Guía Experta para Diseñar e Instalar Sistemas FV Solares

Diseño e instalación de Sistemas FV Solares

Hoy nuestro mundo moderno necesita energía para diversas aplicaciones diarias: manufactura industrial, calefacción, transporte, agrícola, iluminación, etc. La mayoría de necesidades energéticas se satisfacen con fuentes no renovables: carbón, petróleo, gas natural. Pero su utilización ha causado gran impacto ambiental.

Además, estos recursos no están distribuidos uniformemente en la Tierra. Hay incertidumbre en precios de mercado (petróleo crudo depende de producción y extracción de reservas). Por la disponibilidad limitada de fuentes no renovables, la demanda de renovables ha crecido en años recientes.

La energía solar ha estado en el centro de atención en renovables. Está disponible abundantemente y tiene potencial para satisfacer toda la necesidad energética del planeta. El sistema FV solar autónomo (figura 1) es un enfoque para satisfacer nuestra demanda energética independiente de la red. Veremos brevemente la planificación, diseño e instalación de un sistema FV autónomo para generación eléctrica.

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Planificación de un Sistema FV Autónomo

Evaluación del sitio, estudio y evaluación del recurso solar:

Como la salida del sistema FV varía significativamente según hora y ubicación geográfica, es crucial seleccionar apropiadamente el sitio para instalación autónoma. Puntos a considerar:

1. Mínima Sombra: El sitio (techo o suelo) no debe tener sombras ni estructuras que intercepten radiación solar en paneles. Asegure que no habrá construcciones futuras que causen sombra.
2. Superficie: Conocer área del sitio para estimar tamaño y número de paneles necesarios para generar potencia requerida. Ayuda a planificar instalación de inversor, convertidores y bancos de baterías.
3. Techo: En instalación en techo, debe conocerse tipo y estructura. En techos inclinados, conocer ángulo de inclinación y usar montajes necesarios para que paneles tengan mayor incidencia de radiación solar (idealmente perpendicular a panel, prácticamente cerca a 90°).
4. Rutas: Planificar rutas cables desde inversor, banco baterías, controlador carga y array FV para mínimo uso de cable y menor caída de tensión. Elegir entre eficiencia y costo.

Para estimar potencia de salida, la evaluación del recurso solar es fundamental. La insolación es la medida de energía solar recibida en área específica en período de tiempo. Puede obtenerse con piranómetro, pero no es necesario: datos de insolación en estación meteorológica cercana. Dos formas de medir:

• Kilovatio-hora por metro cuadrado por día (kWh/m²/día): Energía en kWh cayendo en m² por día.
• Horas Pico de Sol Diarias (PSH): Horas en un día donde irradiancia promedia 1000 W/m².

Las horas pico de sol se usan comúnmente por simplificar cálculos. No confundir Horas Medias de Sol y Horas Pico de Sol de estación meteorológica. "Horas medias" = horas que brilla el sol; "Horas pico" = energía real recibida en kWh/m²/día. Use el valor medio diario de insolación más bajo del año para asegurar operación fiable cuando el sol sea menor por mal tiempo.

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Consideraciones para Sistema FV Autónomo

Cálculo de Demanda Energética

El tamaño del sistema FV autónomo depende de la demanda de carga. La carga y su tiempo de operación varían, por lo que se debe tener cuidado en cálculos. El consumo energético de la carga = potencia (W) × horas de operación. Unidad: vatio-hora (Wh).

Demanda energética Wh = Potencia (W) × Duración operación (horas)

Demanda total diaria Wh = Σ (Potencia × Duración) de cada aparato por día.

Un sistema debe diseñarse para el peor caso (día de mayor demanda). Sistema para demanda máxima asegura fiabilidad. Si cumple pico, cumple mínimo. Pero diseñar para máximo aumenta costo. Sistema se utiliza plenamente solo en pico. Debe elegir entre costo y fiabilidad.

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Dimensionamiento Inversor y Convertidor (Controlador Carga)

Para elegir inversor adecuado, especificar tensión y corriente entrada/salida. Tensión salida inversor = carga del sistema; debe manejar corriente de carga y corriente del banco baterías. Basado en carga total conectada, especificar potencia inversor.

Consideremos 2.5 kVA: inversor con capacidad 20-30% superior a potencia de carga. Para carga motriz, 3-5 veces superior a demanda. Para convertidor, controlador carga se especifica en corriente y tensión. Corriente = corriente de cortocircuito módulo FV. Tensión = tensión nominal baterías.

Dimensionamiento Convertidor y Controlador Carga

La capacidad del controlador carga debe ser 125% de corriente de cortocircuito del panel FV. Es decir, 25% mayor que corriente cortocircuito panel solar.

Tamaño controlador carga solar (amperios) = Corriente cortocircuito FV × 1.25 (factor seguridad)

Ejemplo: 6 paneles de 160W cada uno. Especificaciones módulo FV:

• P_M = 160 W_Pico
• V_M = 17.9 V CC
• I_M = 8.9 A
• V_OC = 21.4 V
• I_SC = 10 A

Capacidad requerida controlador = (4 paneles × 10 A) × 1.25 = 50 A

Se necesita controlador 50A para configuración 12V CC.

Nota: Esta fórmula no aplica a cargadores solares MPPT. Consulte manual o placa de características.

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Dimensionamiento Inversor

El tamaño del inversor debe ser 25% mayor que carga total por pérdidas y eficiencia. Es decir, 125% de carga total en vatios. Ejemplo: carga 2400W → inversor = 2400W × 1.25 = 3000W (3kW).

Energía Diaria Suministrada al Inversor

Considere consumo diario carga = 2700 Wh. El inversor tiene eficiencia (90% en nuestro caso), así que energía suministrada debe ser mayor para compensar pérdidas:

Energía batería → inversor = 2700 / 0.90 = 3000 Wh/día

Tensión del Sistema

Tensión entrada inversor = tensión del sistema = tensión total banco baterías. Decidida por tensión batería individual, corriente de línea, caída tensión máxima permitida, pérdidas en cable. Usualmente baterías 12V → sistema 12V. Para mayor tensión, múltiplos de 12V: 12V, 24V, 36V, etc.

Reduciendo corriente, se reducen pérdidas y caída tensión en cable, aumentando tensión sistema. Esto aumenta baterías en serie. Debe elegir entre pérdidas y tensión sistema. Para nuestro caso: sistema 24V.

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Dimensionamiento Baterías

Parámetros a considerar:

1. Profundidad de Descarga (DoD) de la batería.
2. Tensión y capacidad amperio-hora (Ah).
3. Días de autonomía (días para alimentar sistema sin paneles en sombra/lluvia total).

Considere baterías 12V, 100Ah con DoD 70%. Capacidad usable = 100Ah × 0.70 = 70Ah. Capacidad carga requerida:

Capacidad carga requerida = energía suministrada batería / tensión sistema

Capacidad carga = 3000 Wh / 24V = 125 Ah

Número baterías = Capacidad carga / (100 × 0.7) = 125 / 70 = 1.78 → 2 baterías

Así, 2 baterías 12V, 100Ah en paralelo. Pero por redondeo se requiere 140Ah en vez de 125Ah.

Capacidad carga = 2 × 100Ah × 0.7 = 140Ah

Dos baterías 12V, 100Ah en paralelo para capacidad. Pero batería individual 12V, 100Ah y sistema requiere 24V → conectar dos en serie para 24V (figura 2):

Total: 4 baterías 12V, 100Ah. Dos en serie y dos en paralelo.

También capacidad requerida con fórmula:

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Dimensionamiento Array FV

Diferentes tamaños módulos FV producen diferente potencia. Forma común: usar insolación media diaria más baja en horas pico sol:

Tamaño total array FV (W) = (Demanda energética día carga (Wh) / T_PH) × 1.25

Donde T_PH = menor promedio diario horas pico sol mes/año y 1.25 = factor escala. Número módulos FV:

N_módulos = Tamaño total array (W) / Potencia paneles seleccionados en vatios-pico.

Supongamos carga 3000 Wh/día. Para W_Pico total paneles, usamos factor PFG:

W_Pico total capacidad panel = 3000 / 3.2 (PFG) = 931 W_Pico

Número paneles = 931 / 160W = 5.8 → 6 paneles de 160W.

Puede encontrar número exacto dividiendo W_Pico por otras potencias (100W, 120W, 150W) según disponibilidad.

Nota: Valor PFG (Factor Generación Panel) varía por clima/temperatura: EE.UU. = 3.22, UE = 2.93, Tailandia = 3.43, etc.

Pérdidas adicionales para factor exacto PGF (%):

• Luz solar no incide perpendicular (5%)
• No recibir energía en punto máxima potencia (excluido con controlador MPPT) (10%)
• Suciedad en paneles (5%)
• Envejecimiento paneles y bajo especificación (10%)
• Temperatura >25°C (15%)

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Dimensionamiento Cables

El dimensionamiento depende de: capacidad máxima corriente, caída tensión mínima (<2% típico en baja tensión), pérdidas resistivas mínimas. Cables en exterior: resistentes a agua y UV.

Subdimensionar → pérdidas energía y accidentes. Sobredimensionar → no económico. Área transversal cable:

A = (ρ × I_M × L / V_D) × 2

Donde:

• ρ = resistividad material conductor (ohm-metros)
• L = longitud cable
• V_D = caída tensión máxima permisible
• I_M = corriente máxima por cable

Puede usar calculadora tamaño cable. Use también interruptores automáticos, enchufes e interruptores dimensionados correctamente.

Ejemplo resuelto:

Ejemplo:

Supongamos carga eléctrica en vatios para sistema 12V, 120W panel solar:

• Lámpara LED 40W por 12 horas/día
• Refrigerador 80W por 8 horas/día
• Ventilador CC 60W por 6 horas/día

Calculamos número paneles, dimensionamiento controlador, inversor, baterías.

Carga Total

Carga Total Wh/día = (40×12) + (80×8) + (60×6) = 1480 Wh/día

Potencia requerida paneles = 1480 × 1.3 (factor pérdidas sistema) = 1924 Wh/día

Tamaño y Número Paneles

Capacidad W_Pico panel = 1924 / 3.2 = 601.25 W_Pico

Número paneles = 601.25 / 120W = 5 paneles

5 paneles de 120W cubren nuestra demanda.

Dimensionamiento Inversor

Solo cargas CA en sistema por tiempo específico (sin carga CC adicional directa a baterías). Potencia total = 40+80+60 = 180W

Inversor 25% mayor por pérdidas: 180W × 1.25 = 225W

Tamaño, Capacidad y Número Baterías

Carga vatios y horas operación = (40×12)+(80×8)+(60×6)

Tensión nominal batería ciclo profundo = 12V

Días autonomía = 2 días.

[(40×12)+(80×8)+(60×6) / (0.85×0.6×12V)] × 2 días

Capacidad requerida baterías = 483.6 Ah

Necesitamos capacidad 12V 500Ah para 2 días autonomía.

Usar 4 baterías 12V, 125Ah en paralelo.

Si batería disponible 175Ah, 12V → 3 baterías. Número exacto = Capacidad requerida Ah / Ah batería disponible.

Número baterías requerido = Capacidad requerida Ah / Ah batería disponible

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Dimensionamiento Controlador Carga Solar

Controlador 125% (25% mayor) que corriente cortocircuito panel.

Tamaño controlador (Amp) = Corriente cortocircuito FV × 1.25

Especificaciones módulo FV:

• P_M = 120 W_Pico
• V_M = 15.9 V CC
• I_M = 7.5 A
• V_OC = 19.4 V
• I_SC = 8.8 A

Controlador requerido = (5 paneles × 8.8A) × 1.25 = 44A → usar 45A.

Nota: Este método no sirve para cargadores MPPT. Consulte manual o placa.

Dimensionamiento Cable, Interruptor, Interruptores y Enchufes

Use herramientas y posts explicativos con tablas para encontrar amperaje exacto de cables, interruptores, enchufes y automáticos.

• Calculadora Tamaño Cable o Cómo Encontrar Tamaño Cable con Amperaje
• Encontrar Amperaje Interruptores y Enchufes
• Encontrar Tamaño y Capacidad Interruptor Automático

Conclusión

El sistema FV autónomo es excelente para utilizar energía solar ecológica disponible. Su diseño e instalación son convenientes y fiables para requerimientos energéticos pequeño, mediano y grande. Hace electricidad disponible casi en cualquier lugar, especialmente zonas remotas. Hace al consumidor independiente de red y fuentes como carbón, gas.

Sin impacto ambiental negativo y proporciona energía por largos períodos tras instalación. El diseño sistemático anterior da guías útiles para necesidad de energía limpia y sostenible.

• Por: M. Phansopkar
• Actualizado por: Electrical Technology