DIMENSIONADO INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA


Ya explicamos cómo se hace el cálculo de una instalación solar fotovoltaica de autoconsumo.

Ahora vamos a realizar varios dimensionados con métodos diferentes.

Un dimensionado que llamaremos "Simplificado" porque es bastante sencillo, aunque muy útil para pequeñas instalaciones.

El IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía de España) tiene publicado sus recomendaciones, algunas obligaciones, que deben cumplir las instalaciones fotovoltaicas en España, llamadas "Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Aisladas de Red".

Veremos también el ejemplo que viene en este pliego.

Por último, el gobierno de canarias tiene publicad un manual llamado "Guía Técnica de aplicación para Instalaciones de Energía Renovables Instalaciones Fotovoltaicas", donde se recoge un ejemplo de dimensionado(bastante malo la verdad) que también veremos.

Decir que ninguna de ellas explica el dimensionado con tanto detalle como nosotros hacemos en nuestra página, pero viene bien ver otros ejemplos y comparar.

Nuestro dimensionado explicado lo puedes ver aquí: calcular instalación fotovoltaica

Antes de empezar, queremos recomendarte este fantástico libro con el podrás calcular y diseñar todo tipo de instalaciones fotovoltaicas, así como aprender el funcionamiento de todos los componentes que las forman:



Comencemos con los ejemplos.

- Ejemplo simplificado

- Ejemplo según IDAE

- Ejemplo Según Canarias

- Otro Problema Ejemplo de la Guía de Canarias

Ejemplo Simplificado

Debajo de la solución al dimensionado tienes la explicación paso a paso de cómo se resuelve.

ejercicio fotovoltaica

En este ejemplo primero calcula la energía total que consumirá la instalación al día.
Seguidamente se calcula la energía necesaria que debe producir nuestro generador fotovoltaico, teniendo en cuenta que a la energía anterior le sumamos las pérdidas (rendimientos) de la batería y del inversor.

L = Energía Total Diaria / (rendimiento inversor x rendimiento batería)

Esta L es la que nosotros llamamos energía necesaria real.

Luego calcula la energía que necesitaría almacenar la batería, teniendo en cuenta que será la energía calculada anteriormente, pero añadiendo el rendimiento del inverso (0,9) y también la profundidad de descarga máxima de las baterías (0,7 = 705)

CB* = L x Dias de Autonomía/ DOP x rendimiento inversor

DOD = profundidad de descarga.

Esta energía (wh) si la dividimos entre la tensión de la batería obtenemos los Ah (amperios hora) que debería tener nuestra batería.

CB = CB*/V = capacidad de la batería.

Recuerda = w / V = I = Amperios, por lo que:

(W x h) / V = Ah (amperios hora)

Finalmente calcula el número de paneles fotovoltaicos con la fórmula:

Nº módulos = L / (Pmp x HSP x pérdidas generador)

P´mp = potencia pico de cada uno de los módulos elegidos.
HSP = Horas de sol pico o irradiación en Kwh/m2
Pérdidas en el generador, se supone un 25% que es igual a multiplicad por 1 / 0,75.

Ejemplo con IDAE

Este ejemplo se saca de este Pliego.

Datos:

Se pretende electrificar una vivienda rural de una familia formada por 4 personas, situada en el término municipal de San Agustín de Guadalix (latitud = 41°).

El servicio de energía eléctrica ofrecido a los usuarios está recogido en la siguiente tabla:

tabla consumo

El servicio proporcionado incluye la electrificación de la vivienda y un sistema de bombeo de agua (para uso personal y una pequeña granja).

Consumo diario constante todo el año, pero se diseña para el mes de diciembre que es el mes más desfavorable.

Las pérdidas de autoconsumo de los equipos incluyen las del regulador (24 h × 1 W = 24 Wh) y las del inversor, para el que se ha estimado que funcionará 11 horas en vacío con un consumo medio de 2 W (11 h×2W = 22 Wh).

Para diseñar el generador se dispone de un módulo fotovoltaico cuyos parámetros en CEM tienen los siguientes valores:

– Potencia máxima = 110 Wp
– Corriente de cortocircuito = 6,76 A
– Corriente en el punto de máxima potencia = 6, 32 A
– Tensión de circuito abierto = 21,6 V
– Tensión en el punto de máxima potencia = 17,4 V

Orientación e inclinación del tejado:

α = 20º

β = 45º

Estas son las que utilizaremos en la instalación del ejemplo.

1º) Orientación e Inclinación


La orientación óptima será la Sur.

acimut = α = 0º

Pero en nuestro caso no será la óptima, será la del tejado = 20º


Para la inclinación de los módulos utiliza la siguiente tabla:

inclinacion tabla del IDAE modulos

En nuestro caso, se diseña para diciembre, por lo que:

β óptima= 41 + 10 = 51º

Pero en nuestro caso será la del tejado:

β = 45º

Nota: Al no ser las óptimas deberíamos calcular las pérdidas por orientación e inclinación, cosa que no hace el pliego del IDAE.

2º) Irradiación sobre los módulos:

Deberán presentarse los siguientes datos:

Gdm (0) = irradiación media diaria para paneles colocados horizontalmente (0º de inclinación).

Obtenida a partir de alguna de las siguientes fuentes:

– Instituto Nacional de Meteorología
– Organismo autonómico oficial

Ahora debemos calcular (rectificar) para la inclinación y orientación real de nuestros paneles:

Gdm (α, β)

Calculándola a partir de la expresión:


Gdm (α, β) = Gdm (0) x K x FI x FS

donde el parámetro K tenemos que obtenerlo de la tabla anterior (tabla III)

FS es el factor de sombreado.

y FI es el factor de irradiación, que se calcula cuando el ángulo de inclinación y orientación no es el óptimo, ya que si es el óptimo su valor será 1.

Para calcular el factor de irradiación para la orientación e inclinación elegidas se utilizará la expresión aproximada:

factor irradiacion

En nuestro ejemplo tenemos los siguientes datos:

ejemplo datos irradiacion

Gdm (0) en diciembre según INM = 1,67

FI = 1 - [1,2 x 10^-4 (45-51)^2 + 3,5 x 10^-5 x 20] = 0,98

Gdm (α, β) en diciembre = 1,67 x 1,7 x 0,98 x 0,92 = 2,56

3º) Calculo del Generador (cantidad de módulos)

Para

generador fotovaltaica formula

Pm = potencia pico del generador.

Ed = consumo diario en Kwh/día

Gcem = 1.000w/m2 = 1Kw/m2

Gdm (α, β)= irradiación sobre los paneles con inclinación y orientación real.

PR = Rendimiento energético de la instalación o “performance ratio”, PR.

A efectos de cálculo y por simplicidad, se utilizarán en sistemas con inversor PR = 0,7 y con inversor y batería PR = 0,6.

Si se utilizase otro valor de PR, deberá justificarse el valor elegido desglosando los diferentes factores de pérdidas utilizados para su estimación.

Pmp, mini = 0,9 x 1 / 2,56 x 0,6 = 0,9 / 1,536 = 0,5893Kw = 589,3w

Número de paneles = 589, 3 / 110 = 5,35 = 6 módulos.

Potencia máxima del generador = 6 x 110 = 660w

Se elige un generador de 660 Wp (formado por dos módulos en serie y tres ramas en paralelo)

El IDAE dice:

El tamaño del generador será, como máximo, un 20% superior al Pmp, min calculado anteriormente.

En aplicaciones especiales en las que se requieran probabilidades de pérdidas de carga muy pequeñas podrá aumentarse el tamaño del generador, justificando la necesidad y el tamaño en la Memoria de Solicitud.

5º) Calculo del Acumulador

Como norma general, la autonomía mínima de sistemas con acumulador será de 3 días.

El instalador podrá elegir el tamaño del generador y del acumulador en función de las necesidades de autonomía del sistema, de la probabilidad de pérdida de carga requerida y de cualquier otro factor que quiera considerar.

Para asegurar una adecuada recarga de las baterías, la capacidad nominal del acumulador (en Ah) no excederá en 25 veces la corriente (en A) de cortocircuito en CEM del generador fotovoltaico.

La máxima profundidad de descarga (referida a la capacidad nominal del acumulador) no excederá el 80 % (salvo excepciones).

La capacidad inicial del acumulador será superior al 90 % de la capacidad nominal.

Para propósitos de dimensionado del acumulador, se calculará el consumo medio diario en Ah/día, Ld, como:

formula consumo idae

Donde Ld es el consumo diario en Amperios x hora al día

Ed = Consumo diario en vatios hora al día
Vnom = tensión nominal del Acumulador (baterías), OJO no la de los módulos.

En nuestro caso:

La tensión nominal del sistema es de 24 V.

Ld = 900 / 24 = 37, 5 Ah diario

Consumo medio diario en Ah = 37, 5 Ah diario

Tendríamos que saber los días de autonomía para saber por cuanto hay que multiplicar este valor y tener en cuenta la profundidad de descarga (Pd) y los rendimientos.

IDAE nos dice esto:

Se puede calcular la autonomía de las baterías mediante la siguiente expresión:

autonomia baterias fotovoltaica

Lo podemos utilizar para calcular la capacidad de la batería, si nosotros elegimos los días de autonomía.

En nuestro caso nos dice que:

Las tensiones del regulador se ajustan de forma que la profundidad de descarga máxima sea del 70 %.

La eficiencia energética del inversor se estima en el 85 %, y la del regulador + acumulador en el 81%.

También nos dice que se suele utilizar 3 días de autonomía.

C =  (A x Ld)/Pd x rendimientos

Capacidad = (37,5 x 3)/ (0,7 x 0,85 x 0,81) = 233,41Ah

En el caso propuesto el IDAE resuelve:

Un acumulador con una capacidad nominal de 340 Ah en 20 horas.

Nota: La fórmula es muy parecida a la que proponemos nosotros en calculo fotovoltaica:

capacidad baterias fotovoltaica

Nota: Consumo diario / Tensión es = Ld

Los rendimientos serían las pérdidas (el x 1,15).

Del Regulador y del Inversor nada de nada, debe ser que no existen.

Ejemplo de Canarias:

El ejemplo lo obtenemos de ese manual.

Datos
:

Supongamos que partimos de una radiación de 15.000 kJ/m2 y debemos alimentar una carga cuyo consumo sea de 84 W y funcione durante 5 minutos cada hora del día a una tensión nominal de 12 voltios.

El primer paso consiste en calcular el consumo diario total del receptor.

1º) Calculo Consumos

Para ello calcularemos el tiempo diario de funcionamiento y posteriormente la potencia consumida al día.

(5 min/h) x (24 h/día) = 120 minutos/día = 2 horas/día

luego:

84 W x 2 h/día = 168 Wh/día

Como la tensión es de 12 V nominales:

(168 Wh/día)/(12 V) = 14 Ah/día

El consumo resulta ser de 14 amperios-hora por día.

Una vez calculado este dato, procederemos a saber cuánta corriente genera al día un módulo solar.

2º) Número de Módulos

Si suponemos que utilizamos un módulo capaz de proporcionar, a 100 mW/cm2, 2 amperios, a 12V.

Tenemos:

15000 kJ/m2 / 3.600 = 4.17 h.s.p.

Como por hora de sol pico (h.s.p.) el módulo nos da 2 amperios:

4.17 h.s.p. x 2A = 8.34 Ah/día

La potencia pico del módulo será: 12 x 2 = 24w

Energía que produce cada módulo diaria = 4.17 h.s.p. x 24w = 100 wh

Nota: normalmente para calcular la energía producida por un panel fotovoltaico se utiliza esa fórmula pero multiplicando por el rendimiento de los paneles que suele considerarse 0,9.

Aquí no se tiene en cuenta.

Queda entonces evidente que el número de módulos en paralelo que necesitamos, será el resultado de dividir el consumo diario entre la producción diaria del panel.

Por lo tanto:

Número de paneles en paralelo = 168 / 100 = 1.68 = 2 módulos

Como en este caso la tensión es 12 V, el número de paneles en paralelo es mismo que el número total de paneles.

No ocurriría así si la tensión fuera 24 V; en este caso, al ser los módulos de 12 V, nos veríamos obligados a disponer de dos series de dos módulos en paralelo, con el fin de proporcionar la corriente necesaria a la tensión de funcionamiento.

Un aspecto muy a tener en cuenta especialmente en instalaciones comprometidas, es la adición al valor del consumo de un factor de seguridad, también llamado factor de diseño.

Como regla general, suele utilizarse un factor de seguridad del 10% si los datos de radiación se han tomado en las peores condiciones (invierno).

Este tanto por ciento se debe incrementar si utilizamos datos medios de radiación, o bien si las circunstancias del lugar o de la instalación así lo aconsejan.

Si aplicamos pues a nuestro ejemplo un factor de diseño de un 15%, obtenemos:

Consumo + 15 % = 168 x 1.15 = 193wh al día

N° de paneles en paralelo = 193 / 100 = 1.93 = 2 módulos igualmente

Observaremos que el número real de paneles fotovoltaicos no ha cambiado, pero el número teórico ha pasado de ser de 1.6 a ser de 1.93.

El consumo real hay muchas formas de hacerlo, aquí se aumenta un 15%, cosa que no se suele hacer así pero bueno.

Es mejor calcular el consumo real de otra forma, cómo puedes ver aquí: Cálculo Fotovoltaica.

3º) Capacidad de las Baterías

Una de las formas de calcular la capacidad de acumulación consiste en aplicar la siguiente fórmula:

Capacidad = (Consumo x Días de autonomía) / Profundidad de descarga

Supongamos en nuestro ejemplo que se desean asegurar 10 días de autonomía, llegando a una descarga final del 40% si esto se produce.

Aplicando la fórmula anterior tendremos que:

Capacidad = (14 A.h/días) x (10 días) / 0.4 = 350 A.h

Es una forma muy simple, demasiado, de calcular la capacidad de las  baterías.

4º) Calculo del Regulador


"Es recomendable, por lo tanto, dejar un cierto margen de seguridad entre la potencia máxima producida por los paneles y la potencia máxima del regulador.

Un 10% podría ser un buen margen para evitar posibles fallos en el sistema"

En nuestro caso tenemos 2 paneles que producen como máximo cada uno:

Potencia de los paneles 2 amperios producción máxima x 12V = 24 w

Sumándole el 10% tendremos que necesitamos un regulador de 26,4 w de potencia

5º) Calculo del Inversor

No lo calcula, pero debería ser de una potencia mayor a la de los consumos, que son 84w.

Otro Problema Ejemplo de la Guía de Canarias

Datos Iniciales:

Supongamos una familia que habita una casa rural en la que existen 12 puntos de luz de alumbrado fluorescente de alta eficiencia con una potencia de 20W cada uno, y otros 6 puntos de luz de 30W cada uno.

Además hay un frigorífico de bajo consumo que consume 160 Wh de potencia por día y un televisor que consume 50 W.

Se estima que en promedio cada punto de luz de 20 W va a permanecer encendido unas 2 horas al día, y cada uno de los puntos de luz de 30 W otras 2 horas al día; el televisor unas 5 horas por día, y el frigorífico todo el día.

Uso anual.

1º) Calculo del Consumo Diario

El consumo total en un día se calculará así:

tabla consumos

Supongamos que la instalación se encuentra en la provincia de Sevilla, para esta zona, el valor mínimo recomendado de autonomía es de 11 días por lo que la capacidad de la batería será de:

1500 Wh x 11 = 16.500 Wh/día

2º) Calculo de la Capacidad de la Batería

Suponiendo que la tensión de alimentación es de 12 V, tendremos un consumo en amperios hora de 16.500 Wh / 12 V = 1.375 Ah al día

Nota: En su guía de canarias, propone esta otra formula:

Capacidad = (Consumo x Días de autonomía) / Profundidad de descarga

Pero en este caso no la tiene en cuenta. ¿Por qué? Ni idea.

3º) Orientación e Inclinación de los Paneles

Nota: Según la guía de Gobierno de Canarias dice:

"Los paneles solares se orientan siempre hacia el sur y su inclinación debe ser aproximadamente igual a la latitud del lugar incrementada en 15º para maximizar la energía captada en épocas invernales en los que el consumo normalmente es mayor y las horas de radiación y altura solar menor"

Según la IDAE sería, si es de uso anual de la latitud menos 10 grados.

inclinación paneles fotovoltaica

Elegiremos la de la guía del gobierno de canarias:

Los paneles solares se orientan siempre hacia el sur y su inclinación debe ser aproximadamente igual a la latitud del lugar incrementada en 15º para maximizar la energía captada en épocas invernales en los que el consumo normalmente es mayor y las horas de radiación y altura solar menor.

Sevilla latitud = 37.4 º

Inclinación de los paneles será = 37.4 º + 15º = 52,4º

Puedes saber más sobre esto aquí: Inclinación Paneles Solares: Inclinación Paneles Solares.

3º) Calculo Número de Paneles:

Una expresión aproximada para determinar el número de Vatios hora de energía E que puede aportar, a lo largo de un típico día de invierno con escasa nubosidad, un panel cuya potencia nominal sea P Watios, instalado en un lugar cuya latitud sea L grados es:

E = (5 - L / 15) x (1 + L / 100) x P

Nota: NO sabemos de donde sale esa fórmula, por eso no la recomendamos.

Por ejemplo, para Sevilla, con una latitud de 37.4 º, es de esperar que cada panel de 50Wp de potencia, produzca en un día medio de invierno una energía igual a:

E = (5 - 37.4 / 15) x (1 + 37.4/100) x 50 = 2,51 x 1.37 x 50 = 172,4 Wh

El valor E obtenido en la fórmula anterior puede aumentarse hasta un 25%, o bien disminuirse en el mismo porcentaje, según sean las condiciones climatológicas predominantes en los meses invernales, especialmente la nubosidad.

En caso que la nubosidad sea muy escasa, un valor razonable sería un 20% superior al calculado y si, por el contrario, se trata de un lugar en que los inviernos se caracterizan por muchas lluvias y abundante nubosidad, habremos de disminuir de valor E en un 25%.

En nuestro caso lo aumentaremos un 20 % debido a las condiciones climáticas de la provincia en cuestión:

172.4 Wh x 1.2 = 206.9 Wh producen panel en al día.

Conociendo este dato, estamos en disposición de calcular el número de paneles necesarios para nuestra instalación:

Nº de paneles = Consumo diario / Energía aportada por panel

Nº de paneles = = 1.500 / 206,9 = 7,3 (8 paneles de 50Wp).

En definitiva, el sistema solar fotovoltaico para el supuesto estudiado se compone de 8 paneles de 50Wp + un cuadro de conexiones + un regulador de carga adecuado + una batería con una capacidad de 1.375 Ah.

Y ahí lo deja

Creo que bastante pobre y mal planteado, la verdad.


Si quieres aprender todos los componentes de una instalación fotovoltaica, su cálculo y diseño te recomendamos el siguiente fantástico libro:



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