dimensionado de un sistema fotovoltaico aislado - Tech4CDM

DISEÑO DE SISTEMAS AISLADOS

PANEL SOLAR FV
Genera corriente contínua con
la exposición al sol.
REGULADOR DE CARGA:
- Protege a la batería de sobrecarga
- Protege a la batería de la sobredescarga
BATERÍAS:
Almacenan la energía
INVERSORES:
Transforman de
corriente continua a
alterna

Selección de un regulador de carga
El regulador de carga es un dispositivo que se encarga de proteger la
batería.
Criterios de selección:
• Tensiones de batería compatibles (12, 24 y 48V).
• Corriente máxima de paneles.
• Corriente máxima que puede proporcionar a la carga.

ESQUEMA DE UN REGULADOR
SOLAR
ENTRADA
BATERÍAS
CONSUMO

Selección de una batería:
• Las baterías empleadas en fotovoltaica son específicas, sus principales
características son:
• Muchos ciclos de carga y descarga.
• (se descargan poco en cada ciclo).
• No son adecuadas para suministrar altas corrientes.
• Reserva Ciclos suaves de electrolito grande para alargar tiempos de
mantenimiento.
• Seleccionaremos el tipo de batería entre de plomo abierto o sellada según:
• Duración esperada de la batería.
• Temperatura ambiente a la que la batería funcionará.
• Presupuesto disponible.
• Facilidad de realizar el mantenimiento.

Baterías solares selladas
- Las baterías selladas de plomo son un tipo especial de baterías de
plomo. En este tipo de baterías el electrolito está retenido en un gel
(baterías de Gel) o el electrolito está absorbido en fibra de vidrio o en una
fibra polimérica (batería AGM).
- Las principales ventajas de estas baterías son:
- Las desventajas:
1. Mayor tolerancia a la temperatura.
2. Ninguna o poca generación de hidrógeno.
3. No hay necesidad ni posibilidad de reponer el electrolito.
4. Posibilidad de montarlas en horizontal.
1. Precio elevado.
2. Vida más corta.
3. Baja resistencia a la sobrecarga.
4. Ciclado diario muy poco profundo.

Tamaño de la batería a emplear, Prof.
descarga
Cuanto más descarguemos la batería en cada ciclo menos
durará nuestra batería. Por lo tanto cuando dimensionemos una
batería es recomendable escogerla para que no se descargue más de
un 20% diario.
En la gráfica siguiente podemos ver un ejemplo para la misma
batería versión solar y estándar de cómo varía la vida de la batería
según la profundidad de descarga alcanzada en cada ciclo.

Situación de las baterías en una instalación,
efecto de la temperatura.
La vida de las baterías solares también se ve muy influenciada
por la temperatura a la que trabajan.
Como norma general se puede decir que por cada 10 grados de
temperatura que aumente la temperatura de operación de una batería,
su vida en ciclos se reducirá a la mitad.
25ºC.
La temperatura de operación ideal de una batería es de 20 a
Las baterías además desprenden hidrógeno que es un gas muy
inflamable. Es necesario por lo tanto alejarlas de toda fuente inflamable.

Cortocircuitos en baterías solares.
Un cortocircuito en una batería pequeña puede alcanzar
fácilmente los 10000 Amperios durante un corto espacio de tiempo.
Estas altas corrientes pueden fundir cables de sección muy grande
provocando incendios. Además durante un cortocircuito una batería
produce grandes cantidades de hidrógeno muy explosivo.
Es por lo tanto necesario equipar las baterías siempre con
fusibles en los terminales positivo y negativo. Estos fusibles se deben
montar lo más próximos a la batería posible para que en caso de
cortocircuito el pico de corriente recorra una longitud inferior.
Los fusibles que montemos deben tener un poder de corte
suficiente para poder cortar esta altísima corriente.
En ocasiones el fusible se sustituye por un MCB, en este caso la
parte térmica del MCB proporciona la protección y se suelen poner dos
en serie para aumentar el poder de corte. Esta configuración no es
recomendable por ser la curva térmica del MCB demasiado lenta.

Selección de un inversor aislado
Los inversores transforman la corriente contínua de las baterías en corriente
alterna compatible con los electrodomésticos de consumo.
Se deben elegir teniendo en cuenta los siguiente criterios:
- Máxima potencia que pueden suministrar en alterna.
- Tipo de cargas que van a alimentar. Algunos electrodomésticos son muy sensibles
al tipo de onda que dan los inversores (cuadrada, semisenoidal, senoidal pura).
- Posibilidades del inversor de funcionar también como cargador de baterías.
- Presupuesto.
- Condiciones ambientales y de almacenamiento del equipo. Los inversores son
equipos electrónicos muy sensibles a las condiciones ambientales. Se debe elegir
uno lo suficientemente robusto como para aguantar las condiciones ambientales
presentes.

Factores a tener en cuenta a la hora de elegir un
inversor para un sistema aislado.
El rendimiento de estos inversores normalmente se sitúa por debajo del 85-90%.
El rendimiento empeora cuando el consumo es menor del nominal para el que
están preparados.
Pueden aguantar sobrecargas pero durante poco tiempo, pueden tener
problemas para arrancar motores eléctricos con grandes picos.
La potencia máxima que pueden entregar disminuye cuando el factor de potencia
del consumo no es 1 (puramente resistivo).

Selección de la tensión nominal de un sistema
aislado
• Los sistemas aislados pueden trabajar a tres posibles tensiones
nominales: 12V, 24V, 48Vcc.
• La elección de una tensión u otra dependerá del tamaño del
sistema. Para un sistema grande una tensión de 48Vcc será
mucho más manejable pues nos permitirá usar un cableado más
fino.
• Para un sistema pequeño una tensión de 12 Vdc nos permitirá
ahorrar bastante dinero en baterías y paneles.
•Estas tensiones son nominales pero el sistema casi nunca
operara a estas tensiones, por ejemplo: según el estado de carga
de la batería un sistema a 12V puede tener una tensión entre 10V
y 15V.

Sistemas aislados, Punto de trabajo del panel FV.
• En sistema aislados los paneles no trabajan en el punto de
máxima potencia (algunos fabricantes están desarrollando
reguladores de carga que siguen el punto de máxima potencia
pero por ahora son pocos).
panel de tensión nominal 12V, 36 células
Corriente
5 A
Punto Máxima Potencia
10 V 15 V
Tensión
18 V
22,1 V

Variaciones de la curva I-V
Variación de la curva
con la irradiancia
Variación de la curva
con la temperatura
Corriente de cortocircuito
250,00
60,00
Current I (A)
200,00
150,00
100,00
I=75;T=25
I=100;T=25
I=200;T=25
I=300;T=25
I=400;T=25
Limits
Current I (A)
50,00
40,00
30,00
20,00
I=100;T=25
I=100;T=35
I=100;T=45
I=100;T=55
I=100;T=65
Limits
50,00
10,00
0,00
0 10 20 30
Volts (V)
1. La intensidad de cortocircuito
aumenta proporcionalmente a la
irradiancia.
2. La tensión de circuito abierto varía
poco.
Tensión de circuito abierto
0,00
0 10 20 30
Volts (V)
1. La intensidad de cortocircuito varía
poco con la temperatura.
2. La tensión de circuito abierto
aumenta proporcionalmente al
descenso de temperatura

Efecto de la irradiancia en un sistema aislado
C urrent I (A )
Tensión de la batería
250,00
200,00
150,00
100,00
Potencias extraídas con diferentes
irradiancias
I=75;T=25
I=100;T=25
I=200;T=25
I=300;T=25
I=400;T=25
Limits
• La potencia extraida está en
relación directa con la
irradiancia existente en ese
momento.
50,00
0,00
0 10 20 30
Volts (V)

Efecto de la temperatura en un sistema aislado
Tensión de la batería
60,00
50,00
Punto de máxima potencia
(diferentes temperaturas)
I=100;T=25
• Podemos ver como la
potencia extraída es
prácticamente la misma para
todas las temperaturas dado
que el sistema no trabaja en
el punto de máxima potencia
Current I (A)
40,00
30,00
20,00
Potencia
Extraida
I=100;T=35
I=100;T=45
I=100;T=55
I=100;T=65
Limits
10,00
0,00
0 10 20 30
Volts (V)

Conclusiones
La radiación determina la intensidad de carga de la batería y por
lo tanto tiene un efecto directo sobre la carga de la batería.
La temperatura afecta sobre todo a la tensión y por lo tanto, al
ser esta fija, y muy por debajo del MPP no tiene un efecto directo sobre el
sistema.
Los sistemas aislados son menos eficientes a la hora de extraer
energía de la radiación solar.

Dimensionado
Dos métodos:
• Manual: No es muy efectivo pero válido para hacer estimaciones.
• Software de dimensionado: Existen muchos programas más o
menos complicados. Tienen la ventaja de que suelen emplear
métodos estadísticos para calcular la probabilidad de fallo y el
estado de carga de la batería. Algunos programas de
dimensionado:
• Nsol
• PVsol.
• Winsize
• RETScreen

Dimensionado Manual
1. Calculo del consumo diario
2. Estudio de la Irradiacion Solar diaria
3. Posicionamiento del sistema (orientacion e inclinacion).
4. Analisis de las perdidas por orientacion y sombras
5. Dimensionado de la bateria
6. Dimensionado del generador (calculo de Pn y seleccion del
array)

1. Estudio de la carga/ consumo
Estimación de los consumos diarios para un colegio- guarderia
(100 niños en 5 clases).
Cargas
cantidad
pot/uni
(w)
pot instalada
(w)
Operacion
(horas/dia)
energia dia
(wh)
clases 5
iluminacion 15 10 150 6 900,00
radio 2 10 20 4 80,00
Tv 2 40 80 2 160,00
Fotocopiadora 1 200 200 2 400,00
computadoras 15 50 650 2 1300,00
total 2840,00

2. Irradiacion Solar Diaria
Provincia Morona Santiago: Taisha
Media anual diaria: 3,75kWh/m² /dia
Minima: 3,4kWh/m²/dia (Febrero) Ejemplo
Maxima: 4,2kWh/m²/dia (noviembre) Ejemplo
Total anual: 3,75kWh/m²/dia x 365dias=1368,75kWh/m²/año
HSP: 3,4 h (a 1000W/m²)

3. Posicionamiento del sistema
Depende en que
hemisferio!!!

3. Posicionamiento del sistema
Latitud de Taisha =Ø: 1° -> ßopt= 4,4°

4. Analisis de las perdidas por orientacion y
sombras
4.1 Perdidas por inclinacion
ßopt= 4,4°& ß= 15º-> FI= 0,986
4.2 Perdidas por sombras
Perdidads~ 0 –> Fs=1

4. Analisis de las perdidas por orientacion y
sombras (Solo Para España)

4. Analisis de las perdidas por orientacion y
sombras
4. 3 Estimacion de la irradiacion incidente en ß
Gdm (0)= 4.3kWh/m2/ dia
Gdm (,) ~ Gdm (0)= 4.3kWh/m2/ dia

5. Dimensionado de la bateria
5.1 Se calculan los Wh/dia de consumo.
( )
=
+
η η η
Siempre dimensionar consumos en Ah/dia
( )
=

5. Dimensionado de la bateria
5.2. Tamaño de la batería.
( )
=
( )
!!" #$%

6. Dimensionado del generador
6.1 Estimacion de la potencia minima necesaria
Pn sera como max 20% mayor que Pmin

6. Dimensionado del generador
(Estimacion de Pmin necesaria- resumen)
Parámetro Unidades Valor Comentario
Latitud 1º Taisha
ED kWh/día 2840 Consumo constante a lo largo del año
Período diseño Febrero Mes de peor radiación y consumo constante (k = 1)
(opt, opt) (0°, 4°)
(,) (0, 15°) Mínimo para evitar acumulación de suciedad
Gdm (0)Feb kWh/(m2 xdía) 3,4 NASA
FI 0.986 FI = 1 – [1,2 × 10–4 ($ – $opt)2 + 3,5 × 10–5 "2]
FS 0 Perdidas por sombra
PR febrero 0.6 Eficiencia energética global del sistema
Gdm (,)Feb kWh/(m2 xdía) 3,4 Gdm (,)Feb= Gdm (0)Feb x K x FI x FS
Pmp, min kWp 1,39

6. Dimensionado del generador (calculo de Pn y
seleccion del array)
6.1 Estimación del número de paneles solares necesarios.
Si cada panel en paralelo suministra 5 amperios en condiciones Standard, por lo tanto para saber los
paneles del sistema empleo el concepto de horas de sol pico:
nº paneles en paralelo = L(Ah/dia) / [(5.HSP
)/ tensión nominal]
Nºpaneles en serie= tensión nominal batería/tensión nominal panel
HORAS DE SOL PICO EN EL PLANO DE
PANELES PARA EL PEOR MES DEL AÑO:
Número de horas en media diaría a una
intensidad de 1000W/m 2 , es la energía total
diaria incidente sobre una superficie horizontal
en KWh/m 2

6. Dimensionado del generador (calculo de Pn y
seleccion del array)
6.1 Estimación del número de paneles solares necesarios.
Caracteristicas de los Modulos fotovoltaico:
• Pmax= 120
• Icc=6,76 A
• Vca= 21,6 V
SolarWorld
• Pmax= 200
• Icc= 7,7 A
• Vca= 36,1 V
•

Conexión de paneles
En serie
1 panel 2 paneles 3 paneles
Corriente
Tensión

En paralelo
Corriente
3 paneles
2 paneles
1 panel
Tensión

6. Dimensionado del generador (calculo de Pn y
seleccion del array)
6.1 Estimación del número de paneles solares necesarios.
2 modulos en serie x 6 paralelo (120Wp /modulo)
• Pmp = 1,44kW
• Icc= 40,56 A
• Vca = 43,2 V

6. Dimensionado del generador (calculo de Pn y
seleccion del array)
6.1 Estimación del número de paneles solares necesarios.
1 modulo en serie x 7 paralelo (200Wp /modulo)
• Pmp = 1,4kW
• Icc= 53,9 A
• Vca = 36,1 V

6. Dimensionado del generador
(Estimacion de Pmin necesaria- resumen)
Parámetro Unidades Valor Comentario
Pmp kWp 1,44 Pmp < 1,2 Pmp, min (requisito obligatorio para caso
general )
C100 Ah 925-> 960 Capacidad nominal del acumulador
PDmax 0,6 Profundidad de descarga max permitida por el
regulador
inv 0,85 Rendimiento energetico del inversor
g 0,8 Rendimiento energetico regulador-acumulador
Pd 0.94 Perdidas en los cables
Vnom V 24 Tension nominal de acumulador
LD Ah 174 Consumo diario de la carga
A Dias 3 Autonomia del sistema

Método manual
Limitaciones método manual:
No tiene en cuenta las variaciones de tensión de la batería.
No tiene en cuenta la temperatura.
Solo considera una tensión de descarga, no cuenta con
que una batería queda destruida si se descarga más de un 20%
continuamente.
Solo satisface el consumo, no cuenta con que haya que
recargar la batería.

GRACIAS!