y 30 minutos = 1,5 horas; 15 minutos = 0,25 horas).

1. Iremos colocando en cada columna, en orden, el ambiente de uso, el artefacto, la potencia

nominal del mismo (podemos obtenerla de la placa o etiqueta que el fabricante nos

provee), la cantidad de artefactos iguales y las horas reales de utilización durante un día.2. Obtenemos el Subtotal multiplicando: [Potencia nominal x Cantidad x Horas de Uso]

3. Obtendremos el Total de Consumo [Cd] o Consumo diario mediante la suma de todos

los Subtotales.

4. Calculamos también la Demanda de potencia máxima simultánea o DPMS mediante el

siguiente cálculo:

1. Multiplicamos la potencia nominal de cada artefacto, por la cantidad de los mismos.

2. Sumamos todos los resultados.

Ambiente Artefacto Potencia

nominal [W]

Cantidad Horas de Uso

por día

Subtotal

[W.h/día]

Dormitorio Velador 15 2 1 30

Dormitorio Luz ambiente 30 1 3 90

Cocina Luz ambiente 15 1 3 45


Cocina Receptor de

radio

10 1 7 70

Taller Luz ambiente 30 2 3 180

Demanda de potencia

máxima simultánea [DPMS]160 W

Total de

consumo

[Cd]

430

Obtenemos así la Demanda de potencia máxima simultánea [DPMS] que suele utilizarse en

instalaciones domiciliarias para calcular un Factor de Simultaneidad [Fs] de los consumos, y poder

dimensionar así los conductores que acarrearán la corriente a los artefactos. En este caso,

podemos utilizarlo también para dimensionar rápidamente un inversor de corriente, si fuera

necesario.

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Paso 2: Horas Equivalentes [H]

Calculamos la radiación disponible en la zona en “Horas equivalentes”.

Para ello recurriremos a la “Tabla de datos meteorológicos de 118 localidades” donde

obtendremos el promedio diario para cada mes de radiación en la localidad elegida, para una

inclinación determinada (en nuestro caso: Latitud + 10º).

Localidad Radiación

[Mj/m2 día]

Radiación

[W/m2 día]

R

Latitud Angulo de

inclinación del

módulo.

Buenos Aires 11,2 3111 34º 35' 45º

Convertimos las unidades [Mj/m2 día] en [W/m2 día] al dividir en 3,6 y multiplicar por 1000:

11,2 x 1000 = 31113,6

Luego, convertimos los [W/m2 día] en “Horas Equivalentes” [H], dividiendo el resultado en 1000

W/m2.

Esto equivale a las horas de radiación a 1000 W/m2 que necesitaríamos para emular la curva de

insolación diaria.

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En el gráfico vemos en la curva roja la radiación

sobre el plano desde la salida del sol (a la izquierda

en el eje de las abscisas) hasta su puesta, (a la

derecha en el eje); y en el eje de ordenadas la

radiación en W/m2.

El rectángulo verde es el área equivalente de

radiación equivalente considerando un valor fijo de

1000 W/m2 ; en el caso de Buenos Aires es 3,3

horas [h]

Simplificando el cálculo:

11,2 = 3,1 [h] = H3,6

Paso 3: Número de módulos en serie

Es importante para este proceso de cálculo que se tomen solo módulos de 36 celdas, ya que el

sistema no detecta variaciones en la cantidad de celdas (variaciones en la tensión nominal). Es

recomendable utilizarlo para módulos de igual número de celdas y tecnología (mono o

policristalino).

Necesitaremos conocer la Tensión de Trabajo [Vt] del sistema para determinar la cantidad de

módulos en serie [Ns] que necesitaremos, para lo que deberemos conocer también la TensiónNominal [Vn] de los módulos que utilizaremos.

Ns =Vt

Vn

El resultado de esta cuenta será nuestra “serie”, que deberemos repetir acorde al cálculo.

Para un sistema con Vt = 24 V, y módulos con Vn = 12v

Ns =Vt

=24 V

= 2Vn 12 V

Acorde al cálculo nuestra “serie” estará conformada por 2 módulos de 12 V de tensión nominal.

Paso 4: Corriente diaria

Debemos calcular la Corriente Diaria [Id] necesaria para cubrir la demanda de potencia utilizando

la Vt y Cd calculada en el paso 1.

Id =

Cd

=

430 W

= 17,91AVt 24 V

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1000 W/m2.

Horas





Paso 5: Número de “Series” en paralelo [Np]

La siguiente fórmula utiliza los datos aportados por el fabricante sobre el módulo elegido, cómo

comentáramos, en este caso la Corriente en el Punto de Máxima Potencia [Ip].

Dentro del comportamiento del módulo se considera un “Factor de Seguridad” [Fs], que tiene en

cuenta el envejecimiento, la suciedad, alejamiento del punto de máxima potencia, efectos de la

temperatura. Un valor aceptables es Fs = 1,2.

Utilizando la tabla:

Np =(Fs x Id)

=(1,2 x 17,91 A)

=21,48 A

= 2,28 ≈ 2(H x Ip) (3,1 h x 3,03 A) 9,393 A

Elegiremos la Ip acorde a un número razonable de series.Por último debemos multiplicar la cantidad de módulos que conforman la “serie” por la cantidad de

series en paralelo para obtener la cantidad total de módulos que deberemos comprar:

Ns x Np = 2 x 2 = 4 módulos KS44TA.

Si el proyecto es pequeño, y deseamos utilizar un solo módulo en el generador (Np =1),

despejamos:

Np =Fs x Id

= > Ip =Fs x Id

=(1,2 x 17,91 A)

=21,49 A

= 6,93 AH x Ip H x Np (3,1 h x 1) 3,1

El módulo ideal para este caso tendría una Ipmax de 6,93 A, o la mas próxima a esta.

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Paso 6: Banco de acumuladores

Para calcular el banco de acumulación deberemos conocer algunos datos de la localidad, como el

promedio anual de días seguidos sin radiación, lo que nos dirá la autonomía que deberemos tener

(días sin luminosidad) [Da] y la tensión nominal a la que trabajaremos [Tn].

En este caso utilizaremos solo 12 v de tensión nominal de acumuladores. También debemos

respetar la profundidad de descarga recomendada por el fabricante [Pd], usualmente 70% (0,7).

Cb [Ah] =

Cd [W h / día]Da [días]

Tn [V]

Pd

Reemplazando:

Cb [Ah] =

430 [W h / día]5 [días] = 255,95

[Ah]12 [V]

0,7

Observemos que bajando los días de autonomía a 3 obtenemos el siguiente resultado:

Cb [Ah] =

430 [W h / día]3 [días] = 153,57

[Ah]12 [V]0,7

Es importante conocer las condiciones climáticas de la zona en la que se realiza la instalación, ya

que redundará en una mayor eficiencia y una alta cantidad de días de buen servicio.

En el primer caso (5 días de autonomía) podremos utilizar dos baterías de 6V/250 Ah en serie.

En el segundo caso (3 días de autonomía) podremos reducir la instalación con 1 batería de

12V/165 Ah.

Es importante realizar un análisis profundo de la instalación, probar distintas opciones y variables

para reducir los costos de los elementos.

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Diseño de un sistema híbrido (fotovoltaico eólico), método Universidad nacional del

Noroeste

Desgraciadamente, no tomaremos el potencial eólico de este trabajo, sino como referencial, ya

que no es aplicable al curso. (Ver apunte anexo)

El siguiente método fue extraído de un trabajo realizado por el departamento de Física de la

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura – UNNE.

El método es similar al utilizado anteriormente, pero utiliza algunas variables distintas. Para ser

mas claros en el cálculo, utilizaremos las mismas planillas que en el método simplificado.

Ambiente Artefacto Potencia

nominal [W]

Cantidad Horas de Uso Subtotal

[W.h/día]

Dormitorio Velador 152 1

30Dormitorio Luz ambiente 30 1 3 90



Cocina Receptor de

radio

10 1 7 70

Taller Luz ambiente 30 2 3 180

Demanda de potencia

máxima simultánea [DPMS]

160 W Total de

consumo

[Cd1]

430

Considerando el uso de un inversor de un rendimiento del 93% (0,93) el requerimiento diario se

eleva a 462,3 [W h / día]. ¿Cómo obtenemos este resultado?, Cd2 = Cd1 / 0,93.

Si consideramos una pérdida aceptable por línea de distribución del 3% (0,03) obtenemos Cd3 de

la siguiente manera: Cd3 = Cd2 x 1,03 = 476,17 W h/día.

Sistema fotovoltaico

Para determinar el número necesario de paneles utilizamos el siguiente cálculo:

NP =Fs x DM

(HPS x PFP)

Donde:

Fs: Factor de seguridad que considera el envejecimiento del panel, rendimientos, etc. = 1,2

DM: Demanda diaria de energía = E3 = 476 W h / día

HPS: Horas equivalentes de máxima radiación radiación. En el caso estudiado de salta son 4

hs/día. ¿Cómo obtengo la “Hora equivalente?. Son la cantidad de horas que el equipo recibirá una

radiación “equivalente” de 1000 W / m2. Para Buenos Aires es 3,3 (3305 [W/m2 día] /1000 [w / m2

día]

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PFP: Es la Potencia pico del panel elegido según su fabricante. Elegiremos uno de 60 Wp.

Localidad Radiación

[Mj/m2 día]

Radiación

[W/m2 día]

R

Latitud Angulo de

inclinación

del módulo.

Horas

equivalentes

Buenos Aires 11,9 3305 34º 35' 45º 3,3

La Quiaca 21,4 5944 22º 06' 32º 5,9

Ushuaia 4,5 1250 54º 48' 65º 1,2

Salta 13 3611 24º 54' 34º 3,6

NP =1,2 x 476 [Wh / día]

= 2,9(3,3 [h] x 60 [W])

Pondremos 3 paneles de 60 Wp.

Banco de Baterías

Para el N´de baterías se utiliza una ecuación similar.

NB =DM x TA

(ALM x CM)

NB: Número de baterías.

DM: Demanda diaria de energía = E3 = 476 W h / día

TA: Tiempo de autonomía del sistema.

ALM: Capacidad de almacenamiento de la batería en Watts hora. Elegiremos baterías de 165 Ah,

solo para este ejemplo, y una tensión nominal de 12 V, no da una potencia de (165 Ah x 12 V)

1980 W

CM: Profundidad de descarga recomendada por el fabricante. Mantendremos 0,7.

NB =476 [Wh / día] x 3 [días]

= 1(1980 [Wh] x 0,7)

Si utilizamos 5 días de autonomía, y baterías de 250 Ah y 6 V = 1500 Wh

NB = 476 [Wh / día] x 5 [días] = 2,26(1500 [Wh] x 0,7)

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