Dimensionado o Diseño de Sistemas Solares Fotovoltaicos Autónomos
Por: Idalberto Chavez CUBAENERGíA

La energía que se produce con ayuda del Sol, en un sistema, debe estar de acuerdo con el uso que se haga de ella.

Los elementos que forman los sistemas solares fotovoltaicos autónomos constituyen la base de estos, aunque no hemos incluido los equipos consumidores de energía eléctrica del objetivo o instalación a electrificar.

Se hace evidente que se requiere realizar un proyecto de ingeniería de un sistema solar fotovoltaico (SF) teniendo en cuenta todos los elementos que constituyen el sistema en su conjunto, y efectuar los cálculos pertinentes, para lograr un balance energético entre el consumo y la generación de electricidad de origen solar, con una racionalidad dirigida hacia el logro de una autosuficiencia energética y el uso óptimo de la energía.

Se le denomina dimensionado o diseño de un sistema solar fotovoltaico a una serie de procesos de cálculo que logran optimizar el uso y la generación de la energía eléctrica de origen solar, realizando con un balance adecuado entre ellas, desde los puntos de vista técnico y económico.

El primer aspecto que debemos considerar a la hora de realizar el diseño es el consumo racional de la energía.

Para conocer cuánta energía eléctrica se requiere en el objetivo a electrificar, se deben tener en cuenta las características eléctricas de los equipos a alimentar y el tiempo de empleo por parte del usuario del sistema. Es decir, se hace necesario conocer o estimar la corriente y la tensión o voltaje de trabajo de los equipos instalados y el número de horas diarias de trabajo, teniendo en cuenta las posibles ampliaciones que en el futuro se hagan en la instalación proyectada.

Como segundo aspecto a tener en cuenta en el diseño y no de menos importancia está la diponibilidad en el sitio de instalación del recurso solar, el cual se define como:
La cantidad de radiación solar global o total que incide al día sobre los módulos solares y que se expresa en kW/m2.día. [horas de Sol máximo u horas de sol pico (HSP)].

Para obtener este dato se puede medir al menos durante un año la radiación solar en el sitio de la futura instalación, pero lo más práctico y generalizado es el uso de las tablas de radiación y los mapas de radiación, que han sido desarrollados por el Instituto de Meteorología y otros organismos e instituciones como la Organización Meteorológica Mundial (OMM) con la ayuda de sus estaciones actinométricas de medición de la radiación y el uso de satélites meteorológicos.

En la práctica, se toma como valor de la radiación, el promedio de los tres meses de peor radiación solar durante el año en la estación actinométrica más cercana al lugar.


Conjunto de paneles del Sistema Solar Fotovoltaico de Santa María del Loreto. Provincia Santiago de Cuba


En Cuba, contamos con 60 estaciones meteorológicas distribuidas por todo el territorio nacional, en las que se efectúan las mediciones actinométricas.
Los resultados de la medición de la radiación solar están avalados por un número considerable de años de investigación, por lo que constituyen un dato confiable a utilizar junto con los valores de consumo, y constituyen la base del cálculo del sistema.

En este aspecto se debe tener en cuenta las condiciones climatológicas y meteorológicas del lugar de instalación, ya que estas varían notablemente con la orografía del lugar. Es decir, no es lo mismo en el llano, que en las zonas montañosas de la isla, ni se comporta de igual forma el régimen de nubes y de precipitaciones en la ladera norte que en la sur de los macizos montañosos, ni en una zona costera si es norte o sur o en algún cayo del archipiélago cubano.

Se debe tener en cuenta si en el lugar existe otro recurso renovable para la producción de electricidad, que resulte más barato que la solar, como: el viento, el agua, la biomasa, etc. Esto permite discernir cuál es la opción más favorable, la puramente solar o de otro tipo una opción híbrida (solar / viento, solar / agua, etc.).

Es muy importante tener en cuenta la nubosidad del lugar durante el año, que se expresa como el porcentaje del cielo cubierto por nubes a lo largo del año e influye notablemente en el rendimiento del sistema de generación solar, así como la ocurrencia de huracanes, frentes fríos, etc.

A los días consecutivos sin Sol, en los cuales el sistema solar solo depende en su funcionamiento del banco de baterías se le denomina: autonomía.

La determinación de este valor [(número de días de autonomía (N)] es muy importante, ya que incide directamente en el tamaño del banco de baterías electroquímicas de acumulación, en la fiabilidad del sistema y en el costo de este.

Se debe tener en cuenta para que tipo de uso está diseñado el sistema solar, ya que, por ejemplo, no es lo mismo el número de días de autonomía para un sistema profesional de telecomunicaciones, que para la alimentación eléctrica de una vivienda aislada en una zona montañosa.

Existen diferentes sistemas de cálculo, desde los más sencillos hasta los más sofisticados por computadora con simulación del sistema proyectado, pero todos se basan en un algoritmo similar al siguiente:

1- Cálculo de la energía de consumo del sistema:

A) En corriente directa (CD)
B) En corriente alterna (CA)
C) Cálculo del número de amperes – hora total por día de consumo:

Total de A-h /dia CD= Total de A-h/ díaCD + (Total de A-h/ díaCA) x 1’15

El factor 1,15 es para convertir el consumo de CA a CD al pasar por el inversor o convertidor de corriente continua en alterna, ya que los módulos o paneles y las baterías electroquímicas solo producen este tipo de corriente. Este factor considera una eficiencia de 85 % en la conversión a plena carga del equipo.



D) El total de A-h/día calculado en C) debe ser multiplicado por un factor de seguridad de sobredimensionado, ya que este tiene en cuenta el envejecimiento de los paneles y baterías, polvo y suciedad sobre el panel y fallo en las conexiones eléctricas del cableado y otros accesorios eléctricos.

Total de A-h /dia CD= Total de A-h/ día CD x 1,20 (factor de seguridad 20 %)

2- Cálculo del número de módulos o paneles en paralelo:

No. total de módulos o paneles = Total A-h/ dia CD / 1 máx x # HSP
en paralelo (NMP)

Donde :
I máx: Corriente máxima que entrega el módulo dada por el fabricante.
No. HSP: número de horas de Sol máximo promedio que incide en el lugar de instalación en el periodo de invierno (Mes de Diciembre, Enero y Febrero )

3- Cálculo del número de módulos o paneles en serie:


No. total de módulos o paneles = Voltaje nominal en serie (12,24,V)(NM.) / Voltaje nominal módulo solar (6,12,24 V)

4- El número total de módulos o paneles será de:

No.total de módulos o paneles = NMP x NMS

5- Cálculo de la capacidad del banco de baterías necesario en A-H:

Se calcula la capacidad del banco de baterías de la siguiente forma:
CA-H bat = total A-H/día x N / 0,9 x PDD

Donde:
N: Número de días de autonomía del sistema elegido.
0.9: Factor de rendimiento de las baterías en el ciclo de carga –descarga (90 %).

P.D.D: Profundidad de descarga diaria permitida al banco de baterías electroquímicas. En general, para baterías del tipo estacionaria de plomo ácido con bajo contenido de antimonio (Sb) en la placa positiva se recomienda una profundidad de 70 % (0,7), para placa de Plomo Calcio (Ca) se recomienda una profundidad de descarga diaria de 50 % ( 0,5). Sí se utiliza una batería de Plomo ácido del tipo de arranque automotriz se recomienda 30 % de profundidad ( 0,3). Para todas ellas la densidad del electrólito recomendada es de 1,2115 ( +/- 15 %) g/ml en función de nuestro clima tropical.

El proceso descrito nos permite calcular cuántos módulos o paneles solares fotovoltaicos son necesarios para una instalación dada y cuál será la capacidad mínima requerida del banco de baterías o acumuladores.

Existen diferentes métodos para el cálculo de un sistema solar fotovoltaico, pero todos se basan en hallar un balance entre la generación y el consumo.

Los módulos solares fotovoltaicos constituyen el generador de electricidad, pero las baterías electroquímicas constituyen la base del funcionamiento del sistema y a ellas le dedicaremos un próximo trabajo por la importancia que revisten.


Banco de baterias en Santa María del Loreto. Provincia: Santiago de Cuba