Dimensionamiento Garage Lab

[Energía Solar Fotovoltaica]

TallerENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

[Julio 2013]

Instructor: Tec. Pablo Maril15-6276-2046

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@pmaril

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Página 1 [@pmaril] [Taller ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA - GarageLab]


El Sol: Fuente de energía El Sol es la principal fuente de energía. Alrededor de él giran todos los planetas de nuestro sistema. En su núcleo se producen poderosas fusiones nucleares, que liberan una gran cantidad de energía. Estaenergía viaja en forma de radiación electromagnética hasta llegar a la tierra.

La energía irradiada por el sol en todas direcciones es:400.000. 000. 000. 000. 000. 000. 000 = 4x1023 Watts

Y la que recibe la tierra:Esta inmensa energía, viaja hacía todas las direcciones del universo, donde sólo una ínfima parte de ella escaptada por la Tierra, tardando solamente 8 minutos en recorrer los 150 millones de kilómetros que hayentre el Sol y la Tierra hasta llegar al exterior de la atmósfera de nuestro planeta, incidiendo con unaintensidad constante de 1353 W/m2, llamada constante solar. La porción de energía que llega a la Tierra es de : 170. 000. 000. 000. 000. 000. = 17x1016 Watts

Dicho valor es :- 141 millones de veces más grande que la Central Hidroeléctrica del Chocón o 38 millones de veces másque la Central Hidroeléctrica de Yacíreta. - 130.000 veces más que la potencia de todas las centrales eléctricas de la Tierra trabajando juntas.

Este valor (1353 W/m2 ) es conocido como IRRADIACIA, y la unidad mas común es la de W/m2. Podríamosdecir que es la POTENCIA (recordemos el término) que tiene la luz solar en una superficie de 1m2 , laINTENSIDAD de la luz solar, se calcula que en la superficie terrestre se reciben 1000 W/m2 perdiendo partede su intensidad al atravesar la atmósfera.

Podemos conocer los valores estimados y calculados a través del link de NASA's Applied Science Programin the Science Mission Directorate developed by POWER: Prediction of Worldwide Energy Resource Project:http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/sse.cgi?+s01#s01

Estos valores son conocidos como IRRADIACION o INSOLACION y se corresponden con la ENERGIA(Potencia x unidad de tiempo = Wh) por unidad de superficie. La unidad mas común es el kWh/m2.

¿Cómo utilizamos estos valores?

Para "dimensionar" o proyectar cualquier instalación fotovoltaica necesitamos, en principio, conocer:- Nuestra DEMANDA, o consumo energético.- Nuestro RECURSO, o irradiación en el sitio de emplazamiento de la instalación.- El tamaño y características del SISTEMA FV.

Empecemos con la DEMANDA.

Para conocer nuestra demanda, se cual fuere, debemos realizar una sencilla investigación de los artefactosque debemos alimentar, su POTENCIA y la cantidad de horas de utilización de los mismos, con lo queobtendremos la ENERGIA necesaria.

Ambiente Artefacto Potencianominal [W] Cantidad Potencia x

CantidadHoras de Uso / día

[h/día]Subtotal[Wh/día]

Cocina Receptor deradio 10 1 10 7 70

Taller Luz ambiente 30 2 60 3 180Demanda de potencia máxima simultánea [DPMS]

∑ Potencia x Cantidad 70 W Total de consumo [Cd1] 250

Esta tabla es un ejemplo, pero sirve para conocer los datos mas importantes sobre la DEMANDA enPOTENCIA Y ENERGIA.

El resultado de la sumatoria en la columna de "Potencia x Cantidad" nos brinda la información necesariapara elegir los cables, los elementos de seguridad, y algunos sistemas que podríamos necesitar comoinversores, por ejemplo.En este caso, son 70W.

Por último obtenemos la sumatoria del subtotal de la energía consumida diariamente por nuestro equipo oinstalación, para el ejemplo 250 Wh/día.



Sistemas fotovoltaicosAntes de seguir avanzando, miremos un poco los componentes de un Sistema Fotovoltaico [FV]asincrónico, como el que estaremos dimensionando.

La Celda o Célula FotovoltaicaRecordamos la denominación de escala para los componentes del generador fotovoltaico, y nos iremosconcentrando en cada uno de ellos:

Vemos en principio las celdas(cell), que conectadas en series yparalelos forman el módulo opanel (module or panel), conestos módulos o paneles creamosuna fila, serie, cuerda o cadena(PV String) y varias de estasseries, cuerdas o cadenas formanel arreglo (Array).

Un módulo fotovoltaico,generalmente, está compuestopor grupos de celdas fotovoltaicasen serie y paralelo, con lafinalidad de llegar a una tensión ycorriente utilizable.

Nuestro GENERADOR estará compuesto por uno o mas módulos FV.

El Regulador de CargaEl trabajo que hace el regulador de carga es MUY IMPORTANTE, ya que monitorea constantemente elestado de carga de la batería, y actúa en consecuencia, protegiéndola de descargas profundas,sobrecargas, y que realiza varias tareas de mantenimiento preventivas (dependiendo del tipo de equipo)que harán que el banco de baterías dure mucho mas tiempo.

Visualizaciónde CargaVisualizaciónde estado de CargaVisualizaciónde estado deConsumo

El Banco de BateríasNuestro sistemas básico es ASINCRONICO, con esto queremos decir que durante el día acumulamosenergía en baterías, y durante la noche consumimos esa energía.

Para que este proceso se pueda llevar a cabo, contamos con las baterías.Esta tecnología lleva ya muchos años entre nosotros, y manejamos concomodidad.

En Sistemas FV utilizamos baterías de CICLO PROFUNDO o SOLARES,que soportan descargas del 70% de su capacidad sin sufrir daños.

Dependiendo de la aplicación, se consiguen en 12V, 6V y 2V.



Determinando el RECURSOUtilizamos la fuente de datos de NASA's Applied Science Program in the Science Mission Directoratedeveloped by POWER: Prediction of Worldwide Energy Resource Projecthttp://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/sse.cgi?+s01#s01

En el sitio debemos elegir "Data tables for aparticular location", que nos llevará a unapágina de registro (gratuito) donde nos pedirá elcorreo y una contraseña.

Luego ingresaremos las coordenadas enLatitud y Longitud, en notación decimal.

Entre una cantidad grande de opciones queofrece la plataforma debemos elegir "Radiationon ecuator-tilted surfaces" ya que los módulosdeben orientarse hacia el ecuador, y contar unainclinación determinada (normalmente Latitud +15º) para lograr su mejor funcionamientodurante todo el año.

Por último llegamos a latabla de valores, dondefiguran los datos deIRRADIACION promediodiaria para determinadosmeses y con valoresdeterminados de inclinación(Tilt).

Elegimos, si el sistema esutilizado todo el año y estafijo, Tilt 49 y la columna deJunio (peor mes del año) loque nos da un valor de 3,62.

Este valor esta dado en Horas Solares Pico [HSP] o [kWh / m2 día], y es la energía que recibiremosdiariamente por unidad de superficie, y que necesitamos para elegir nuestro generador.

Si observamos la tabla, veremos que los valores varían según la inclinación y el mes del año, por lo quedebemos pensar su nuestro sistema debe actuar todo el año, o en un período determinado. Con ese dato,podemos elegir la mejor inclinación para el período elegido.



Eligiendo el GeneradorEste método no utiliza las corrientes y tensiones involucradas en el sistema ya que trata el generador y elacumulador en vatios [W], por lo que debemos siempre tomar este valor como referencia y considerar quelas tensiones a las que trabaje el sistema deben ser las mismas a lo largo del mismo.

La fórmula que utilizamos para determinar la potencia instalada en [Wp] de nuestro generador es lasiguiente:

NP = Fs x CdHSP x PFP x 0,8

Donde:Fs: Factor de seguridad que considera el envejecimiento del panel, rendimientos, etc. = 1,2 Cd: Demanda diaria de energía diaria.HPS: Horas equivalentes de máxima radiación radiación.PFP: Es la Potencia pico del panel elegido según su fabricante.0,8: Los módulos fotovoltaicos pierden eficiencia con la temperatura, y muy rara vez trabajan al valornominal entregado por el fabricante, por lo que debemos corregir este valor..

NP = 1,2 x 250 Wh / día3,62 HSP x 60 Wp x 0,6

Esta cuenta nos da un valor de 2,3 por lo que redondeamos en 2 módulos de 60 Wp conectados enparalelo, o buscaremos otro módulo, que se acerque al valor esperado redondo, por ejemplo 35Wp => 4.

Banco de BateríasPara el banco de baterías se utiliza una ecuación similar. Recordemos siempre que en este métodoutilizamos las unidades en vatios hora [Wh]; por lo tanto las baterías debemos incluirlas en esta unidad dealmacenamiento de energía.

NB = Cd x Da

(ALM x Pd)NB: Número de baterías.Cd: Demanda diaria de energía.Da: Tiempo de autonomía del sistema, normalmente entre 3 y 5, dependiendo de los días nublados (datoque podemos sacar también de la tabla).ALM: Capacidad de almacenamiento de la batería en Wh. Pd: Profundidad de descarga recomendada por el fabricante. Mantendremos 0,7.

Elegiremos baterías de 165 Ah, solo para este ejemplo, y una tensión nominal de 12 V, nos da unacapacidad de: 45 [Ah] x 12 [V] = 540 [Wh]

NB = 250 Wh / día x 3 días

(540 Wh x 0,7)

Esto nos da 1,98 baterías de 45 Ah conectadas en paralelo.

El reguladorPor último, pero no por ello menos importante, debemos seleccionar un regulador de carga, para ellousamos el valor de la DPMS (70 W) y dividiéndolo por la tensión del sistema (12V) obtendremos un valor decorriente de consumo, que deberá manejar el regulador.

Para estos valores son 5,8 A.

Por otro lado, el regulador debe también regular la corriente proveniente desde los módulos. Si calculamos2 módulos de 60 Wp y el sistema es de 12V, tenemos (2x60W)/12V = 10 A.

Esto nos dice que un regulador de carga que maneje 10 A estará muy justo, y deberíamos ir a uno de 20A.

Con esta última elección tendremos armado el sistema básico fotovoltaico para nuestra demanda.


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