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