paneles solares gmi

Cálculo y Dimensionamiento de Paneles Solares yPaneles Solares y Baterías

Ing. Jaime CarvalloIng. Willy Trinidad

Un Sistema Fotovoltaico

Es el conjunto de componentes mecánicos,eléctricos y electrónicos que concurren paraeléctricos y electrónicos que concurren paracaptar la energía solar disponible ytransformarla en utilizable como energíatransformarla en utilizable como energíaeléctrica.

Central Fotovoltaica

Componentes

Generador fotovoltaico: encargado de captar y convertir la radiaciónsolar en corriente eléctrica mediante módulos fotovoltaicosBaterías: almacenan la energía eléctrica variable producida por elgenerador fotovoltaico para poder utilizarla en períodos en los que lademanda exceda la capacidad de producción del generadorfotovoltaico.Regular de carga: encargado de proteger y garantizar el correctoRegular de carga: encargado de proteger y garantizar el correctomantenimiento de la carga de la batería y evitar sobretensiones quepuedan destruirla.Inversores de la energía eléctrica: encargados de transformar lag gcorriente continua producida por el generador fotovoltaico en corrientealterna, necesaria para alimentar algunas cargas o para suministrala ala red de distribución eléctrica.Elementos de protección: como interruptores, diodos de bloqueo, etc.,dispuestos entre los diferentes elementos del sistema, para suprotección en caso sobrecargas o cortocircuitos.En algunos casos de un generador auxiliar: para complementar laEn algunos casos de un generador auxiliar: para complementar laenergía del generador fotovoltaico cuando éste no pueda mantener lademanda y el suministro no pueda ser interrumpido.

Diagrama de Configuración

ηcc

CARGAS EN CORRIENTE CONTINUA (DC)

ηbηb

ηcc

CARGAS EN CORRIENTE ALTERNA (AC)

ηb

ηi

ALTERNA (AC)

η¨conductores : Es considerada en los cálculos.

Diagrama de Configuracióng gcont.

CARGAS AC CON RESPALDO DE GENERADORDE GENERADOR

Conversión de la Energía Solar en Electricidad Electricidad

La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica sedebe a la interacción de la radiación luminosa con los electronesen los materiales semiconductores, fenómeno conocido comoefecto fotovoltaico.La conversión de la radiación solar en corriente eléctrica tienelugar en la célula fotovoltaica. Una célula fotovoltaica es undispositivo formado por una lámina de material semiconductor,

l d f d d fi i dgeneralmente de forma cuadrada, con una superficie deaproximadamente 100 cm2.Los paneles o módulos fotovoltaicos son un conjunto deél l t d i t t t d bcélulas conectadas convenientemente y montados sobre un

soporte metálico de aluminio anodizado, que confiere al panelrigidez y protección mecánica.

Conversión de la Energía Solar en Electricidad Electricidad

Los electrones que forman parte del exterior de los átomos, son golpeados por losfotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmenteconfinados. Esto les permite, posteriormente, circular a través del material yproducir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en losátomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) sedenominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panelsolar

Irradiación Solar

Irradiancia – Es la medida de la densidad de potencia de la luz solar y se mide en W/m2 La irradiancia es por lo tanto unasolar y se mide en W/m2. La irradiancia es por lo tanto una cantidad instantánea. Irradiación – Es la medida de la de la densidad de energía de la luz solar y se mide en kWh/m2 Desde que la energía es lala luz solar y se mide en kWh/m . Desde que la energía es la integración de la potencia en un espacio de tiempo dado, la irradiación es la integral de la irradiancia. Normalmente, el tiempo de integración es las horas de sol de un día.tiempo de integración es las horas de sol de un día. Horas pico de sol – Es el número de horas a un nivel de irradiancia de 1000 W/ m2 necesarias para producir la irradiación diaria total en un punto determinado de la superficieirradiación diaria total en un punto determinado de la superficie de la tierra. Se obtiene simplemente dividiendo la irradiación promedio diaria o mensual, según sea el caso, por 1000 W/m2; lo cual corresponde a la integración de la irradiación diaria sobre todas las horas de sol del día, o a la irradiación promedio mensual sobre todas las horas de sol del mes.

Paneles Fotovoltaicos

Factores que lo determinan:La Potencia máxima o potencia pico, (WP), es la máxima potencia quepuede dar el panel con una irradiancia de 1000 W/m2.La corriente máxima, (Im), es la corriente que suministra el panel a potencia

máxima. Esta corriente es la que determina la cantidad de panelesrequeridos y no la potencia.La tensión máxima (V ) es la tensión que da el panel a potencia máximaLa tensión máxima, (Vm), es la tensión que da el panel a potencia máxima.La Corriente de cortocircuito, (ISC), es la corriente límite que puede dar el

panel fotovoltaico con tensión nula en sus terminales, esto es, cuando seponen en cortocircuito sus terminales.L T ió í (V ) l ió l l i (La Tensión en vacío, (VOC), es la tensión que genera el panel sin carga (en

vacío).La potencia generada por un panel es directamente proporcional a la

irradiancia que recibe; en consecuencia, vería durante el transcurso del díay es fuertemente afectada por las condiciones climáticas, día nublado,lluvioso, etc.La máxima potencia o potencia pico que dan los fabricantes de panelessolares no se debe interpretar como una potencia constante que da el panelp p q pdurante las horas de sol, sino, sólo entre aproximadamente las diez de lamañana y las dos de la tarde y con una irradiación de 1000 W/m2.

Ángulo de Declinación

Movimiento de la tierra alrededor del Sol En su rotación alrededor del Sol la Tierra efectúa dos movimientos, uno alrededor de su eje polar de un día de duración, y otro alrededor del sol en un plano llamado “plano de la elíptica”, de un año de duración.

Declinación Solar Es el ángulo que forma el eje polar de la tierra con el plano de la elíptica. Este ángulo varía por efecto de la rotación de la tierra con respecto a su eje y con respecto al sol y es uno de los ángulos que origina que la radiación solar no sea perpendicular a la tangente aorigina que la radiación solar no sea perpendicular a la tangente a la superficie de la tierra en el punto donde se la mide.El ángulo de Declinación Solar varía continuamente a lo largo del año entre un máximo de + 23.450 y un mínimo de – 23.450. Esta variación del ángulo de Declinación origina que también varíe el ángulo de incidencia de la luz solar sobre la superficie de la tierra; y en consecuencia, que varíe la irradiancia por no ser perpendicular a los paneles ubicados en la tierralos paneles ubicados en la tierra.


Valor del ángulo de Declinación El ángulo de Declinación está dado en función del día del año

por la ecuación:por la ecuación:

( ) ( )⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −×= − 8136536045.23 dsensensen 01 δ

d: Es el número del día a lo largo del año; comenzando a contar a partir del 1 de Enero y considerando que febrero tiene 28 días,

l l 365 d l 31 d Di i b

⎭⎩

con lo que el 365 corresponde al 31 de Diciembre. El ángulo de declinación alcanza su máximo valor de + 23.450

en el día en el cual comienza el verano, denominado solsticio de E l l dí l l i l iverano. Es nulo en los días en los cuales comienza la primavera

y el otoño, denominados equinoccios. Alcanza su mínimo valor de - 23.450 en el día en el cual comienza el invierno, denominado solsticio de inviernodenominado solsticio de invierno.

Ángulo de Elevación o Altitud

El ángulo de Elevación o de Altitud es el ánguloformado por la posición aparente del sol en el cielocon la horizontal del lugar. Varía a través del día, es 00

al salir el sol y obtiene su máximo valor al mediodíasolar.

La máxima elevación que alcanza el sol en un lugar determinadode la superficie de la tierra depende de la latitud del lugar y del díadel año (estación). Es más grande en el solsticio de verano, endonde es igual a la latitud del lugar más la máxima declinación de23 250 y más pequeño en el solsticio de invierno en donde es igual23.250, y más pequeño en el solsticio de invierno, en donde es iguala la latitud menos la máxima declinación (23.450).

Ángulo de Elevación

Ángulo de Elevación o Altitud

El máximo ángulo de elevación o altitud se puede determinar a partir del ángulo de declinación y de latitud del lugar, y está dado por la ecuación: p

)(900 δφα −±= )( 90max δφα ±

En donde :

Es el máximo ángulo de Elevación o Altituddel lugar en el día considerado.

=maxα

Ángulo de latitud del lugar (fijo en el tiempo).

Ángulo de declinación en el día considerado.

=φ=δ

Más para el hemisferio norte y menos para elhemisferio sur=± mα β =

Efecto de La Inclinación de Las Paneles Solares Solares

La máxima potencia que genera una celda fotovoltaica ocurrecuando su superficie es normal a la luz solar incidente, perocomo el ángulo de posición del sol está continuamentecambiando, un panel fotovoltaico con inclinación fija capturasolamente una fracción de la potencia total irradia en el año.

Se recomienda que la inclinación de los paneles nunca seamenor que 150 debido a que cuando están horizontalmenteacumulan polvo y/o humedad. En zonas donde existe nieve yhielo es conveniente inclinar los paneles un ángulo superior a650 durante la época de nieve.

Efecto de La Inclinación de Las Paneles Solares Solares

Cuando la carga es constante o ligeramente variable durante el año, el máximo de potencia generada por los paneles fijos normalmente se obtiene cuando el ángulo de inclinación de los mismos con respecto a la horizontal, es igual al valor promedio mensual o anual de:

δφβ −=

En donde

Ángulo de inclinación más conveniente con respecto a la horizontalβ Ángulo de inclinación más conveniente con respecto a la horizontal, de los paneles solares.Ángulo de latitud del lugar (fijo en el tiempo) Ángulo de declinación promedio mensual o anual, según se quiera

=β=φ

=δ g p g qfijar la inclinación más conveniente para el peor mes o para un año.

δ

Clases de Paneles

Baterías

Tipos:1-. Las de plomo ácido, y las2-. Níquel cadmioq

Las características que definen el comportamiento de unabatería son fundamentalmente:

1-. Capacidad de descarga en Amperios hora (Ah)2-. Profundidad de descarga3-. Vida útil en ciclos

Capacidad en Amper hora. Se define como la cantidad deelectricidad que puede obtenerse durante una descarga

l t d l b t í l t d E l d t dcompleta de la batería plenamente cargada. Es el producto dela intensidad de descarga por el tiempo que actúa.

Baterías

Los factores que varían la capacidad de una batería son:1-. Tiempo de descarga.2-. Temperatura de operación.p p

Profundidad de descarga. Se denomina profundidad dedescarga al porcentaje de la capacidad total de la batería queg p j p qse utiliza durante un ciclo de carga / descarga.

Vida útil en ciclos. La vida de una batería se expresa enVida útil en ciclos. La vida de una batería se expresa enciclos, que se define como el número de veces que se produceuna carga / descarga.

Cálculo de los Paneles Solares

Tipos: Hay tres diferentes tipos de procedimientos de diseño delos paneles solares, los cuales dependen de la disponibilidad dedatos de irradiación y del período de tiempo sobre el cual se vana realizar los cálculos:1. Cálculo para el peor mes ya sea el de máxima carga o el de

menor irradiación solar.2. Simulaciones en un tiempo base, usualmente horario o

diario. Para este método se requiere conocer una detalladainformación de la irradiación solar: horaria o diaria. Estemétodo permite un examen minucioso del estado de cargade las baterías.

3. Reglas empíricas: que se basan en cálculos empíricosaproximados que no tienen en cuenta los parámetrosdependientes de la ubicación del panel y no permitend t i l f tibilid d d l i t l i ddeterminar la factibilidad del sistema seleccionado.

Cálculo Horario o Diario

Este método de cálculo no es aplicable en nuestro medio debido a que no se dispone de mediciones diarias u horarias de la irradiación solar. El SENAMHI solo dispone de promedios a ad ac ó so a S so o d spo e de p o ed osanuales de irradiación diaria y de métodos gráficos para los valores medios mensuales. Los valores de irradiación que suministra el SENAMHI e qInstitutos similares de otros países, es siempre la irradiación perpendicular a la superficie de la tierra en el lugar de medición. Se designa normalmente por , y su valor

horizontalSse da en Wh/m2

En los países ubicados lejos de la línea Ecuatorial, en donde la irradiancia incidente en los paneles solares tiene un alto

horizontalS

contenido de irradiancia difusa, las mediciones de irradiación se suelen suministrar para tres valores de inclinación; estos son: 1. Inclinación = a la latitud del lugar de medición

02. Inclinación = latitud – 150

3. Inclinación = latitud + 150

Cálculo para el Mes Peor

El método de cálculo del peor mes usa cargas específicas ydatos de irradiación solar promedios del mes considerado.Sus ventajas son: cálculos simples y cortos se requieren pocosSus ventajas son: cálculos simples y cortos, se requieren pocosdatos iniciales, se puede calcular con una hoja Excel, norequiere de programas computacionales.Sus desventajas son: no se incluyen un análisis estadísticoSus desventajas son: no se incluyen un análisis estadísticodiario de la variabilidad y disponibilidad de la energía de lospaneles solares que determinen la capacidad del banco debaterías; el cual sólo se limitan a promedios mensuales que nobaterías; el cual sólo se limitan a promedios mensuales que nosiempre es lo más conveniente.

Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor

1. Efectuar un arreglo inicial de la topología del sistema conformea la aplicación del mismo.

2 De las tablas del SENAMHI determine el ángulo de latitud y de2. De las tablas del SENAMHI determine el ángulo de latitud y dealtitud del lugar donde se instalarán los paneles.

3. Calcular la carga de cada mes del año en Ah. La carga en Ahes el producto de la carga en W por el número de horas diariases el producto de la carga en W por el número de horas diariasdurante el cual dicha carga está presente, dividida por sutensión nominal.

3 1 Incrementar las cargas dividiéndolas por los factores de3.1.- Incrementar las cargas dividiéndolas por los factores deeficiencias de los cargadores solares, inversores, convertidores,baterías, pérdidas en el cableado, etc.3 2 Las tensiones normalmente usadas en los sistemas3.2.- Las tensiones normalmente usadas en los sistemas

fotovoltaicos son: 12, 24 y 48 VCC.


4. Determinar de la información disponible del SENAMHI o algúnotro instituto similar, la irradiancia promedio mensual para lazona donde se ubicarán los paneles Normalmente se dan enzona donde se ubicarán los paneles. Normalmente se dan enWh/m2.

5. Si la carga es constante o ligeramente variable durante el año,determine el ángulo de inclinación de los paneles conforme adetermine el ángulo de inclinación de los paneles conforme alo indicado en el acápite “Efecto de la inclinación de losPaneles Solares”. Si la carga es variable determine, portanteos, la inclinación de los paneles que maximice lap qirradiación solar en los paneles durante el mes en el cual lacarga es más alta.

6. Determinar el ángulo de declinación para el punto medio delg p pmes en el lugar escogido, utilizando la fórmula dada en elacápite “Ángulo de Declinación”.

7. Determinar el ángulo promedio de elevación o altitud alg pmediodía solar, para el lugar escogido, utilizando la fórmuladada en el acápite “Ángulo de elevación o Altitud”.


8. Convierta la irradiación media mensual de vertical a lasuperficie de la tierra , a vertical sobre la superficie inclinadade los paneles solares mediante la expresión:de los paneles solares, mediante la expresión:

( )( )max

maxhorizontalpanel

α

βαsen

senSS

+= ( )max


9. Determinar el número de horas diarias de sol. El número de horas diarias de sol se puede obtener a partir de las indicaciones dadas en el Standard IEC 61215 referente a laindicaciones dadas en el Standard IEC 61215 referente a la fabricación y pruebas de Paneles Solares. Según este Standard las características de catálogo, esto es, potencia de pico, tensiones y corrientes nominales de los paneles solares p y pse determinar considerando que el panel recibe una irradiancia de 1000 W/m2. Luego, conforme a lo indicado en el acápite “Irradiación Solar”, las horas pico de sol promedio mensual son iguales a la irradiancia promedio mensual en kWh/m2 dividida por 1000 W/m2. Para los cálculos se toma la irradiación del peor mes o el promedio anual.


10. Calculo de la corriente requerida del arreglo de los paneles solares. La corriente requerida del arreglo de los paneles se calcula con la ecuacióncalcula con la ecuación

)( arg AhaCarreglodelCorriente =)( F

DEG hrSoldeHoras

arreglodelCorriente =

En donde:

=DEGF Factor de desgaste de los paneles solares. Para una vida de 10 ñ l id 0 9 id d 20 ñDEG 10 años se suele considerar 0.9, para una vida de 20 años 0.83


11. Cálculo del número de paneles requeridos en paralelo. El número de paneles en paralelo se determina por la ecuaciónnúmero de paneles en paralelo se determina por la ecuación

( )AArreglodelCorriente ( )( )ApanelundeCorriente

AArreglodelCorrientePaneles

9.0

#×

=

La corriente de los paneles es la corriente que genera un panel a supotencia pico. Es un dato del fabricante. Esta corriente se derratea 10%para tener en cuenta la reducción de corriente debido al polvopara tener en cuenta la reducción de corriente debido al polvo,humedad, etc.


12. Número de paneles en serie. El número de paneles en seriees igual a la tensión del sistema (12, 24 o 48 VCC) entre latensión nominal del panel La tensión nominal del panel es untensión nominal del panel. La tensión nominal del panel es undato del fabricante.

13. Determinación de la capacidad del banco de bateríasrequerido. La capacidad del banco de baterías está dada porrequerido. La capacidad del banco de baterías está dada porla siguiente ecuación:

( ) arg DíasAhaCbateríasdebancodelCapacidad ×=

CHT DDDODp

××En donde

Carga (Ah) = Carga total corregida en Ah. Considera los factores de derrateo de g ( ) g glos equipos y del cableado.

Días = días de autonomía del banco de baterías. DOD = es la profundidad de descarga expresada como una fracción.

Normalmente = 0.8DT = Es el factor de derrateo por temperatura. Para las baterías

Níquel- Cadmio = 0.95DCH = Es el factor de derrateo por el ciclo carga / descarga. Normalmente = 0.9

Regulador de Carga

Los reguladores de carga cumplen las siguientes funciones:1. Evitar la descarga de las baterías sobre los paneles, para

ello básicamente se emplea un diodoello básicamente se emplea un diodo.2. Regular la carga y la descarga de las baterías para evitar

que las baterías se sobrecarguen o se descarguen más delo permitidolo permitido.

Diagrama de Configuración

Regulador de Carga

FuncionamientoEl regulador monitorea constantemente la tensión de lasbaterías. Cuando dicha tensión alcanza un valor para elcual se considera que las baterías se encuentra cargadas(aproximadamente 14.6 V para las baterías de 12 Vnominales y 28.8 V para las de 24 V nominales) el reguladorinterrumpe el proceso de carga.Cuando el consumo hace que las baterías comiencen adescargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador

freconecta el generador fotovoltaico a las baterías y vuelve acomenzar el ciclo.Estas operaciones son realizas mediante un

i d d á d i i l fmicroprocesador que además puede optimizar la forma enque se cargarán las baterías; para lo cual tienen la funciónde adaptar las características de producción del generadora las exigencias de la cargaa las exigencias de la carga.Durante los ciclos de carga y descarga de las baterías, lacarga del sistema permanece conectada a las baterías.

Regulador de Carga

DimensionamientoEl regulador queda definido especificando su nivel de tensión(que debe ser igual a la tensión nominal del sistema) y lacorriente máxima que deberá manejarcorriente máxima que deberá manejar.

Regulador de Carga

R l d d C li bié l i i f iLos Reguladores de Carga realizan también las siguientes funciones: 1. De medición:

a) Corriente y tensión de la carga, de los paneles solares y de las bateríasb) Irradiación solar diariab) Irradiación solar diariac) Energía suministrada por los paneles solares y la consumida por la carga

2. Control Arranque y conexión remota de un grupo electrógeno de respaldo

3. Supervisión remota vía ETERNET o satélite, de todos los parámetros de tensión y corriente del sistema.

4. Indicaciones locales mediante leds, de todos los parámetros de tensión y carga de la redde la red.

5. Regulación a) De la carga de las baterías por desconexión de la carga. b) Sobrecargas forzadas periódicas de las baterías.

6. Protección a) Contra sobrecorrientesb) Contra sobretensiones) C t b t i t it ic) Contra sobretensiones transitorias

d) Inversión de polaridad.

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