CALCULO INSTALACION FOTOVOLTAICA


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 Vamos a realizar los cálculos necesario para la correcta elección (dimensionado) de todos los componentes de una instalación solar fotovoltaica paso a paso, exactamente en 4 pasos, uno para cada componente de la instalación. Lo haremos con un ejemplo. Ya sabes que toda la información sobre las instalaciones fotovoltaicas la tienes en la siguiente web: Fotovoltaica.

calculo instalacion fotovoltaica

Ejemplo de Instalación

 Imaginemos que queremos hacer una instalación fotovoltaica para una casa sin conexión eléctrica a la red en una zona rural, que será utilizada por una familia de 4 personas durante los fines de semana. Utilizaremos placas solares de 12V con una potencia pico de 180w. Las baterías y demás componentes trabajarán a 24V.

Primer Paso: Calculo de Consumos Estimados y Número de Paneles Necesarios

 Para este primer paso tenemos que preguntar al dueño o conocer de alguna manera los electrodomésticos que tiene o tendrá la instalación eléctrica. Se sumarán todos los consumos de cada uno de los electrodomésticos (receptores).

 Los consumos de cada uno se calcula multiplicando la potencia de cada receptor por el número de horas que se estima estará conectado a la instalación. La suma de todos estos consumos será el consumo total.

 Veamos en nuestro ejemplo como calculamos el consumo estimado de la instalación.

 - Bombillas o lámparas: 4 unidades x 4 horas al día x 60 vatios (100%) = 960 Wh/diario

 - Televisión: 1 unidad x 3 h/día x 70 W = 210 Wh/diario

 - Ordenador portátil: 1 unidad x 2,5 h/día x 60 W (100%) = 150 Wh/diario

 - Nevera o refrigerador: 12 h/día x 200 W = 2400 Wh/diario. La nevera o refrigerador solo consume cuando trabaja el compresor para mantener la temperatura en el interior, sobretodo cuando abrimos y cerramos la puerta. El compresor es el que tiene una potencia de 200w. Podemos considerar que solo trabajará la mitad del tiempo (50% = 12h), que es nuestro caso.

 - Microondas: 0,5 h/día x 800 W (100%) = 400 Wh/diario

 Si sumamos los consumos de cada receptor tenemos:

 Total consumo: 960 + 210 + 150 + 2.400 + 400 = 4.120wh/dia

 Este consumo estimado se suele aumentar para no tener problemas y que siempre tengamos suficiente energía para todos los electrodomésticos con las placas solares. Se suele estimar que este consumo es el 75% del consumo total de la instalación, por lo que tendremos que aumentarla hasta llegar al 100%.

 Total energía necesaria a suministrar por las placas = Consumo diario / 0,75 = 5.493 Wh/día.

 Puedes multiplicar el consumo diario x 1,33, ya que 1/0,75 = 1,33.

 Otra forma de calcular consumos diarios es ver las últimos recibos de la luz y estimar el consumo medio diario.

 OJO la potencia de los receptores, funcionando todos a la vez, no es lo mismo que el consumo.

 Potencia Todos los Receptores: (4 lámparas x 60w) + (1TV x 70w) + (1Ordenador x 60w) + (1Refrigerador x200w) + 1microondas x 800w) = 1.370w

 ¡No es lo mismo el consumo diario que la potencia de los receptores!
Este dato lo podemos usar para poner un PIA y un Diferencial de protección de la instalación, por ejemplo, o para otros cálculos, como luego veremos.

 Si no sabes o no tienes posibilidad de saber las potencias reales de los electrodomésticos aquí te dejamos una tabla que te puede ayudar.

potencias estimadas
 Si partimos que un modulo o panel solar puede producir una energía diaria:

 Epanel = Impp x Vmpp x HSP x 0,9 = wh/dia

 Donde Impp y Vmpp son la intensidad y la tensión máxima (a máxima potencia), HSP son las horas de sol pico que obtendremos de forma online, como mas adelante veremos, y 0,9 es el rendimiento de trabajo del panel que suele ser entre el 85% y el 90% (0,9)). El rendimiento nos determina la cantidad de energía producida por el panel después de las pérdidas, por ejemplo por estar sucio o con polvo.

 Sabiendo la energía que produce un panel, para calcular el número de paneles es sencillo, solo tenemos que dividir el consumo total (energía diaria que necesitamos, calculada anteriormente) entre la energía que produce uno de nuestro paneles.

 La mayoría de las veces solo nos viene especificado la potencia máxima o pico del panel, en lugar de la energía diaria del panel, pero no es problema, ya que Impp x Vmpp, es precisamente la Wp (potencia pico o Pmpp). La fórmula de la energía producida por un panel al día sería:

 Epanel = Pmpp x HSP x 0,9 = Wp x HSP x 0,9 = wh/dia

 En nuestro caso que tenemos paneles de 180Wp, sería:

 Epanel = 180 x HSP x 0,9.

 Para calcular el número de paneles sería:

 Npaneles = Energía total diaria necesaria / Energía diaria de un panel = Consumo diario /Epanel

 Esta fórmula nos daría el número de paneles que necesitamos para una instalación fotovoltaica de uso diario, pero para calcular el número de paneles necesarios necesitamos diferenciar entre instalaciones cuyo uso será para toda la semana, o lo que es lo mismo de uso diario (7 días) o instalaciones cuyo uso solo sea de fin de semana (2 o 3 días). Cuando la instalación es para uso de fin de semana la fórmula cambia, ya que se necesitarán menos módulos o paneles solares. Tenemos toda la semana para cargar las baterías y solo 2 o 3 días para descargarlas.

 Resumiendo, nos quedarían las siguientes fórmulas:

 Para uso diario (toda la semana):

 Numero de paneles (uso diario) = (consumo diario a suministrar) / (HSP * rendimiento de trabajo * potencia pico del módulo)

 Para Instalación de Fin de Semana (2 o 3 días):

 Numero de paneles (fin de semana) = (3 * consumo diario) / (HSP * rendimiento de trabajo * 7 * potencia pico del módulo)

 Recordemos cada término de la fórmula a que se refiere.

 - Consumo diario: el calculado anteriormente.

 - Rendimiento de trabajo = Perdidas por estar sucios los paneles o por su posible deterioro. Se suele utilizar 0,8 (entre 0,7 y 0,8)

 - Potencia máxima o pico (Pmax), medida en vatios pico (Wp): es la potencia máxima que puede suministrar el panel, es el punto donde el producto intensidad y tensión es máxima (de pico), bajo unas condiciones estándar de medida (para irradiancia de 1000w/m2). Recuerda, en nuestro ejemplo utilizamos placas de 180 vatios pico y a 12V.

 - HSP = Horas de Sol Pico. Para este valor lo más fácil es utilizar una calculadora online que calcula este valor solo introduciendo unos datos. La página de la calculadora de HSP es :
http://www.hmsistemas.es/shop/catalog/calculadora_hsp.php

 Donde tienes que seleccionar

 - La provincia donde estará ubicada la instalación.

 - El mes de menos Sol de la provincia (Suele ser Diciembre).

 - La inclinación de los paneles. Normalmente suelen colocarse a unos 45º.

 -  En "Atmósfera" se introduce el valor de corrección atmosférico. Si en esta zona la atmósfera suele estar limpia, como en zonas de montaña, se pone 1.05, si por el contrario abunda la calima (niebla), contaminación etc., se reducirá poniendo 0.95, en caso de duda, dejadlo en 1.

 Una vez introducido estos datos dale clic a calcular y busca el valor que pone Hsp, ese es el valor de horas de sol pico para nuestra instalación. En nuestro caso nos sale un valor de 4,27.

 Ahora hagamos el calculo de para nuestro ejemplo:

 Np(findesemana)= (3 * 5493) / (4,27 * 0,8 * 7 * 180) = 3,8 Redondeando, necesitamos 4 módulos solares fotovoltaicos.

 Si el calculo fuese de uso diario sería:

 Np(usodiario) = (5493) / (4,27 * 0,8 * 180 )= 8,9 Redondeando 9 módulos.

 Puedes comprobar como la instalación de uso diario necesita más paneles solares. En nuestro ejemplo es de fin de semana y con tan solo 4 módulos de 180w pico cada uno nos llegaría.

 Con los módulos elegidos de 180 Watios pico (Wp), obtendremos una instalación solar que genera: 4 x 180Wp = 720Wp totales. Recuerda que esto es la potencia máxima que puede generar en un momento determinado, pero esta generación se utiliza para cargar unas baterías, no para el suministro directo de los receptores o electrodomésticos, por lo que no necesitamos que los paneles generen toda la potencia de los receptores a la vez.

 Para saber más: Paneles Solares.

Conexión de las Placas Solares Fotovoltaicas

 ¡OJO!, teniendo en cuenta que los módulos trabajan a 12V, si queremos una instalación que trabaje a 24V, como es el caso, tenemos que realizar una asociación en serie de grupos de dos placas y luego estos dos grupos de dos placas en serie, asociarlos en paralelo para tener las 4 placas en total. Recuerda que las placas en serie se suman las tensiones y en las placas en paralelo se suman las intensidades.

 Es decir para que nuestra instalación sea de 24V con placas de 12V cada una, pondremos 2 placas en serie. Pero como la instalación total es de 4 placas, tendremos dos ramas en paralelo, con 2 placas en cada placa. La rama de placas en serie se suele llamar un string. Luego tenemos 2 string con 2 placas y estos dos strings conectados en paralelo.

 La intensidad total de la instalación será la suma de la intensidad de cada rama. Si un panel tiene una Intensidad a máxima potencia (Impp) de 8,98A, por cada rama circula esta intensidad (como máximo), pero en el conjunto de la instalación, a la salida de todos los paneles, será de 8,98 x 2 = 17,96A.
 
esquema instalacion solar
Segundo Paso: Calculo de Baterías

 La capacidad de las baterías viene expresada en los AmperiosHora que pueden almacenar.

 Si al consumo diario lo dividimos entre la tensión de trabajo, tendríamos Amperioshora /dia, la unidad de capacidad de las baterías. Con una batería de estos amperioshora tendríamos energía almacenada en la batería para 1 día de consumo. Si queremos almacenar energía para más días tendremos que multiplicar por el número de días.

 Recuerda: consumo diario = wh = V x I x h; si esta unidad la dividimos entre la tensión; nos queda I x h o lo que es lo mismo Amperios x hora al día.

 Otro factor a tener en cuenta es la profundidad de descarga. Recuerda que la Profundidad de descarga o DOD es el tanto por ciento máximo del total de la batería que se puede descargar en un ciclo completo (carga y descarga). En una ISFTV nunca deberá descargarse más del 80% del total de la batería, ya que en caso contrario se reduciría mucho el tiempo de vida la batería. Suelo ponerse entre un 50% y un 80% de DOD (nosotros elegiremos 0,6).

 Conclusión: Los AmperiosHoras o Capacidad de la Batería o baterías necesarias dependerá del número de días de autonomía que tiene que tener (3 fin de semana o 5 uso diario), del DOD (profundidad de descarga, normalmente entre 0,5 y 0,8) y de la tensión de trabajo (12V,24V,36V...). La fórmula para su calculo es la siguiente:
capacidad de bateria fotovoltaica


 Entendiendo el consumo diario como el consumo total calculado anteriormente (el 100%).

 En nuestro caso:

 Consumo diario: 5.493 wh/dia

 Días de Autonomía: como es de fin de semana, 3 días.

 Profundidad de Descarga de la Batería: el 60% = 0,6 para poner en la fórmula.

 Tensión: 24V

 Entonces la capacidad de la batería sería:

 Capacidad de acumulación = [(5493 * 3) / (0,6 * 24)] x 1,15= 1.316,037 Ah
(c100)

 El valor c100 indica que la capacidad de la batería será la suministrada por ciclos de carga de 100 h, que es la frecuencia de carga normalmente establecida en electrificación rural.

 Tendríamos que buscar una batería de esa capacidad y de algunos de los tipos de baterías que se utilizan para fotovoltaica, de Litio o Estacionarias normalmente. Para saber más: Baterías para Paneles Solares.

Tercer Paso: Calculo del Regulador de Carga

 Este elemento controlará la carga y descarga de la batería. Tiene que ser capaz de regular potencias iguales a las de suministro máximo que en un momento determinado proceda de los paneles (carga), y la máxima que demanden los receptores o electrodomésticos (descarga), en caso contrario se quemaría.

 Nuestros paneles son de 180w de potencia pico o máxima (wp = vatios pico) cada uno, por lo que en un momento determinado como máximo la potencia de entrada al regulador será de 180w x 4 paneles = 720w.

 Normalmente a la hora de comprar un regulador, en la placa de características del regulador viene la intensidad máxima que soporta a la entrada o intensidad máxima de carga. Para calcular esta intensidad es muy sencillo, tan solo hay que dividir entre la tensión de la instalación o batería, en nuestro caso 24V.

 Intensidad de Carga del Regulador = 720/24 = 30A (amperios)

 Necesitamos un regulador de 24V con una intensidad de carga de 30A y MPPT
(con seguidor del punto de máxima potencia) para saber más: Regulador de Carga Solar. En ese pagina puedes ver como se calcula el regulador en función de las intensidades de cortocircuito de los paneles, que es la otra forma de calcularlo.

Cuarto Paso: Calculo del Inversor o Convertidor Necesario

 Ya sabemos que dentro de una instalación solar fotovoltaica (ISFTV), el inversor, también llamado convertidor, es el aparato encargado de convertir la corriente continua generada por la instalación, en corriente alterna (c.a.) igual a la de la red eléctrica, corriente alterna a 230V de valor eficaz de tensión y 50Hz (hertzios) de frecuencia. De esta forma podemos utilizar la energía generada para conectar los receptores habituales en c.a. como lámparas, tv, electrodomésticos, etc.

 Debemos elegir un inversor cuya potencia nominal sea igual a la potencia que debe suministrar a las cargas que se van a conectar al inversor, y además, que tenga la misma tensión de entrada y salida que la instalación.

 Para la potencia nominal del inversor se aplica el criterio de que la suma de todas las potencias de los receptores que puedan funcionar a la vez de forma simultánea no sobrepase dicha potencia nominal.

 Para no correr peligro de que se queme el inversor, lo normal es sumar las potencias de todos los receptores e incrementar ese valor multiplicando la suma de las potencias por 1,25, es decir un 25% de sobredimensión. Para la suma de las potencias debemos ir al punto primero. OJO potencias, no consumos diarios. En nuestro ejemplo:

 - 4 lámparas x 60w = 240w

 -  Televisor = 70w

 - Ordenador Portátil = 60w

 - Refrigerador = 200w

 - Microondas = 800w

 Total Potencia, suponiendo que se conecten todos a la vez = 240 + 70 + 60 + 200 + 800 = 1.370w

 Aplicamos la sobredimensión = 1370 x 1,25 = 1.712 w.

 Siempre podemos establecer una potencia mayor por si puntualmente se utiliza algún otro electrodoméstico de mayor consumo, o con el tiempo se amplían los electrodomésticos.

 Para nuestro ejemplo lo más lógico sería un inverso o convertidor de 2.000w de potencia nominal, con una tensión de entrada de 24V y de salida a 230V y 50Hz de frecuencia. Por supuesto de onda sinuidal (corriente alterna).

 OJO si la instalación tiene motores, estos receptores tienen picos de potencia en el arranque que tiene que ser capaz de aguantar el inversor. Para saber más: Inversor Fotovoltaico.

 En internet tenemos una página calculadora online de la instalación que podemos usar, aunque lo más recomendable es calcular la instalación nosotros tal y como vimos. Aquí te dejamos el enlace al Calculador Online Instalacion Fotovoltaica.

Calculo de las Secciones de los Cables

 En las instalaciones fotovoltaicas debe procurarse que todos los elementos están los más cerca posible unos de los otros para que las caídas de tensiones en los conductores o cables sea la menor posible. Según el REBT (reglamento electrotécnico de baja tensión) y el IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía) la caída de tensión máxima de un conductor (entre su inicio y final) no debe superar

 - El 3% para los cables exteriores que salen de los paneles solares. Paneles al regulador.

 - El 1% de la tensión total del sistema, para el resto. Regulador a las baterías, Baterías al Inversor.

 Para 24V el 1% es 1/100 x 24 = 0,24V

 Para 24V el 3% es 3/100 x 24 = 0,72V

 Nunca debe ser mayor la caída de tensión en un conductor de la instalación de estas calculadas.

 Para determinar la sección de los cables de cada una de las partes de la instalación os dejamos una calculadora online de estas secciones: Calculo de la Sección de los Cables en ISFT.

 Una vez calculadas las diferentes secciones con este calculadora, es recomendable comprobar que las caídas de tensión no superan las establecidas por la normativa. Según la fórmula de la sección, en monofásica o corriente continua, de un conductor:

 S = ρ * L * I  / (VA - VB )

 ρ = Resistividad del material conductor (normalmente es cobre y su valor es de 0,018)
 L = Longitud en metros. OJO el doble de la distancia entre aparatos, ya que las pérdidas de tensión son para el positivo y el negativo.
 S = Sección del conductor en milímetros cuadrados
(VA - VB ) = caída de tensión máxima.

 Con esta fórmula podemos calcular directamente la sección, o utilizarla para calcular la caída de tensión máxima  (VA-VB) para un cable determinado por la calculadora anterior y comprobar que la caída de tensión no es mayor del 1% o del 3% dependiendo de la parte de la instalación.

 En nuestra instalación ejemplo no tenemos datos de distancias, por eso no realizamos los cálculos.



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