Bloque 9 Clculo de instalaciones solares fotovoltaicas 1
Bloque 9 Cálculo de instalaciones solares fotovoltaicas. 1
1. Instalaciones generadoras de Baja Tensión 2. Cálculo de instalaciones solares fotovoltaicas 2
1. Instalaciones generadoras de Baja Tensión 1. 1. DIFERENTES TIPOLOGÍAS: 1. 1. A. Instalaciones fotovoltaicas conexión a red. 1. 1. B. Instalación fotovoltaica sin conexión a red (aislada). 1. 1. C. Instalaciones sin conexión a red híbridas (fotovoltaicaeólica- grupo electrógeno). 3
1. 1. A. Instalaciones fotovoltaicas conexión a red. A) Constitución B) Dimensionamiento C) Funcionamiento A) Constitución Un sistema fotovoltaico de conexión a red es un tipo de instalación en la que intervienen 3 elementos: • Los paneles fotovoltaicos • El inversor • La línea eléctrica de la red. Los sistemas fotovoltaicos conectados a red vierten toda la energía producida a la red eléctrica Dos tipos: Sistemas descentralizados y centralizados. 4
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red Sistemas descentralizados: Tejados, escuelas, integración en fachadas, elementos urbanísticos (marquesinas, techos de parking…) Sistemas centralizados: Grandes plantas o centrales fotovoltaicas, integración arquitectónica en grandes superficies, huertas solares, etc. La integración fotovoltaica en edificios está considerada como el gran potencial de la fotovoltaica dada la gran capacidad de producción en tejados y fachadas. 5
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red Como ya hemos dicho un sistema fotovoltaico conectado a red está formado por: - El generador fotovoltaico (varios módulos) - El inversor fotovoltaico (DC-AC) con MPPT (seguidor del punto de máxima potencia) - El contador (para facturar la energía producida) 6
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red ¿por qué una instalación fotovoltaica conectada a red? Las motivaciones para realizar una conexión a red son puramente económicas pues recibe una prima por la generación de este tipo de electricidad, situando el precio de la electricidad vendida muy por encima del precio medio de referencia de la electricidad. La causa: las políticas de fomento de la instalación de energías renovables en la UE, hace que estas instalaciones se consideren como una inversión. Las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red funcionan en paralelo con la red eléctrica. La instalación genera electricidad que se inyecta en la red. Todo el proceso es automático y pasivo pues carece de partes móviles con lo que el mantenimiento y el desgaste son prácticamente nulos. La compañía eléctrica instala un contador de energía que registra la cantidad de energía inyectada a la red para pagársela al usuario. Si además de producir energía se consume, este consumo se realizará de forma convencional de la red, instalándose otro contador para registrarlo. 7
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red Las dos partes fundamentales que conforman un sistema fotovoltaico conectado a red son el generador fotovoltaico y el inversor. Ya habíamos descrito en profundidad estos elementos en la Unidad Formativa 2 del Módulo Formativo 1, pero recordemos ahora unas nociones básicas. a) El generador fotovoltaico Un generador fotovoltaico comprende una variedad de componentes tales como: módulos, estructura soporte, diodos de “by-pass”, diodos de bloqueo, fusibles, cables y terminales, dispositivos de protección contra sobretensiones (varistores), seccionadores y/o interruptores y cajas de conexión. 8
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red A una asociación de varios módulos en serie se la denomina rama. En ramas de módulos con tensiones de circuito abierto mayores de 30 V (con más de 2 módulos conectados en serie), es necesario instalar en antiparalelo con ellas, diodos de “by-pass” (para evitar el efecto nocivo del sombreado). Los diodos de bloqueo se instalan en serie con cada rama para evitar que las ramas menos iluminadas actúen como cargas de las más iluminadas en situación de cielo parcialmente nublado. Los fusibles protegen a los conductores de sobrecorrientes. El cableado de un generador fotovoltaico en un sistema conectado a red debe tener la sección suficiente para permitir el paso de la máxima corriente generada sin sobrecalentarse o sin presentar caídas de tensión según normativa actual vigente (sección suficiente para que la caída de tensión sea inferior de 1, 5%). 9
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red Se emplearán seccionadores que permitan aislar el generador fotovoltaico del equipo o equipos a él conectados. Los positivos y negativos de cada grupo de módulos se conducirán separados siendo el cableado de doble aislamiento y adecuado para su uso en intemperie, al aire o enterrado. Las cajas de conexión son muy importantes en el generador fotovoltaico. La estructura soporte del generador fotovoltaico sirve para unir y dotar de rigidez a la asociación serie/paralelo de paneles. Estará diseñada para soportar las cargas mecánicas que pudieran presentarse en cada caso: viento, nieve, contracciones o dilataciones por cambios de temperatura, etc. La orientación óptima para el generador fotovoltaico será, en el hemisferio norte, la Sur y la inclinación óptima sobre la horizontal la podemos situar para un país como España igual a la latitud del lugar con objeto de captar la máxima radiación anual. 10
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red b) El inversor es el elemento más importante de la instalación fotovoltaica conectada a red. Funciona como interfase entre el generador fotovoltaico y la red eléctrica. Un inversor está compuesto por una etapa sintetizadora y por una etapa filtradora. La etapa sintetizadora produce una onda de impulsos a partir de la tensión en continua que proviene del generador fotovoltaico, mientras que la etapa filtradora elimina los armónicos para producir una onda totalmente senoidal. 11
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red El inversor realiza las funciones de: • Transformar la corriente continua en alterna. • Conseguir el mayor rendimiento del campo fotovoltaico. • Realizar el acoplamiento a la red. • Protecciones. Los inversores utilizados para conexión a red se diferencian de los utilizados en sistemas autónomos en que disponen de un control sobre la generación de la forma de onda de salida que depende de la situación de la tensión de red. Es la tensión de red por tanto la que determina la frecuencia, tensión y sincronismo de la onda generada. 12
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red B) Dimensionamiento de un sistema fotovoltaico conectado a red En la configuración de un sistema fotovoltaico de conexión a red intervienen distintos factores que determinan la selección y el diseño del sistema. En el siguiente tema veremos cómo se realiza el cálculo y dimensionado, detallado y preciso, de cada uno de los elementos que componen un sistema fotovoltaico conectado a red Los principales elementos que se deben utilizar en una primera fase de diseño de un sistema fotovoltaico conectado a la red: • • • La tensión del campo de paneles. (12, 24, 48 v…) La potencia del campo de paneles. (potencia inversor: 80% de Pp. paneles) Las características de la red eléctrica. (frecuencia, calidad…) 13
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red Tipo de red disponible en el punto de conexión Instalaciones de más de 5 KW → Conexión a red trifásica. Instalaciones de 5 KW o menos → Conexión a red monofásica. Calidad de la red Para garantizar un funcionamiento adecuado del sistema es necesaria una calidad de red mínima. Tipos de perturbaciones que se pueden encontrar en la red, tenemos los siguientes: – – Microcortes. Tensión fuera del rango admisible. Distorsión de la forma de onda. Caídas de tensión. 14
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red C) Funcionamiento de una instalación fotovoltaica conectada a red El inversor controla todo el funcionamiento del sistema: - Un sistema de control le permite un funcionamiento completamente automatizado. - durante los períodos nocturnos el inversor permanece parado vigilando los valores de tensión en la red y del generador fotovoltaico. - al amanecer, la tensión del generador fotovoltaico aumenta, lo que pone en funcionamiento el inversor que comienza a inyectar corriente en la red. - Si hay fallo de la red eléctrica y se interrumpe el suministro, el inversor se desconecta por completo y espera a que se restablezca la tensión en la red para iniciar de nuevo su funcionamiento. - Si la tensión de red se encuentra fuera del rango de trabajo aceptable, el inversor interrumpe su funcionamiento hasta que dicha tensión vuelva a encontrarse dentro del rango admisible. 15
Instalaciones fotovoltaicas conexión a red - Si la frecuencia de la red está fuera de los límites de trabajo se para inmediatamente pues esto indicaría que la red es inestable o está en modo isla. - Si la temperatura ambiente se incremente excesivamente o accidentalmente se tapen los canales de ventilación, el equipo seguirá funcionando pero reducirá la potencia de trabajo a fin de no sobrepasar internamente los 75ºC. Esta situación se indica con el LED de temperatura intermitente. Si internamente se llega a 80ºC, se parará y el intermitente se quedará fijo iluminado. - Si la tensión del generador es muy baja el inversor no puede funcionar (p. e por la noche). - Si el generador no dispone de potencia debido a que la radiación solar es muy baja, se para el equipo para posteriormente iniciar un nuevo intento de conexión tras unos 3 minutos. 16
1. 1. B. Instalación fotovoltaica aislada (sin conexión a red). A) Constitución y Funcionamiento. B) Dimensionamiento A) Constitución y Funcionamiento. No dispone de conexión alguna con la red eléctrica externa. Son los sistemas más extendidos y numerosos, abarcando aplicaciones tanto domésticas (electrificación básica, bombeo, etc. ) como profesionales (telecomunicaciones, señalización, etc. ). Dos tipos: los sistemas con acumulación y los sistemas directos. Los más extendidos son los de acumulación. Los sistemas de acumulación (“autónomos”), disponen de elementos acumuladores (baterías) que posibilitan el suministro eléctrico en períodos más o menos prolongados de inactividad de los paneles (autonomía). Los sistemas directos no poseen baterías, aplicándose en aquellos casos en los que las interrupciones y variaciones en el suministro eléctrico no son un inconveniente. 17
Instalación fotovoltaica aislada (sin conexión a red). Los sistemas híbridos son aquellos que disponen de alguna otra fuente eléctrica (aerogenerador, grupo electrógeno, …) además de los paneles fotovoltaicos, sea cual sea la función del elemento generador en cuestión (apoyo, auxiliar, etc. ). Los elementos fundamentales que constituyen la instalación fotovoltaica aislada: • Paneles fotovoltaicos. • Acumulador (Baterías) • Regulador • Inversor • Carga (consumo) El acumulador • El acumulador o batería permite disponer de energía eléctrica en ausencia de radiación solar. • Es un elemento caro, poco robusto y de cierta peligrosidad. Es el punto débil de los sistemas fotovoltaicos aislados (su vida útil es mucho menor que resto de componentes). 18
Instalación fotovoltaica aislada (sin conexión a red). El regulador Elemento que regula la carga y descarga del acumulador, y que controla el sistema. Las funciones del regulador son: • Estabilizar la corriente y tensión del sistema de módulos fotovoltaicos. • Búsqueda del punto de máxima potencia. • Protección de las baterías frente a sobrecargas y sobredescargas. • Facilitar información del sistema Los convertidores: Son elementos que transformas la tensión y la corriente eléctrica que reciben: - Reciben CC a determinado voltaje y la convierten CC a diferente voltaje: convertidor DC-DC. - Reciben CC y la convierten en CA: inversor DC-AC 19
Instalación fotovoltaica aislada (sin conexión a red). B) Dimensionamiento Posteriormente veremos con detenimiento y profundidad cómo calcular y dimensionar una instalación solar fotovoltaica. - Punto de partida: caracterizar las cargas de la instalación - Después: calcular el acumulador necesario (sus dimensiones) y calcular, si fuese necesario, un equipo de apoyo (aerogenerador y/o grupo electrógeno). - Finalmente: cálculo de la potencia de paneles, la elección del panel, el dimensionado del regulador, dimensionado del inversor, cálculo de la sección del cableado, etc. 20
1. 1. C. Instalaciones aisladas híbridas (fotovoltaica- eólica- grupo electrógeno). A) Funcionamiento y configuración. B) Dimensionado. A) Funcionamiento y configuración. Para disponibilidad total de servicio eléctrico en ocasiones hay que incluir en el sistema de otros elementos generadores además de los módulos fotovoltaicos: Son los “sistemas híbridos” Los dos tipos de generadores adicionales o de apoyo más frecuentes en instalaciones fotovoltaicas son el aerogenerador y el grupo electrógeno: 21
Instalaciones aisladas híbridas (fotovoltaica- eólica- grupo electrógeno). - Aerogenerador: la buena complementariedad entre los recursos solar y eólico. El eólico se considera auxiliar para cubrir sólo una fracción de la demanda energética de la instalación (en torno al 20 %). El uso de un aerogenerador supone, normalmente, la inclusión en el sistema de los siguientes elementos: turbina eólica, torre y regulador. 22
Instalaciones aisladas híbridas (fotovoltaica- eólica- grupo electrógeno). - Grupo electrógeno: Cuando es preciso asegurar la disponibilidad de servicio eléctrico. También para cubrir ciertos consumos de alta potencia. Combustible Potencia Uso Gasóleo > 5 KW Frecuente Gasolina < 2 KW < 5 KW Frecuente Esporádico Gas (propano o butano) < 5 KW Frecuente 23
Instalaciones aisladas híbridas (fotovoltaica- eólica- grupo electrógeno). B) Dimensionado. Posteriormente veremos este punto con más detenimiento y profundidad. Punto de partida: la energía consumida por las cargas debe ser producida por los distintos sistemas de generación existentes en el sistema. - Con grupo electrógeno: la energía producida por este se resta del consumo de la instalación. - Con aerogenerador: la producción de energías renovables se dividirá entre el campo fotovoltaico y el aerogenerador. 24
1. 2. Circuitos de continua y circuitos de alterna. Como ya vimos anteriormente, la corriente eléctrica generada en los paneles fotovoltaicos es de tipo continua (CC). Pero el uso en instalaciones autónomas de elementos de alterna o la necesidad de transformar esta corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) para su inyección en la red (en el caso de sistemas conectados a red), hacen necesario el inversor, convertidor o ondulador. Los inversores para fotovoltaica se clasifican según su aplicación y su forma de onda. Según la aplicación: inversores autónomos o inversores de conexión a red (estos últimos de características y requisitos reglamentarios específicos). Según la forma de onda: - De onda cuadrada: para aparatos puramente resistivos. - De onda cuadrada modulada: para alumbrado, pequeños motores y equipos electrónicos no muy sensibles a la señal de alimentación. - De onda senoidal pura: para cualquier aparato de consumo o la conexión a red. - De onda senoidal modificada: intermedio entre los anteriores, permite ampliar el nº de elementos de consumo y de potencia. 25
1. 2. Circuitos de continua y circuitos de alterna. El instalador fotovoltaico no sólo coloca y conecta los elementos, sino que se encarga de la puesta en marcha y el mantenimiento. Identificar y conocer las peculiaridades de los distintos circuitos eléctricos que forman un sistema FV resulta algo muy conveniente (si no imprescindible) de cara al análisis y compresión del mismo. Circuitos principales que se pueden encontrar en un sistema FV: SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO: CAMPO FV – REGULADOR (CC) REGULADOR – BATERÍAS (CC) BATERIAS – INVERSOR (CC) BATERIAS - CONSUMO EN CC (CC) INVERSOR - CONSUMO EN CA (CA) SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A RED: CAMPO FV – INVERSOR (CC) INVERSOR – RED (CA) Es frecuente que los terminales principales del campo FV resulten de la conexión en paralelo de varias filas de módulos, constituyendo cada una de ellas un circuito generador eléctrico secundario (con su intensidad correspondiente). 26
1. 3. Reglamento electrotécnico para baja tensión (rebt) y sus instrucciones complementarias. El Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión consta de 29 artículos y 51 Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC), que a continuación describiremos. Consulta de reglamento: http: //www. jmcprl. net/NORMATIVA/%28 REBT%29. htm En este tema veremos los siguientes apartados: - Artículos (desde el 1 hasta el 29) - Índice de las instrucciones técnicas complementarias 27
REBT: artículos • • • • Artículo 1. Objeto. Artículo 2. Campo de aplicación. Artículo 3. Instalación eléctrica. Artículo 4. Clasificación de las tensiones. Frecuencia de las redes. Artículo 5. Perturbaciones en las redes. Artículo 6. Equipos y materiales. Artículo 7. Coincidencia con otras tensiones. Artículo 8. Redes de distribución. Artículo 9. Instalaciones de alumbrado exterior. Artículo 10. Tipos de suministro. Artículo 11. Locales de características especiales. Artículo 12. Ordenación de cargas. Artículo 13. Reserva de local. Artículo 14. Especificaciones particulares de las Empresas suministradoras. Artículo 15. Acometidas e instalaciones de enlace. 28
REBT: artículos • • • • Artículo 16. Instalaciones interiores o receptoras. Artículo 17. Receptores y puesta a tierra. Artículo 18. Ejecución y puesta en servicio de las instalaciones. Artículo 19. Información a los usuarios. Artículo 20. Mantenimiento de las instalaciones. Artículo 21. Inspecciones. Artículo 22. Instaladores Autorizados. Artículo 23. Cumplimiento de las prescripciones. Artículo 24. - Excepciones. Artículo 25. - Equivalencia de normativa del Espacio Económico Europeo. Artículo 26. Normas de referencia. Artículo 27. Accidentes. Artículo 28. Infracciones y sanciones. Artículo 29. Guía técnica. 29
REBT: Índice de las instrucciones técnicas complementarias • • • • Instrucción Título ITC-BT-01 Terminología. ITC-BT-02 Normas de referencia en el Reglamento electrotécnico de baja tensión. ITC-BT-03 Instaladores autorizados y empresas instaladoras autorizadas. ITC-BT-04 Documentación y puesta en servicio de las instalaciones. ITC-BT-05 Verificaciones e inspecciones. ITC-BT-06 Redes aéreas para distribución en baja tensión. ITC-BT-07 Redes subterráneas para distribución en baja tensión. ITC-BT-08 Sistemas de conexión del neutro y de las masas en redes de distribución de energía eléctrica. ITC-BT-09 Instalaciones de alumbrado exterior. ITC-BT-10 Previsión de cargas para suministros en baja tensión. ITC-BT-11 Redes de distribución de energía eléctrica. Acometidas. ITC-BT-12 Instalaciones de enlace. Esquemas. ITC-BT-13 Instalaciones de enlace. Cajas generales de protección. ITC-BT-14 Instalaciones de enlace. Línea general de alimentación. ITC-BT-15 Instalaciones dé enlace. Derivaciones individuales. 30
REBT: Índice de las instrucciones técnicas complementarias ITC-BT-16 Instalaciones de enlace. Contadores: ubicación y sistemas de instalación. ITC-BT-17 Instalaciones de enlace. Dispositivos generales e individuales de mando y protección. Interruptor de control de potencia. ITC-BT-18 Instalaciones de puesta a tierra. ITC-BT-19 Instalaciones interiores o receptoras. Prescripciones generales. ITC-BT-20 Instalaciones interiores o receptoras. Sistemas de instalación. ITC-BT-21 Instalaciones interiores o receptoras. Tubos y canales protectoras. ITC-BT-22 Instalaciones interiores o receptoras. Protección contra sobreintensidades. ITC-BT-23 Instalaciones interiores o receptoras. Protección contra sobretensiones. ITC-BT-24 Instalaciones interiores o receptoras. Protección contra los contactos directos e indirectos. ITC-BT-25 Instalaciones interiores en viviendas. Número de circuitos y características. ITC-BT-26 Instalaciones interiores en viviendas. Prescripciones generales de instalación. ITC-BT-27 Instalaciones interiores en viviendas. Locales que contienen una bañera o ducha. ITC-BT-28 Instalaciones en locales de pública concurrencia. ITC-BT-29 Prescripciones particulares para las instalaciones eléctricas de los locales con riesgo de incendio o explosión. ITC-BT-30 Instalaciones en locales de características especiales. ITC-BT-31 Instalaciones con fines especiales. Piscinas y fuentes. ITC-BT-32 Instalaciones con fines especiales. Máquinas de elevación y transporte. ITC-BT-33 Instalaciones con fines especiales. Instalaciones provisionales y temporales de obras. 31
REBT: Índice de las instrucciones técnicas complementarias ITC-BT-34 Instalaciones con fines especiales. Ferias y stands. ITC-BT-35 Instalaciones con fines especiales. Establecimientos agrícolas y hortícolas. ITC-BT-36 Instalaciones a muy baja tensión. ITC-BT-37 Instalaciones a tensiones especiales. ITC-BT-38 Instalaciones con fines especiales. Requisitos particulares para la instalación eléctrica en quirófanos y salas de intervención. ITC-BT-39 Instalaciones con fines especiales. Cercas eléctricas para ganado. ITC-BT-40 Instalaciones generadoras de baja tensión. ITC-BT-41 Instalaciones eléctricas en caravanas. y parques de caravanas. ITC-BT-42 Instalaciones eléctricas en puertos y marinas para barcos de recreo. ITC-BT-43 Instalación de receptores. Prescripciones generales. ITC-BT-44 Instalación de receptores. Receptores para alumbrado. ITC-BT-45 Instalación de receptores. Aparatos de caldeo. ITC-BT-46 Instalación de receptores. Cables y folios radiantes en viviendas. ITC-BT-47 Instalación de receptores. Motores. ITC-BT-48 Instalación de receptores. Transformadores y autotransformadores. Reactancias y rectificadores. Condensadores. ITC-BT-49 Instalaciones eléctricas en muebles. ITC-BT-50 Instalaciones eléctricas en locales que contienen radiadores para saunas. ITC-BT-51 Instalaciones de sistemas de automatización, gestión técnica de la energía y seguridad para viviendas y edificios. 32
1. 4. Normativa en el TC 82 de CENELEC. El CENELEC es una institución de normalización (European Commission for Electrotechnical Standardization). Uno de sus Comités Técnicos es el TC 82 de sistemas de energía solar fotovoltaica (“Solar Photo-voltaic Energy Systems“). http: //www. cenelec. eu/dyn/www/f? p=104: 7: 2688414951739148: : FSP_ORG _ID, FSP_LANG_ID: 989, 25 33
1. 5. NORMAS ESFV (energía solar fotovoltaica) EN AENOR. 34
2. Cálculo de instalaciones solares fotovoltaicas. 2. 1. VARIABLES Y FACTORES DE CÁLCULO MÁS IMPORTANTES: En una primera fase del diseño y dimensionado de una instalación fotovoltaica se debe decidir cual va a ser la Potencia Nominal de la Instalación. Este cálculo será muy diferente si se trata de una instalación fotovoltaica aislada o una instalación conectada a red: A) En una instalación conectada a red la Potencia Nominal de la Instalación se elige en función del presupuesto disponible y de la cantidad de electricidad que se pretende generar. La superficie disponible es un aspecto importante pues puede condicionar el desarrollo del proyecto B) En el caso de instalación aislada se debe calcular de la manera más aproximada posible los consumos de la instalación. Para ello debemos conocer: – La potencia de las cargas (P unitaria) en vatios (w) – El número de cargas (U) – El tiempo de funcionamiento de estas cargas (t) en horas 35
Cálculo de instalaciones solares fotovoltaicas. Condiciones climáticas. Antes de comenzar el dimensionado de una instalación solar fotovoltaica es necesario conocer las condiciones climáticas que se esperan en la ubicación elegida: • Radiación solar disponible (radiación solar media o horas de sol pico HSP) • la temperatura media diaria (la curva I-V del panel fotovoltaico varía). • el viento (calcular su carga del viento y dimensionar los soportes). Datos de partida de radiación solar: • Campaña de medidas exhaustiva (mediante piranómetros…). • Métodos de cálculo para calcular la radiación solar. • Tablas y mapas de radiación. Uno de los mapas de radiación más completos de los que disponemos y que tiene la ventaja de ser de fácil consulta a través de Internet es el PV-GIS: http: //sunbird. jrc. it/pvgis/apps/radmonth. php 36
2. 2. Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Parámetros característicos de EFCR (Edificio Fotovoltaico Conectado a Red). DISEÑO DE EFCR. CONSIDERACIONES GENERALES. Se trata de un edificio en el que se combinan sistemas interdependientes (estructura, mecánico, eléctrico, humano, . . . ) Es importante previamente realizar un análisis de la viabilidad del EFCR: - Emplazamiento: superficie disponible y ubicación - Efecto de sombras: ¡cuidado, puede ser crítico! - Tipo de aplicación (ESF): análisis de necesidades y prioridades. 37
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. DIMENSIONADO DE EFCR Consiste en el cálculo de la potencia necesaria de un EFCR (generador e inversor), para generar determinada energía útil. Como datos de partida tenemos: • Energía útil deseada anual (EFV) • Superficie disponible: orientación, inclinación • Sombras (estudio previo: Factor de Sombras) • Radiación anual sobre superficie óptima (orientación sur; inclinación= latitud). Horas de sol Pico equivalente (HSP). El siguiente paso será la estimación de la energía útil de un sistema con ubicación óptima. Una vez obtenida la energía óptima teórica haremos unas correcciones por ubicación real y sombras. A partir de estos valores calcularemos las potencias nominales y superficie necesaria para el generador. 38
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. ENERGÍA ÚTIL ESPERABLE: Partimos de la potencia nominal de la instalación y del nº de horas equivalentes de sol (HSP). A partir de ahí se obtiene la Energía máxima teórica generada. EFV-DC-ideal = Pn (w) * HSP(horas) Si tenemos en cuenta el factor de pérdidas en DC, FPDC (cables, temperatura de células…) y el factor de pérdidas en la conversión DC/AC, FPDC/AC (inversor, desconexiones…) obtendremos la energía generada realmente. Podemos agrupar los diferentes factores de pérdidas en el PR (factor de rendimiento o rendimiento global, PR= FPDC * FPDC/AC). 39 De esta manera obtendríamos la energía generada realmente como múltiplo de la energía útil
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Datos de partida; Emplazamiento. Superficies utilizables. Una vez que se ha decidido proceder con la instalación, tras todos los estudios previos (económicos, sociales y técnicos), hay que decidir el emplazamiento físico. Esta selección debe hacerse con cuidado, puesto que es muy difícil, si no imposible, hacer modificaciones más tarde. Algunos puntos importantes son: • emplazamiento en la comunidad • Evitar sombras • Construcción de la estructura soporte • La ubicación de la totalidad de los componentes 40
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Emplazamientos Posibles: - Sobre mástiles. - Sobre el suelo. - Sobre tejado. - Anclados a paredes - Arquitectura fotovoltaica: La integración fotovoltaica en edificios está considerada como el gran potencial de la fotovoltaica dada la gran capacidad de producción en tejados y fachadas. 41
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Radiación solar sobre superficies inclinadas. A nivel práctico cuando queremos estimar la radiación solar sobre una superficie inclinada a partir de los datos obtenidos de radiación solar en plano horizontal, solemos hacer uso de tablas de conversión (ver tablas en anexos del Pliego de Condiciones Técnicas editado por el IDAE). Existen desarrollos matemáticos que relacionan la radiación total IT(i) sobre una superficie inclinada un ángulo θn , que incluye el albedo ρ: Donde: ηD = cos θn + sin θn. tg (θs = ángulo de incidencia del Sol sobre la superficie inclinada) 42
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Cálculo del sombreado del generador: Sombreamientos externo y entre captadores. A - Distancia mínima entre filas de captadores B - Cálculo de sombras de obstáculos A - Distancia mínima entre filas de captadores La distancia d, medida sobre la horizontal, entre una fila de captadores y un obstáculo, de altura h, que pueda producir sombras sobre la instalación deberá garantizar un mínimo de 4 horas de sol en torno al mediodía del solsticio de invierno. Esta distancia d será superior al valor obtenido por la expresión: d = h. k 43
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. B - Cálculo de sombras Cálculo de las pérdidas de radiación solar por sombras Las pérdidas de radiación solar que experimenta una superficie debidas a sombras circundantes se expresan como porcentaje de la radiación solar global que incidiría sobre la mencionada superficie de no existir sombra alguna. El procedimiento consiste en la comparación del perfil de obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias del Sol. Los pasos a seguir son los siguientes: 1) Obtención del perfil de obstáculos 2) Representación del perfil de obstáculos 3) Selección de la tabla de referencia para los cálculos 4) Cálculo final 5) Tablas de referencia 44
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Ejemplo: 45
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles. Como ya vimos anteriormente, para que un receptor en el hemisferio Norte realice una absorción de energía máxima anual deberá estar orientado al Sur, con una inclinación aproximadamente igual a la latitud del lugar, θn = λ. Para optimizar la captación en invierno, la inclinación hacia el Sur debe ser igual a (λ + 10°) y en verano (λ - 10°). Existen cálculos más exactos conocer el ángulo óptimo de inclinación de los paneles fotovoltaicos en función de la latitud, para cada uno de los días del año 46
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. El dimensionado de un sistema fotovoltaico conectado a la red comprende los siguientes pasos: 1. Dimensionado del generador fotovoltaico. 2. Dimensionado del inversor. 1. Dimensionado del generador fotovoltaico A la hora de dimensionar el generador fotovoltaico debemos de tener en cuenta los siguientes condicionantes: • Potencia nominal de la instalación • Módulos fotovoltaicos a emplear 47
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. A partir de la Potencia nominal de la instalación (kwp) La energía obtenida cada mes: EPX = kx·Hx·Pmp·PR·(nº de días del mes x)/GCEM EPX energía producida en el mes x en Kwh. Kx es el factor de corrección por inclinación de paneles para el mes x. Hx será la energía en Kwh sobre m 2 de superficie horizontal en un día medio del mes x Pmp será la potencia pico del campo generador expresada en Kwp. PR es el factor de rendimiento , tiene en cuenta: dependencia de la temperatura, eficiencia del cableado, pérdidas por dispersión de parámetros y suciedad, pérdidas en el seguimiento del punto de máxima potencia, eficiencia del inversor, etc. Se suele tomar PR = 0, 8 GCEM = 1 k. W/m 2 (Radiación en Condiciones Estándar de Medida) La energía inyectada anualmente se estimará sumando las mensuales. 48
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Módulos fotovoltaicos a emplear Existen diversos fabricantes que ofrecen paneles con distintas potencias. Un panel se caracteriza por unas determinadas propiedades eléctricas en CEM: medidas en condiciones estándar: – – – Pmax: potencia pico del panel (Wp) Vmax: tensión en el punto de máxima potencia (V) Imax: intensidad en el punto de máxima potencia (A) ISC: intensidad de cortocircuito (A) VOC: tensión de circuito abierto (V) Si se quiere instalar una potencia de generador fotovoltaico Pmp y se dispone de paneles fotovoltaicos de potencia Pmax, el número de estos a instalar sería igual a: Nº de paneles = Pmp/Pmax Además habrá que tener en cuenta el margen de tensiones de entrada del inversor. 49
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. 2. Dimensionado del inversor Se ha de determinar la potencia en corriente continua (DC) de entrada nominal (máxima) que debe admitir el inversor PINV. Tal y como se vio anteriormente esta potencia depende de la del campo generador Pmp y se suele tomar un 70 -80% del valor de ésta. Esto se debe a: • La potencia pico del inversor se alcanza en ocasiones muy puntuales. Lo habitual es que el inversor trabaje al 70% de su potencia. • La potencia pico es la correspondiente a una temperatura de célula de 25ºC y 1. 000 W/m 2, situación muy poco probable en la realidad. • Existen pérdidas por el desacople de módulos (por ejemplo sombreados parciales) y por otros factores. En la práctica, los fabricantes ofrecen inversores de potencias múltiplos de 5 Kw. 50
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Una vez que se ha determinado la potencia del inversor y elegido este entre los disponibles en el mercado que se ajuste a dicha potencia, determinaremos el conexionado de los paneles del campo generador. Se trata de determinar: • Nº de ramas en paralelo • Nº de paneles en serie de una rama. El número de paneles en serie de una rama debe ser tal que la suma de todas las tensiones en el punto de máxima potencia de los paneles de la rama este por debajo de la tensión de entrada máxima DC al inversor y que se puede designar por VMAX, DC. Esta tensión máxima en continua de entrada al inversor dividida, VMAX, DC, entre la tensión en el punto de máxima potencia del panel, Vmax , nos dará el número paneles en serie en una rama del generador: Nº de paneles en serie de una rama = VMAX, DC / Vmax 51
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Una vez se ha obtenido el nº de paneles en serie de una rama se deberán añadir tantas ramas en paralelo como sean necesarias hasta completar, aproximadamente, la potencia del campo generador que se desea instalar. Para el cálculo se divide la potencia que se desea de generador fotovoltaico Pmp entre la potencia generada en cada rama (resultante de multiplicar la potencia de cada panel por el número de paneles existentes en serie en cada rama). Nº ramas en paralelo = Pmp /(nº paneles en serie de una rama*P 1) El número de paneles del campo generador se calculará multiplicando el número de paneles de cada rama (en serie) por el número de ramas (en paralelo): Nº paneles = nº paneles en serie de una rama x nº ramas en paralelo. 52
Cálculo de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Dimensionado del cableado. La sección del cable se calcula como: Donde: S= sección mínima del cable en mm 2 L= longitud del cable (solo ida), en metros I= Intensidad máxima en Amperios V= Tensión de trabajo en Voltios. ΔV = Caída de tensión en %. Una vez obtenida la sección, se elige una sección nominal de los distintos cables existentes en el mercado. 53
2. 3. Métodos de cálculo de instalaciones no conectadas a red. Estimación del consumo. El primer paso será la caracterización de las cargas, como ya vimos debemos conocer: • La potencia de las cargas (P unitaria) en vatios (w) • El número de cargas (U) • El tiempo de funcionamiento de estas cargas (t) en horas La Energía (E, medida en vatios-hora, wh) que es necesario generar será como mínimo: E = P unitaria. U. t SI tenemos en cuenta la simultaneidad: • P carga = P unitaria * Ud * F Siendo F el factor de simultaneidad entre cargas del mismo tipo. 54
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). 55
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles. Recordemos de lo visto anteriormente que la inclinación óptima de los paneles, que se calcula como la latitud más unos grados que dependen de la utilización de la instalación. Dependiendo del lugar de colocación de los paneles no siempre es posible adecuarse a esta inclinación óptima, optándose por otra diferente, especialmente cuando quiere integrase arquitectónicamente los paneles fotovoltaicos. TIPOS DE USOS Incremento de inclinación Fines de semana invierno 10 º Fines de semana verano -10 º Invierno 10 º Todo el año 10 º Verano -10 º 56
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Dimensionado del generador fotovoltaico. En general podemos pensar que la Energía consumida por la instalación debe ser cubierta mediante la Energía generada: E consumida = E generada Siendo la Energía generada el producto de la potencia del generador por el tiempo de funcionamiento E generada = P generador. t funcionamiento Como es lógico el campo de paneles fotovoltaico se dimensionará para que en el peor mes produzca suficiente energía para alimentar la instalación (solo producción fotovoltaica). El peor mes no es sólo el de radiación más desfavorable, ya que puede que en ese mes no existan consumos. El peor mes es una mezcla del de peor radiación con máximo consumo. 57
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Para dimensionar los paneles se define un parámetro que son las horas sol pico (HSP). Se define las horas de sol pico (HSP) como el “número de horas al día, en un mes determinado, en las que tenemos una radiación de 1000 w/m 2”. Este coeficiente representa la energía producida en un día por el panel pero como si solo estuviera funcionando las horas de sol pico a potencia máxima (1000 vatios), es decir un panel de 100 W con 3. 5 HSP produce en un día 350 Wh. Para calcular las HSP necesitamos la radiación en una superficie horizontal y un factor que depende de la inclinación. HSP = 0. 2778 * H * K H es la radiación en una superficie horizontal en MJ/m 2 día. K es el coeficiente de inclinación. En este punto debemos considerar las posibles pérdidas por sombra, %. 58
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Finalmente la potencia de paneles (potencia pico, Wp) necesaria se obtiene mediante: Wp= Efotovoltaica / HSP donde: - Wp representa los W pico necesario en paneles. - Efotovoltaica es la producción fotovoltaica en Wh/día. Las HSP dependen del mes ya que como es lógico no existe igual radiación en todos los meses, siendo esta superior en verano. Como tenemos los consumos y las HSP mes a mes, podemos calcular los Wp necesarios para cada mes, siendo entonces el peor mes el que más Wp necesite. Los paneles se dimensionan para ese máximo de Wp necesarios incrementándolos en un 20% (Wp *1. 2) debido a las pérdidas que introducen los 59 elementos de la instalación:
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Si queremos calcular más exactamente las pérdidas de eficiencia energética para saber cuánto debemos incrementar la potencia instalada respecto al cálculo de Wp debemos calcular el PR o emplear los valores típicos aproximados son: Con inversor: PR=0, 7 Con inversor y batería: PR = 0, 6. Quedando la expresión anterior de la siguiente manera: E = Wp. HSP. PR Luego: Wp = E / (HSP. PR) 60
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Cálculo de la tensión del sistema La tensión del sistema se calcula dependiendo de los (Wpmáximo*1. 2) estableciendo unos rangos. Dependiendo del uso de la instalación esta tensión puede modificarse. Si la instalación es para una iluminación de nave en corriente continua, la tensión es: 1, 2*Wp Tensión <499 12 v <2000 24 v >2000 48 v 1, 2*Wp Tensión <100 12 v >100 24 v Una vez conocida la potencia que se necesita y la tensión del sistema a utilizar, se establece la configuración del campo fotovoltaico. 61
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Elección del panel El número de paneles en serie es: Nserie = Vsistema / Vpanel Donde: • Nserie es el número de paneles en serie necesarios. • Vsistema es la tensión del sistema en V. • Vpanel es la tensión del sistema en V. El número de paneles en paralelo se calcula como: NParalelo = 1. 2 * Wp / (Wpanel * Nserie) Donde: • NParalelo es el número de paneles en paralelo necesarios. • Wpanel es la potencia del panel en W. • Wpanel * Nserie es la potencia de cada rama conectada en serie en W. 62
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Ejemplo: Si necesitamos una potencia 1, 2 Wp = 1000 w y una tensión V=24 V tendríamos varias configuraciones posibles: - 10 paneles de 100 w a 24 voltios en paralelo - 5 ramas en paralelo, cada rama de 2 paneles en serie de 100 w y 12 V cada uno. Una vez calculados el número de paneles necesarios seleccionaríamos el que nos proporcionase una instalación más económica. Habrá que comprobar si cumple la normativa del IDAE que impone que: 25 * Icc > C 20 Donde: • Icc es la corriente de cortocircuito del panel elegido multiplicado por el número de ramas en paralelo existentes en el campo fotovoltaico. • C 20 es la capacidad de la batería en 20 horas. Se puede calcular a partir de C 100/1, 25. 63
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Dimensionado del sistema de acumulación. Debe alimentar al sistema durante el tiempo de autonomía elegido. La autonomía del sistema (A) se elige: • Uso en verano: A= 3 días. • Resto: A = 5 días • Con aerogenerador o un grupo electrógeno. A = 4 días La capacidad C 100 necesaria se calcula como: C = (1, 1 Econsumo*A) / Vsistema Donde: • C es la capacidad requerida por la instalación en Ah. • Econsumo es el consumo de la instalación en Wh/día. • A es la autonomía deseada en días. • Vsistema es la tensión elegida para la instalación 64
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Para elegir la batería tenemos que tener en cuenta la máxima 65
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Dimensionado de regulador. La misión del regulador es la de controlar la carga de las baterías a través del campo fotovoltaico. Su elección se realiza mediante la intensidad que nos proporciona el campo fotovoltaico. IR = Nparalelo * Ippm Donde: • IR es la corriente mínima del regulador en A. • Ippm es la corriente de máxima potencia del panel elegido en A. Debemos escoger entonces un regulador que nos proporcione la tensión del sistema y de corriente superior a IR. Si no hubiera suficiente con un regulador se pueden colocar varios en paralelo. 66
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Dimensionado del inversor. La misión de este elemento de la instalación es transformar la corriente continua en alterna. Para su dimensionamiento el diseñador tiene que aplicar su buen criterio para determinar las cargas que quiere alimentar de forma simultánea, es decir debe determinar la máxima potencia a consumir por una instalación. Este procedimiento es análogo al que se produce en cualquier instalación conectada a la red cuando se determina la potencia a contratar. Una vez elegida la máxima potencia hay que escoger un inversor de una potencia superior, peor teniendo en cuenta la eficiencia del inversor elegido, que en función de la potencia varía entre el 85 % y 95 %. 67
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Dimensionado del cableado. Según el REBT las caídas de tensión (ΔV) permitidas en el cableado son: • Paneles-Regulador 3% • Regulador-Baterías 1% • Baterías-Inversor 1% • Inversor-Consumos 3% Y la sección del cable se calcula entonces como: Donde: S= sección mínima del cable en mm 2 L= longitud del cable (solo ida), en metros I= Intensidad máxima en Amperios V= Tensión de trabajo en Voltios. ΔV = Caída de tensión en %. Elegiremos después una tensión nominal existente en el mercado. 68
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Dimensionado de sistemas de apoyo mediante grupos electrógenos y mediante sistemas eólicos. Grupo electrógeno la energía producida se resta del consumo de la instalación. Aerogenerador la producción de energías renovables se dividirá entre el campo fotovoltaico y el aerogenerador. La parte de producción asignada al aerogenerador es: Tipo de uso Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Alta montaña 23% 38% 38% 18% 18% 38% 38% 23% Costa 25% 30% 30% 20% 20% 30% 30% 25% Meseta 25% 30% 30% 10% 10% 30% 30% 25% Montaña 20% 35% 35% 15% 15% 35% 35% 20% Valle 15% 20% 20% 5% 5% 5% 20% 20% 15% 69
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Cálculo del aerogenerador: El aerogenerador se dimensiona únicamente en función del acumulador, ya que debe proporcionar suficiente corriente como para poder recuperar las baterías. La forma de elegirlo es que su corriente nominal (Inominal) sea mayor que el 4 % de la capacidad de las baterías (Cbaterías): Inominal > 4% de Cbaterías Y que su tensión nominal sea la tensión del sistema: Vnominal = Vsistema El regulador del aerogenerador se escoge de forma que la intensidad nominal del regulador sea mayor que la corriente nominal del aerogenerador. Las tensiones del regulador del aerogenerador y del sistema deben coincidir. 70
Cálculo de instalaciones aisladas (no conectadas a red). Grupo electrógeno Será un sistema que solo se aplicara cuando ya exista uno en la instalación o cuando alguna de las cargas del sistema sea excesivamente grande como para alimentarla directamente desde el inversor. Normalmente producirán energía eléctrica en exceso que se puede cargar en las baterías, aumentando la autonomía y reduciendo el número de paneles necesarios. La producción del generador será la potencia del mismo por el tiempo de funcionamiento. Esta producción se resta directamente del consumo de la instalación quedando la producción restante para alimentar ese consumo a cargo de las energías renovables. En definitiva como norma práctica para el cálculo de generación auxiliar, se dimensiona de la siguiente manera: Aerogenerador: 4% de C 100 * Vsistema Grupo electrógeno: 5% C 100 * Vsistema 71
2. 4. Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos mediante sistemas fotovoltaicos. BOMBEO SOLAR DIRECTO Un sistema de bombeo basado en energía solar fotovoltaica transforma la energía eléctrica que suministra el generador fotovoltaico en energía hidráulica consiguiendo elevar un cierto volumen da agua hasta una cierta altura. La elección de un sistema fotovoltaico utilizando energía solar fotovoltaica frente a otras fuentes de energía depende en gran parte de factores geográficos y económicos. Las aplicaciones principales de los sistemas de bombeo alimentados mediante energía solar fotovoltaica son: • Riego. • Abastecimiento de agua en zonas rurales. Las necesidades de agua para el riego se caracterizan por una gran variación estacional pues dependen del tipo de cultivo que se pretenda regar. La demanda de agua en los meses secos suele ser mucho mayor que en los meses de invierno, en los que suele llover con mayor frecuencia. 72
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Los componentes esenciales de una instalación de bombeo solar fotovoltaica son: • Subsistema de generación (grupo de módulos conectados en serie y/o paralelo). • Subsistema motor-bomba. • Subsistema de acondicionamiento de potencia. • Subsistema de acumulación y distribución. 73
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos SUSBISTEMA MOTOR-BOMBA Motores Según el tipo de alimentación eléctrica, los motores se pueden clasificar en: • Motores de DC de imán permanente (con o sin escobillas), serie, shunt, etc. • Motores de AC (monofásicos o trifásicos, síncronos o asíncronos). Bombas Una bomba es una máquina que transforma la energía mecánica en hidráulica. Las bombas se pueden clasificar en dos tipos básicos: • Bombas de desplazamiento positivo o bombas volumétricas. • Bombas centrífugas, dinámicas o de intercambio de cantidad de movimiento. En bombeo fotovoltaico se utilizan bombas de pistón y bombas centrífugas. 74
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Las bombas centrífugas tienen rendimiento elevado pero este decae rápidamente al disminuir la velocidad de giro. Para alturas relativamente bajas, menores de 25 metros, se alcanzan rendimientos elevados. Para alturas altas utilizaremos bombas multiestado formadas por varias cavidades adyacentes que impulsan el agua en serie. Las bombas volumétricas se utilizan para bombear pequeños caudales de pozos muy profundos. No son adecuadas para operar directamente conectadas a un generador fotovoltaico ya que necesitan un par prácticamente constante y la corriente que se les suministra también debe ser constante. Lo que no ocurre con los generadores fotovoltaicos donde la corriente es variable y depende proporcionalmente de la intensidad radiante. Otro de los problemas de utilizar estas bombas directamente conectadas al generador fotovoltaico es el elevado par de arranque necesitan, su insensibilidad a las variaciones de altura y que son autoaspirantes. 75
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos SUBSISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE POTENCIA Función: Seguir el punto de máxima potencia del generador (MPPT). Sabemos que la característica I-V depende de la temperatura y del nivel de intensidad de radiación. Los dispositivos de acondicionamiento de potencia pueden ser: • Dispositivos de acoplo de impedancia o convertidores DC/DC • Inversores DC/AC. El utilizar estos equipos en el sistema trae consigo unas pérdidas de potencia por autoconsumo del 4% al 7%, un coste adicional de la instalación y una fuente potencial de posibles fallos; por lo tanto su utilización solo se justifica en el caso de que el aumento en la energía hidráulica sea considerablemente mayor que en el caso en que no estuvieran. Como ventaja fundamental está el hecho de que aumentan el rendimiento total del sistema. 76
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Acoplo generador-motor-bomba Al conectar el generador al grupo motor-bomba: verificar que la potencia de entrada al motor sea igual a la de salida del generador, igual que el V e I. Debemos elegirlos tal que sus curvas características I-V se intercepten lo más cerca posible del punto de máxima potencia del generador. Utilizando dispositivos electrónicos que adapten la impedancia de entrada del motor, permitiendo seguir el punto de máxima potencia del generador, aumentamos el rendimiento global de la instalación. Los subsistemas motor-bomba necesitan una potencia mínima para funcionar. Hay valores de irradiancia por debajo de los cuales no se bombea agua (200 -400 W/m 2). Como consecuencia si no hay un circuito de acondicionamiento de potencia, cuando disminuya la intensidad de la radiación, el sistema operará cada vez más lejos del punto de máxima potencia y el rendimiento disminuirá. 77
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN Mediante el uso de depósitos de almacenamiento de agua se puede proporcionar el déficit de agua en aquellos momentos en que el caudal bombeado no sea suficiente para el consumo demandado. Además incluyendo en la instalación un depósito de almacenamiento se puede disminuir la potencia pico del generador. 78
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos CONFIGURACIONES TÍPICAS DE SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO: Según la tecnología, las necesidades y especificaciones concretas para cada aplicación podemos encontrarnos con diferentes configuraciones. Las cuatro configuraciones más utilizadas en la actualidad son: 1. 2. 3. 4. Grupo motor-bomba sumergible. Bomba centrífuga multiestado. Grupo motor-bomba sumergible. Bomba de desplazamiento positivo. Grupo motor-bomba flotante con motor DC y bomba centrífuga. Grupo motor-bomba instalado en la superficie. La bomba podrá ser centrífuga o de desplazamiento positivo. Cuando el bombeo se realice con motores AC se necesita incluir un inversor. Si utilizamos bombas de desplazamiento positivo con motores DC necesitamos utilizar un convertidor DC/D. 79
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Dimensionado de un sistema de bombeo fotovoltaico Los pasos necesarios para el correcto dimensionado de una instalación de bombeo por energía solar fotovoltaica son tres: 1. Evaluar cuáles son las necesidades de energía hidráulica. 2. Evaluar cuál es la energía solar disponible. 3. Elegir el grupo motor-bomba necesario. El método de dimensionado empleado se basa en asegurar la demanda en el “mes peor” que es aquel en el cual la relación entre la energía hidráulica necesaria y la energía solar disponible es máxima. Si aseguramos que la instalación funciona para este mes lo hará sin problemas el resto del año. 80
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Cálculo de las necesidades de energía hidráulica. Necesidades de agua Conocer es el volumen diario medio mensual de agua que necesitamos. La demanda de agua puede ser para consumo humano, para consumo de animales domésticos, para riego de cultivos o una mezcla de estas. Conocer la capacidad de la fuente de la que se va a extraer el agua y estudiar sus variaciones estaciónales. La capacidad se determinará una vez estimadas las necesidades diarias multiplicando estas por el número de días de reserva. Las necesidades humanas y de animales se estimarán multiplicando el consumo diario individual por la población total. Generalmente se acepta que el consumo medio diario por persona es de 40 l/persona/día (aunque dependen de la población). 81
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Cuando el consumo es estacional (por ejemplo: sistemas de riego), las necesidades de agua se encuentran habitualmente localizadas en los meses de verano y suelen coincidir con los períodos de máxima radiación solar. Necesitaremos conocer las necesidades máximas diarias de agua y tener en cuenta la lluvia (restarlo de las necesidades). Una vez que se han definido las necesidades de agua para cada mes del año podemos calcular la energía hidráulica mensual utilizando la siguiente expresión: Eh = ρ. g·V·h Donde Eh es la energía hidráulica en julios, ρ es la densidad del agua igual a 1000 Kg/m 3, g es la aceleración de la gravedad igual a 9, 8 m/sg 2, V es el volumen de agua en m 3 y h es la altura total en metros. 82
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Cálculo de la altura hidráulica de bombeo La altura hidráulica de bombeo es la presión que debe vencer la bomba. H = Hd + Hg Hg: distancia desde el nivel del agua del pozo o de la superficie hasta el punto más elevado hasta el que debe bombearse el agua Hd: se calcula teniendo en cuenta la caída de presión del agua al circular por el interior de la tubería. Cálculo del mes de dimensionado Por lo tanto será el mes más deficitario energéticamente para satisfacer la demanda de agua. Para obtener este mes, se calcularán los cocientes entre las energías hidráulicas y las radiaciones de cada mes y se cogerá el valor máximo. Los datos energéticos de este mes se utilizarán para dimensionar los componentes de la instalación. 83
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Dimensionado del generador En primer lugar se calculará la energía eléctrica diaria, Ee: E e = E. h/ηmb donde ηmb es el rendimiento del subsistema motor- bomba (valores estimados en manual) Una vez obtenida Ee se calculará el área de generador necesaria para suministrar dicha energía: A= Ee/( ηfv Gdm) Gdm, es la energía media diaria mensual incidente sobre el generador fotovoltaico para el “mes peor” (corregido por inclinación de paneles). ηfv, es el rendimiento medio diario mensual del generador: ηfv = Fm·Ft·ηg – Fm es el factor de acoplo medio (0, 95 si hay MPPT, 0, 9 para bombas centrífugas y 0, 8 para las de desplazamiento positivo). – Ft es un término que tiene en cuenta el efecto de la temperatura sobre los módulos fotovoltaicos y que se estima en 0, 8 para climas cálidos y 0, 9 para climas fríos. 84
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos La potencia eléctrica de salida de un generador fotovoltaico a 25ºC y 1000 W/m 2 es: Pp = ηg · A ·1000 Sustituyendo ηg y A por sus valores tendremos, 85
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Cálculo de la potencia del motor La potencia eléctrica de entrada del motor será como mínimo igual a la del generador fotovoltaico calculada anteriormente. Si la potencia demandada por el motor fuera inferior a la potencia pico del generador fotovoltaico se producirían menores pérdidas por desacoplo pero el motor soportaría sobretensiones de operación con lo que podríamos llegar a disminuir su tiempo de vida. Para calcular la configuración del generador fotovoltaico aplicaremos las siguientes ecuaciones: Nº módulos en serie = Vnominal motor/Vnominal módulo. Nº módulos en paralelo = Ppicogdor/(Nº mód. serie x Ppico módulo) 86
Cálculo de sistemas de bombeo y riego autónomos Dimensionado de la bomba El caudal que debe suministrar la bomba se calculará a partir de la potencia pico del generador y del rendimiento pico del subsistema motor-bomba. En fluidos la ecuación que relaciona la potencia hidráulica que se necesita para elevar un caudal Q hasta una altura h viene dada por la ecuación: P = g ·Q · h Donde P es la potencia hidráulica expresada en vatios, Q es el caudal expresado en l/s y g es la aceleración de la gravedad en m/s 2. El caudal pico suministrado por la bomba se calculará pues con la fórmula: ηp es el rendimiento pico del sistema y se estima en un 60%. 87
2. 5. Programas informáticos de cálculo. Existen herramientas informáticas para el cálculo y dimensionado de una instalación fotovoltaica. Estos programas informáticos que nos ayudan en la realización del cálculo de una instalación fotovoltaica se basan inicialmente en la introducción de datos de la instalación por parte del interesado: • • • Datos de partida: ubicación, tipo de instalación, periodo de utilización, … Cargas de la instalación: tipo (DC o AC), consumo y tiempo en funcionamiento. Datos de la instalación. Tipo de panel (características eléctricas, inclinación, orientación…), tipo de acumulador, existencia o no de apoyo con aerogenerador o grupo electrógeno, … Estos programas realizan una simulación con los datos introducidos por el usuario que da como resultado la producción eléctrica que se obtendría con la instalación y, en el caso de la fotovoltaica aislada, la fracción de demanda eléctrica que es cubierta con aportación solar fotovoltaica. 88
Programas informáticos de cálculo. Este tipo de software, además suelen sugerir la configuración más apropiada (en cuanto a número de paneles recomendados, configuración serieparalelo de estos paneles, capacidad del acumulador, potencia del inversor. . ) Tomando en cuenta estas recomendaciones que nos hace el programa y nuestros conocimientos previos, podemos realizar diversas simulaciones cambiando parámetros de nuestra instalación y comparar los resultados que nos proporciona el programa (energía producida). Puesto que el abanico de programas existentes es muy grande resulta imposible en este manual describirlos todos. Presentamos a continuación, tres ejemplos de dimensionamiento realizado con un software de este tipo: • • Los ejemplos 1 y 2 son instalaciones aisladas e incorporan aerogenerador y grupo electrógeno. El ejemplo 3, presenta la estimación de la producción eléctrica de una instalación fotovoltaica conectada a red. 89
Programas informáticos de cálculo. EJEMPLO 1. - Uso durante todo el año - Además de las cargas tipo se le incorpora una caldera de 250 W con un uso de 8 horas al día durante el invierno. - Primero: introducir los datos del cliente y de la localización de la instalación. - Otros datos necesarios son el tipo de instalación (bombeo, casa de campo, chalet, etc. ) y el uso que se le va a dar (todo el año, verano, invierno, fines de semana verano y fines de semana invierno). - Rellenar tablas de ocupación. - Detallar las cargas: distinguir entre cargas en continua y en alterna, detallar el número de unidades existentes, su potencia unitaria, el tiempo de funcionamiento al día, así como el coeficiente de utilización entre las cargas del mismo tipo. Para cada una de estas cargas podemos después modificar su uso. Esta modificación se realiza a través de un menú al que accedemos con el botón existente en cada carga. 90
Programas informáticos de cálculo. Las cargas en corriente alterna son: Descripción del aparato Cantidad Potencia unitaria (W) Tiempo funcionamient o al día (h). Coeficiente de simultaneida d Frigorífico 1 80 16, 00 100% Lavadora 1 2. 000 1, 50 100% Ordenador 1 300 1, 00 100% Plancha 1 1. 500 1, 00 100% Televisor 3 90 4, 00 100% Video 1 90 2, 00 100% Aspirador 1 1. 500 0, 50 100% Pequeños electrodomésticos 1 400 0, 50 66% caldera 1 250 8, 00 100% Iluminación de dormitorio 10 20 1, 00 100% Iluminación salón 7 40 4, 00 100% 91
Programas informáticos de cálculo. Las cargas en corriente continua son: Descripción del aparato Cantidad Potencia unitaria (W) Tiempo Coeficiente de sif mu u ltan nei c dai do n a m Todas las cargas tienen el uso general de la instalación a excepción de: i e caldera que solo tiene uso durante los meses de invierno. La lavadora, la plancha y el video tienen un uso anual pero solo dos días a ntla semana. o a Esta configuración se cambia desde el menú desplegable antes mencionado. l Una vez configuradas todas las cargas, así como su uso podemos pasar a configurar los elementos de la instalación (indicar si la instalación dispone od í no de un aerogenerador, de un grupo electrógeno). a Iluminación cocina 922 13 3, 00 100%
Programas informáticos de cálculo. El menú de configuración tiene varias 93
Programas informáticos de cálculo. Acumulador: aquí podemos modificar la profundidad de descarga máxima que se va a dar a la batería y modificar los días de autonomía deseados. Para realizar las modificaciones hay que marcar la casilla de verificación. En nuestro caso no modificamos nada, dejando una autonomía de 4 días. 94
Programas informáticos de cálculo. • Inversor: Posibilidad: hasta 3 inversores para distribuir las cargas. Asignadas las cargas a los inversores podemos ver la carga con más potencia de un inversor y la carga total asignada. Ejemplo: 2 inversores, todas las cargas en corriente continua estarán conectadas al inversor 1 a excepción de la lavadora, del aspirador y la plancha. En función de la potencia máxima y total escogemos que el inversor 1 proporcione al menos 1200 W y el inversor 2 2500 W. 95
Programas informáticos de cálculo. • Aerogenerador: aquí indicamos al programa si deseamos realizar una instalación con aerogenerador marcando la casilla de verificación “instalación con aerogenerador”. Con la configuración de vientos indicamos al programa como queremos que se distribuya la producción entre paneles y aerogenerador. • Generador: en esta hoja indicamos la potencia del grupo que deseamos instalar (en KVA suponiendo un cosϕ= 0. 8) y las horas de funcionamiento al día durante todos los meses del año. El programa nos indicara la potencia recomendada mínima para poder cargar las baterías (5 % capacidad de las baterías). En este ejemplo hemos supuesto un generador de 10 KVA ya que nos recomiendan uno de 6. 9 KVA, y dos horas en enero y diciembre y una en febrero y octubre. 96
Programas informáticos de cálculo. • Cargador: esta página nos permite elegir un cargador de baterías de forma manual. Esto es útil para cuando ya exista uno en la instalación o cuando no exista uno en el catalogo predeterminado del programa (No existen cargadores de 48 V en este momento). Dejaremos el que escoge de forma manual el programa. En este punto ya a acabado la configuración del sistema, solo faltaría comprobar los resultados y quizás realizar alguna modificación en función de los mismos. 97
Programas informáticos de cálculo. Los resultados que nos ha proporcionado el programa para este ejemplo se resumen en la siguiente tabla. 98
Programas informáticos de cálculo. La instalación resultante posee 16 paneles de 106 W, 24 voltios y 3, 05 A. Como la tensión del sistema es 24 V estos paneles están agrupados de la forma 1 x 16. Esta agrupación de 16 paneles en paralelo proporciona una intensidad de 16 * 3. 05 = 48. 8 que es inferior a la suma de las corrientes de los dos reguladores (60 A). El acumulador esta formador por 12 vasos de 2 V cada uno con una capacidad de 3753 Ah. El aerogenerador instalado es de 3000 W con un regulador de 150 A. Los inversores son de 1500 A y 24 V y otro de 3000 A y 24 V. El generador es de 10 KVA como indicamos con un cargador de 120 A. 99
Programas informáticos de cálculo. La producción de los distintos elementos de la instalación se resume en la siguiente tabla: 100
Programas informáticos de cálculo. En la tabla podemos observar que a pesar de haber indicado un 101
Programas informáticos de cálculo. EJEMPLO 2. En este ejemplo la instalación va a tener un uso durante todo el verano y los fines de semana de invierno situada en Palencia. Para realizar esta configuración de uso podemos por ejemplo poner en el uso verano y luego en la tabla de ocupación modificar los meses de invierno con un dos. La tabla de ocupación queda como sigue: 102
Programas informáticos de cálculo. El uso de todas las cargas es el de la tabla de ocupación a excepción de la depuradora que sólo funcionará durante los meses de verano 7 días a la semana y la lavadora que sólo se usa dos veces a la semana en de verano. 103
Programas informáticos de cálculo. Ahora pasamos a configurar la instalación: • Instalación de verano: inclinación recomendada es de 32º, optamos por 30º. • pérdidas del 5% por desviación respecto al sur puro. • Acumulador: autonomía de 3 días (instalación de verano) y PDmax= 60%. • Inversor: potencia exigible de 2500 A. • No interesa la instalación de un aerogenerador, ni de generador. El programa de diseño ha escogido los siguientes equipos: 104
Programas informáticos de cálculo. La tabla con las producciones de energía eléctrica de los elementos que componen la instalación es: En este caso toda la producción corresponde a los paneles fotovoltaicos. En la tabla se observa el consumo necesario al día es distinto en verano y en invierno, al ser distintos los usos de la instalación en un periodo y en otro. 105
Programas informáticos de cálculo. EJEMPLO 3 Empleo de un programa basado en una hoja de cálculo Excel para la estimación de la producción eléctrica que tendría lugar bajo los condicionantes dinámicos climáticos y las características de los componentes seleccionados. El inversor en las instalaciones solares fotovoltaicas busca el punto de funcionamiento I– V que genera la Pmax. de salida hacia la red. Los módulos fotovoltaicos se caracterizan por los parámetros de la curva I-V: • • Tensión a circuito abierto (Voc). Intensidad de cortocircuito (Isc). Potencia máxima o de pico (Pmáx). Intensidad máxima (Imáx). Tensión máxima (Vmáx). Coeficiente de pérdida de potencia por incremento de temperatura de las células (CTP) Además, hay que recordar que los módulos solares se caracterizan por la potencia pico, Wp. 106
Programas informáticos de cálculo. Utilización de la aplicación El libro que compone la aplicación se divide en diferentes hojas en las que introducen los datos o en las que se muestran los resultados. Estas hojas son: Cálculos: permite definir todos los parámetros de la instalación solar (inclinación, orientación, módulo, inversor, configuración instalación…); obteniendo como resultado la radiación incidente sobre los módulos. Resultados: facilita resultados horarios para el año climático introducido (temperatura células, intensidad, tensión y potencia generada). Bases datos elementales: características técnicas de paneles e inversores. La base de datos permite introducir nuevos modelos o modificar los existentes. 1, 2, 3……. . 12: los datos climáticos para un año concreto con los que se obtiene la estimación de la producción. Para cada mes se deben introducir los valores diezminutales y horarios de temperatura, humedad y radiación global horizontal registrados por una estación meteorológica situada en el lugar donde se está realizando el análisis. Hoja en blanco: permite almacenar datos o generar gráficos de forma libre. 107
Programas informáticos de cálculo. Introducción de datos 108
Programas informáticos de cálculo. Datos necesarios en el cálculo: posicionamiento, instalación. tipo de módulo y su conexionado, inversor, etc. Parámetros de posicionamiento: • Latitud (º): latitud del lugar donde se ubica la instalación • Albedo, es la reflexión del terreno, siendo 0, 1 = mar; 0, 2 = terreno normal; 0, 4 = pradera y 0, 9 =nieve. • Orientación de la superficie ( 0º sur; 90º oeste; -90º este y 180º norte). • Inclinación de la superficie (0º horizontal y 90º vertical). 109
Programas informáticos de cálculo. Datos de la instalación Las instalaciones solares fotovoltaicas se pueden realizar fijas o con seguimiento solar en un o dos ejes. La aplicación permite seleccionar los tres tipos. 110
Programas informáticos de cálculo. Datos del módulo y su conexionado. Datos a introducir: • Modelo de módulo → Elegir en la hoja Base Datos Elementos. • Nº ramas en paralelo. • Nº paneles en serie en cada rama. • Datos conjunto paneles: Valores totales que caracterizan la instalación y permitirán elegir el inversor que corresponde a la instalación. 111
Programas informáticos de cálculo. Datos del inversor. Su potencia debe ser como mínimo del 80%, y la tensión máxima centrada entre la tensión mínima y máxima de alimentación en continua del inversor. Datos a introducir del inversor: • Modelo inversor → Elegir en la hoja Base Datos Elementos. • Periodo útil recuperación de la Potencia Máxima inversor (%). • Datos del inversor: Tabla de valores que se importan de la hoja Base Datos. Comprobación ajuste módulos - inversor. Una vez definidos los módulos y el inversor, se indican posibles mejoras. Los parámetros analizados son: • Nº módulos / rama. • Nº ramas. • Potencia adecuada inversor. 112
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Programas informáticos de cálculo. Resultados de producción eléctrica Al final de hoja se muestran los resultados de producción eléctrica de la instalación y el rendimiento de la instalación respecto a la radiación incidente. • Estos son los resultados que se presentan anualmente: • Producción anual generada (k. Wh/año). • Producción por k. Wp (k. Wh/k. Wp): permite comparar rendimientos y potencias. • Rendimiento anual ISF / rad. Incidente: Aprovechamiento de la radiación solar. • Rendimiento anual PR (perfomance ratio): Rendimiento de la instalación. • Precio referencia electricidad. • Porcentaje de prima fotovoltaica. • Precio venta electricidad ISF. • Dinero anual por venta a red de ISF (ver siguiente gráfica) 114
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