PROYECTO ESTIMATIVO DE DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO...
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PROYECTO ESTIMATIVO DE DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO
FOTOVOLTAICO TRIFÁSICO CON CONEXIÓN A LA RED
ING. MSc. PINEDA BRICEÑO JOSÉ RAFAEL
Universidad de Los Andes
Mérida - Venezuela.
Proyecto Estimativo de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema
Eléctrico Fotovoltaico Trifásico con Conexión a la Red
Conferencista: Ing. MSc. José Rafael Pineda Briceño
Diplomado en Energía Solar Fotovoltaica.
Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela.
DE QUE TRATA ESTE TRABAJO • Es un primer informe estimativo.
• Datos requeridos: recurso solar, carga eléctrica y el área
disponible.
• Influencia de las variables meteorológicas.
• Influencia en el diseño de la selección de módulos e
inversor.
• Criterios aplicados para los cálculos de conductores.
• Corrección de los calibres de los conductores, por la acción
del Sol .
CUAL ES EL PROBLEMA A RESOLVER
• Dimensionar un arreglo FV con conexión
trifásica a la red, para alimentar una carga
eléctrica a 220 V., contando con una área de 50
m de largo x 40 m de ancho.
FIGURA ESQUEMATICA
ESQUEMA DEL SISTEMA
FOTOVOLTAICO
OPCIONES PARA EL DISEÑO FV
1. Haciendo uso de valores de consumo
promedios diarios mensuales, de la carga
eléctrica a alimentar.
2. Por área disponible.
UBICACIÓN DEL PROYECTO MÉXICO
• Latitud: 19.23º N
• Longitud: -99.3º O
• Al Sur Oeste de Ciudad de México, a unos 46
km del Aeropuerto de Ciudad de México D.F.
• Localidad: Cercana a Ajusco, México D.F.
VISTA AÉREA DE LA UBICACIÓN
VISTA AÉREA DE LA ZONA
CERCANA A LA UBICACIÓN
CARACTERISTICAS DEL RECURSO SOLAR Y TEMPERATURAS EN LA UBICACIÓN
CARACTERISTICAS METEREOLÓGICAS
DE LA UBICACIÓN
• Nivel pluviométrico diario: 0.013 mm/día a
3.61 mm/día. Promedio 1.81 mm/día.
• Temperatura máxima: 32.0 ºC.
• Clasificación Climática: Desértico.
VALORES PROMEDIOS DE NUBES Y
DÍAS DE SOL EQUIVALENTES
• Cantidad promedio anual de nubes 44.4 %
• Cantidad promedio mensual de nubes entre
26.4 % al 68.6 %.
• Días de Sol promedio anual de 5.46 horas
solares pico.
ATLAS DE RADIACIÓN SOLAR
DE MÉXICO
CARACTERÍSTICAS Y NECESIDADES DE CONSUMO DE LA CARGA CONECTADA
RENDIMIENTOS
• Rendimiento térmico.
Para una primera aproximación del
dimensionamiento.
• Rendimiento del Inversor
Según el fabricante del 95 %
CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS
Y FISÍCAS DEL MÓDULO SELECCIONADO El módulo solar seleccionado es el modelo SolarTec
S60MCBK-250. Módulos constituidos por 60 células
de 40 mm de espesor, incluyendo el marco. Potencia de Clase (W) 250
Potencia nominal (W) 250
Corriente de Corto circuito Isc (A) 8.62
Voltaje en circuito abierto Voc (V) 37.92
Corriente a potencia máxima IMPP 8.07
Voltaje a potencia máxima VMPP 30.96
Peso (kg) 20.5
Dimensiones (mm) 1640 x 992 x 40
Eficiencia (%) 15.37
CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS Y FISÍCAS
DEL MÓDULO SELECCIONADO (cont).
CALCULO DE LA POTENCIA PICO
• ECL = Valor promedio de energía consumida anual diaria ECL = 428.29 kWh
• Rs = Recurso solar promedio anual diario Rs = 5.46 kWh/m 2
• RT = Rendimiento térmico de acuerdo a la temperatura de la zona. RT = 0.85
• ETOT= Rcond x Rinv x Ro x Rd x Renv =
0.97 x 0.95 x 1.0 x 1.0 x 1.0 = 0.92
• Potencia pico calculada = 100.18 kWp
1
TOTTS
CL
ERR
EPp
CÁLCULO DEL NÚMERO DE MÓDULOS Y SUPERFICIE REQUERIDA
• Dividiendo la potencia pico calculada, entre la
potencia pico del módulo Nm = 400 Módulos
• Dividiendo la potencia pico, entre la eficiencia
del módulo para condiciones STC de 15.37 %
A = 686.06 m2
REPARTICIÓN DEL NÚMERO DE
MÓDULOS EN LA SUPERFICIE DISPONIBLE
• Los 400 módulos se pudieran sub-dividir en 4 sub-
arreglos de 100 módulos c/u, un inversor por cada
sub-arreglo.
• O los 400 módulos se pudieran sub-dividir en 2 sub-
arreglos de 200 módulos c/u, 1 inversor por cada sub-
arreglo.
• Cualquier de las opciones de la conformación elegida
debe tomar en consideración costos de equipos,
longitud de cables, número de estructuras soporte,
etc.
DECISIÓN FINAL DE LA
CONFIGURACIÓN ELEGIDA
• La disposición más adecuada en función de las
dimensiones del terreno, del área disponible, y la
orientación al Sur geográfico fue:
Dividir los 400 módulos en tres (03) sub-arreglos de
133 módulos c/u, con un (01) inversor por cada sub-
arreglo, con una potencia trifásica del inversor de
44.4 kW.
CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR
INVERSOR SELECCIONADO
Marca:
FRONIUS CL 44.4 kW
RENDIMIENTO TÉRMICO
Y LA TEMPERATURA DE LAS CELDAS • Primero: Se calcula lo que se define como constante
de propagación de temperatura del módulo C1, o es dado por el fabricante del módulo.
• Segundo: Se calcula la temperatura de la celda, o su corrección por temperatura; ya que la constante de propagación C1, fue calculada por el fabricante para las condiciones normales de operación (NOCT), a una temperatura de 20º C.
• Tercero : Se calculan los niveles de tensión que adquiere la celda, operando en los límites extremos de temperatura que pudiesen ocurrir en su lugar de ubicación.
RESULTADOS DEL CÁLCULO
DE RENDIMIENTO TÉRMICO
Ta (°C) Irradiancia G
(W/m2) T celda
(° C)
Gradiente (T celda-T(STC))
(° C)
Pérdidas potencia
(%)
Voltaje modulo V oc (V)
30 800
(NOCT) 57 (57-25) =32 14.08 27.59
32 (11 a.m. – 2 p.m)
900 62.38 (62.38-25)
=37.38 16.48 27.03
10.83 mínima promedio
300 20.96 (20.96-25)= -4.04 30.97
• Donde T(NOCT) = 47 º C. y Ta (NOCT) =20 º C
• T celda º C = Ta º C + C1 x G
= 0.03375 º C/(W/m2) C1 =
NÚMERO DE MÓDULOS EN SERIE
POR SUB ARREGLO Para garantizar una operación en el rango del inversor.
• Número de módulos en serie es igual a:
Ns =
Ns = = 12 módulos en serie
NÚMERO DE MÓDULOS EN
PARALELO POR SUB ARREGLO
• Número de módulos en paralelo es igual a:
Np =
Np = = 11 Módulos en paralelo
• Configuración sub-arreglo : 12S -11P .
• Arreglo total (3x(12S-11P)) = 99.0 kW
DISPOSICIÓN DE LOS MÓDULOS
EN EL ÁREA DISPONIBLE
• Además del ángulo de inclinación, es necesario evaluar las sombras entre cadenas. Estas se calculan con fecha del 21 de Diciembre del año inclinación solar mas desfavorable.
• Se evalúa la velocidad del viento para no conformar una estructura muy alta.
DISPOSICIÓN DE LOS MÓDULOS
EN EL ÁREA DISPONIBLE
Primera opción: Si la altura de la estructura es igual al alto
del módulo de 1.64 m, el espaciamiento entre cadenas de
módulos en paralelo es de 2.979 m.
Segunda opción: Si la altura de la estructura es igual al
ancho del módulo, de 0.992 m, el espaciamiento entre ellas
es de 1.805 m.
Decisión: Primera opción más espacio disponible
PLANO ESQUEMÁTICO DEL
ARREGLO FOTOVOLTAICO
PLANO ESQUEMÁTICO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO VISTA CON ANGULO
PLANO ESQUEMÁTICO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO OTRA PRESPECTIVA
SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL
ARREGLO FOTOVOLTAICO
Conductor Norma Iamp (A) Tabla usada
Calibre No.
Iamp (A) 90 °C
Iamp (A) 75 °C
1. Cadena en serie
Art. 690-8 NOM-001-SEDE-2012.
13.47 310-
15(b)(16) 14 25 20
• Corrección del conductor seleccionado
a) Por temperatura
b) Por agrupamiento
• Criterio: Se usa la Isc y se aplica la NOM-001- SEDE 2012 Art. 690-8 Iamp = 1.56 Isc
SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
Tabla usada
Distancia (mm)
Factor sumador
(° C)
Tabla usada
T correg
(° C) FCT
I correg
(A)
Calibre No.
I permitida
(A)
310-15(b)(3)(c)
13 33 310-
15(b)(2)(a) (32+33)=
65 0.47 28.66 12 30
• Corrección del conductor seleccionado cadena serie
a) Por temperatura por uso de conductores en canalizaciones circulares expuesta a la luz solar
Distancia por encima
del nivel del suelo (mm)
0-13
13-90
90-300
300-900
Sumador de temperatura (° C)
33 22 14 14
TABLA 310-15(b)(3)(c)
SELECCIÓN DE CONDUCTORES
DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
Rango de Temperatura del conductor
Temperatura ambiente (° C) 60 75 90
10 o menos 1.29 1.20 1.15
11-15 1.22 1.15 1.12
16-20 1.15 1.11 1.08
21-25 1.08 1.05 1.04
26-30 1.00 1.00 1.00
31-35 0.91 0.94 0.96
36-40 0.82 0.88 0.91
41-45 0.71 0.82 0.87
46-50 0.58 0.75 0.82
51-55 -0.41 0.67 0.76
56-60 - 0.58 0.71
61-65 - 0.47 0.65
TABLA 310-15(b)(2)(a)
SELECCIÓN DE CONDUCTORES
DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
Tabla ajuste por No. de
conductores FCA
I correg (A)
Tabla usada
Calibre No.
I permitida (A)
310-15 (b)(3)(a) 0.8 (28.66/0.8)=
35.82 310-15 (b)(16) 10 40
• Corrección del conductor seleccionado
b) Por agrupamiento para las 11 cadenas en paralelo
Se usan dos cajas de conexiones
Número de Conductores
4-6
7-9
10-20
21-30
31-40
41 o mas
% de ajustes de los valores de las
tablas
80
70
50
45
40
35
Tabla 310-15 (b)(3)(a)
SELECCIÓN DE CONDUCTORES
DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
Rango de Temperatura del conductor
Temperatura ambiente (° C) 60 75 90
10 o menos 1.29 1.20 1.15
11-15 1.22 1.15 1.12
16-20 1.15 1.11 1.08
21-25 1.08 1.05 1.04
26-30 1.00 1.00 1.00
31-35 0.91 0.94 0.96
36-40 0.82 0.88 0.91
41-45 0.71 0.82 0.87
46-50 0.58 0.75 0.82
51-55 -0.41 0.67 0.76
56-60 - 0.58 0.71
61-65 - 0.47 0.65
TABLA 310-15(b)(2)(a)
SELECCIÓN DE CONDUCTORES
DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
Tabla ajuste por No. de
conductores FCA
I correg (A)
Tabla usada
Calibre No.
I permitida (A)
310-15 (b)(3)(a) 0.8 (28.66/0.8)=
35.82 310-15 (b)(16) 10 40
• Corrección del conductor seleccionado
b) Por agrupamiento para las 11 cadenas en paralelo
Se usan dos cajas de conexiones
Número de Conductores
4-6
7-9
10-20
21-30
31-40
41 o mas
% de ajustes de los valores de las
tablas
80
70
50
45
40
35
Tabla 310-15 (b)(3)(a)
SELECCIÓN DE CONDUCTORES
DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO Tabla 310-15 (b)(16)
SELECCIÓN DE FUSIBLES
• El criterio establece :
1.56 veces Isc ≤ I fusible ≤ 2.4 veces Isc
bajo condiciones STC del Modulo, o cadena,
o Arreglo FV que este protegiendo.
13.45 A ≤ I fusible ≤ 20.7 A.
I fusible normalizado es de 15 A.
SELECCIÓN DE PROTECCION
CONTRA SOBRECORRIENTE (PRC) • El criterio establece :
• Colocar un PRC si hay más de (03) módulos en serie
• La PRC no mayor de 2 veces la Isc corregida, lo cual
asciende a (2 x 35.82) = 71.64 A.
• A una tensión de 1.25 veces la Voc del conjunto que
protege. Siendo Voc igual a (1.25 x 37.92 x 12) = 568.80
V.
• La protección (PCR) debe ser de 60 A. menor que
71.84 A.
FIGURA ESQUEMÁTICA PCR PRC es un fusible montado en un receptáculo tipo desconector o un interruptor termo magnético.
SELECCIÓN POR CAIDA DE TENSION DE LOS CONDUCTORES EN CORRIENTE
CONTINUA.
1. Desde la cadena hasta las cajas N.1 y N.2
• Como criterio se usa los valores de VMPP y IMPP
• El conductor elegido hasta ahora es un calibre
No. 10 con una R=4.226 (ohms/Km)
CAIDA DE TENSION EN
CORRIENTE CONTINUA (cont.) 2. Desde las cajas hasta los gabinetes de
desconexión • La Isc de cada sub arreglo es ISC= 11x 8.62 = 94.82 A
• Se aplica la norma NOM-001-SEDE 2012
• El cable que va en este trayecto trabaja a 40 º C
• El factor de disminución por ampacidad para el cable
con aislamiento a 90 º C es 0.91 Tabla 310-15 (b)(2)(a).
I (A) * I (A) ** Factor de
disminución
I correg.
(A)
Calibre No.
I (A) 90º C
I (A) 75º C
(1.25x94.82)=118.53 (1.25x118.53)= 148.16 0.91 162.81 2/0
AWG 195 175
* 125 % (UL) ** 125 %(NEC)
RESULTADOS DE CAIDA DE TENSION DE CADA CADENA HASTA LAS CAJAS N.1 y N.2
CALCULOS DE LOS ALIMENTADORES
A LOS INVERSORES • Se elige un conductor tal que la caída de tensión no
sea en ningún caso mayor al 3 %.
• Tres pares de conductor N 6 AWG de Cu.
• La tensión VMPP que llega al inversor N.1 es igual a
361.22 V. Valor cercano al punto medio de la
ventana de máxima potencia del inversor.
ENERGIA GENERADA POR EL
ARREGLO FOTOVOLTAICO
TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO
DE MODULOS
TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO DE MODULOS
TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO DE MODULOS
INYECCION DE LA ENERGIA NO
ABSORBIDA POR LA CARGA
MEDICION DE ENERGIA
MEDIDOR BI-DIRECCIONAL
CONCLUSIONES
1. Se puede apreciar que el único mes que no
se satisface la demanda es el mes de Febrero el de mayor consumo del año.
2. Costo estimado 2.5 USD/W lo que equivale a USD 247.500
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
El dar es una energía,
que no solo ayuda a otros.
También crea, aún más energía
para quien da.
ING. MSc. PINEDA BRICEÑO JOSÉ RAFAEL
Universidad de Los Andes
Mérida - Venezuela.