¿Cómo diseñar e instalar un sistema solar fotovoltaico?

Diseño e instalación de Sistemas Solares PV

Hoy, nuestro mundo moderno necesita energía para diversas aplicaciones cotidianas, como la fabricación industrial, la calefacción, el transporte, la agricultura, las aplicaciones de iluminación, etc. La mayor parte de nuestra necesidad de energía generalmente se satisface con fuentes de energía no renovables como el carbón, el petróleo crudo, el gas natural, etc. Pero la utilización de dichos recursos ha causado un fuerte impacto en nuestro medio ambiente.

Además, esta forma de recurso energético no se distribuye uniformemente en la tierra. Existe una incertidumbre de los precios de mercado como en el caso del crudo ya que depende de la producción y extracción de sus reservas. Debido a la disponibilidad limitada de fuentes no renovables, la demanda de fuentes renovables ha crecido en los últimos años.

La energía solar ha estado en el centro de atención cuando se trata de fuentes de energía renovable. Está fácilmente disponible en forma abundante y tiene el potencial de satisfacer las necesidades energéticas de todo nuestro planeta. El sistema fotovoltaico solar independiente, como se muestra en la figura 1, es uno de los enfoques cuando se trata de satisfacer nuestra demanda de energía independientemente de la empresa de servicios públicos. Por lo tanto, a continuación, veremos brevemente la planificación, el diseño y la instalación de un sistema fotovoltaico independiente para la generación de electricidad.

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Planificación de un sistema fotovoltaico independiente

Evaluación del sitio, topografía y evaluación de recursos de energía solar:

Dado que la salida generada por el sistema fotovoltaico varía significativamente según el tiempo y la ubicación geográfica, se vuelve de suma importancia tener una selección adecuada del sitio para la instalación fotovoltaica independiente. Por lo tanto, se deben considerar los siguientes puntos para la evaluación y selección de ubicaciones para la instalación.

1. Tono mínimo: Se debe asegurar que el sitio seleccionado ya sea en azotea o suelo no tenga sombras o no tenga ninguna estructura que intercepte la radiación solar que cae sobre los paneles a instalar. Además, asegúrese de que no haya ninguna construcción estructural cerca de la instalación que pueda causar el problema de la sombra.
2. Superficie: Se debe conocer el área de superficie del sitio en el que se pretende instalar la instalación fotovoltaica, para tener una estimación del tamaño y la cantidad de paneles necesarios para generar la potencia de salida requerida para la carga. Esto también ayuda a planificar la instalación de inversores, convertidores y bancos de baterías.
3. Azotea: En el caso de la instalación sobre cubierta se debe conocer el tipo de cubierta y su estructura. En el caso de techos inclinados, se debe conocer el ángulo de inclinación y se debe utilizar el montaje necesario para que los paneles tengan más incidentes de radiación solar, es decir, idealmente el ángulo de radiación debe ser perpendicular al panel fotovoltaico y prácticamente lo más cercano a 90 grados. .
4. Rutas: Las rutas posibles para los cables de un inversor, un banco de baterías, un controlador de carga y un campo fotovoltaico deben planificarse de manera que tengan una utilización mínima de los cables y una menor caída de voltaje en los cables. El diseñador debe elegir entre la eficiencia y el costo del sistema.

Para estimar la potencia de salida, la evaluación de la energía solar del sitio seleccionado es de suma importancia. La insolación se define como la medida de la energía del sol recibida en un área específica durante un período de tiempo. Puedes encontrar estos datos usando un piranómetro, sin embargo, no es necesario ya que puedes encontrar los datos de insolación en tu estación meteorológica más cercana. Al evaluar la energía solar, los datos se pueden medir de dos maneras:

• Kilovatios-hora por metro cuadrado por día (KWh/m ² /día): Es una cantidad de energía medida en kilovatios-hora, cayendo en metros cuadrados por día.
• Horas máximas diarias de sol (PSH): Número de horas en un día durante las cuales la irradiancia promedia 1000 W/m ² .

Las horas pico de sol son las más utilizadas, ya que simplifican los cálculos. No se confunda con las “horas medias de sol ” y “Horas pico de sol ” que recogerías de la estación meteorológica. Las "Horas medias de sol" indican el número de horas de sol, ya que las "Horas pico de sol" son la cantidad real de energía recibida en KWh/m ² /día. De entre todos los meses de un período del año, utilice el valor medio de insolación diaria más bajo, ya que garantizará que el sistema funcione de forma más fiable cuando haya menos sol debido a condiciones climáticas adversas.

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Consideraciones para el sistema fotovoltaico independiente

Cálculo de la Demanda de Energía

El tamaño del sistema fotovoltaico independiente depende de la demanda de carga. La carga y su tiempo de funcionamiento varían para los diferentes aparatos, por lo que se debe tener especial cuidado durante los cálculos de demanda de energía. El consumo de energía de la carga se puede determinar multiplicando la potencia nominal (W) de la carga por el número de horas de funcionamiento. Por lo tanto, la unidad se puede escribir como vatio × hora o simplemente Wh.

Demanda de energía Watt-hora =Potencia nominal en Watt × Duración de la operación en horas.

Por lo tanto, la demanda de energía total diaria en Wh se calcula sumando la demanda de carga individual de cada electrodoméstico por día.

Demanda total de energía Watt-hora =∑ (Potencia nominal en Watt × Duración de la operación en horas).

Un sistema debe diseñarse para el peor de los casos, es decir, para el día en que la demanda de energía sea mayor. Un sistema diseñado para la más alta demanda asegurará que el sistema sea confiable. Si el sistema cumple con la demanda de carga máxima, satisfará la demanda más baja. Pero diseñar el sistema para la mayor demanda aumentará el costo total del sistema. Por otro lado, el sistema se utilizará completamente solo durante la demanda de carga máxima. Entonces, tenemos que elegir entre el costo y la confiabilidad del sistema.

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Calificaciones de inversores y convertidores (controlador de carga)

Para elegir el inversor adecuado, se deben especificar tanto el voltaje de entrada como el de salida y la corriente nominal. El voltaje de salida del inversor está especificado por la carga del sistema, debe poder manejar la corriente de carga y la corriente tomada del banco de baterías. En función de la carga total conectada al sistema, se puede especificar la potencia nominal del inversor.

Consideremos 2,5 kVA en nuestro caso, por lo tanto, se debe elegir del mercado un inversor con una capacidad de manejo de energía que tenga un tamaño entre un 20 y un 30 % mayor que la potencia que ejecuta la carga. En el caso de la carga del motor, debe ser de 3 a 5 veces mayor que la demanda de energía de dicho aparato. En el caso del convertidor, el controlador de carga está clasificado en corriente y voltaje. Su clasificación de corriente se calcula utilizando la clasificación de corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico. El valor del voltaje es el mismo que el voltaje nominal de las baterías.

Tamaño del convertidor y del controlador de carga

La clasificación del controlador de carga debe ser el 125 % de la corriente de cortocircuito del panel fotovoltaico. En otras palabras, debe ser un 25 % mayor que la corriente de cortocircuito del panel solar.

Tamaño del controlador de carga solar en amperios =Corriente de cortocircuito de PV × 1,25 (factor de seguridad).

Por ejemplo, necesitamos 6 números de paneles solares de 160W cada uno para nuestro sistema. A continuación se muestra la fecha relacionada del panel fotovoltaico.

Supongamos que las especificaciones del módulo fotovoltaico son las siguientes.

• P_M =160 W_Pico
• V_M =17,9 V_CC
• Yo_M =8,9 A
• V_OC =21,4 A
• Yo_SC =10A

La clasificación requerida del controlador de carga solar es =(4 paneles x 10 A) x 1,25 =50 A

Ahora, se necesita un controlador de carga de 50 A para la configuración del sistema de 12 V CC.

Nota:esta fórmula no se aplica a los cargadores solares MPPT. Consulte el manual del usuario o verifique la clasificación de datos de la placa de identificación para conocer el tamaño adecuado.

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Tamaño del inversor

El tamaño del inversor debe ser un 25 % mayor que la carga total debido a pérdidas y problemas de eficiencia en el inversor. En otras palabras, debe tener una clasificación del 125 % de la carga total requerida en vatios. Por ejemplo, si la potencia necesaria es de 2400 W, el tamaño del inversor debería ser:

2400 W x 125 %

2400 W x 1,25

3000 vatios.

Por lo tanto, necesitamos un inversor de 3kW en caso de una carga de 2400W.

Energía diaria suministrada al inversor

Consideremos en nuestro caso que el consumo diario de energía por parte de la carga es de 2700 Wh. Tenga en cuenta que el inversor tiene su eficiencia, por lo que la energía suministrada al inversor debe ser mayor que la energía utilizada por la carga, para que las pérdidas en el inversor puedan compensarse. Suponiendo una eficiencia del 90 % en nuestro caso, la energía total suministrada por la batería al inversor se daría como;

Energía suministrada por la batería a la entrada del inversor =2700 / 0,90 =3000 Wh/por día.

Voltaje del sistema

El voltaje de entrada del inversor se denomina voltaje del sistema. También es el voltaje total de la batería. Este voltaje del sistema se decide por el voltaje de la batería individual seleccionada, la corriente de línea, la caída de voltaje máxima permitida y la pérdida de energía en el cable. Por lo general, el voltaje de las baterías es de 12 V, por lo que será el voltaje del sistema. Pero si necesitamos un voltaje mayor, debe ser múltiplos de 12 V, es decir, 12 V, 24 V, 36 V, etc.

Al disminuir la corriente, se puede reducir la pérdida de energía y la caída de voltaje en el cable, esto se puede lograr aumentando el voltaje del sistema. Esto aumentará el número de baterías en la serie. Por lo tanto, se debe elegir entre la pérdida de energía y el voltaje del sistema. Ahora, para nuestro caso, consideremos el voltaje del sistema de 24 V.

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Tamaño de las baterías

Al dimensionar la batería, se deben considerar algunos parámetros como los siguientes:

1. Profundidad de descarga (DOD) de la batería.
2. Voltaje y capacidad en amperios-hora (Ah) de la batería.
3. La cantidad de días de autonomía (es la cantidad de días necesarios para encender todo el sistema (energía de respaldo) sin paneles solares en caso de sombra total o días lluviosos. Cubriremos esta parte en nuestro próximo artículo) para obtenga la capacidad Ah necesaria de las baterías.

Supongamos que tenemos baterías de 12 V, 100 Ah con DOD del 70%. Por lo tanto, la capacidad utilizable del es 100 Ah × 0,70 =70 Ah. Por lo tanto, la capacidad cargada que se requiere se determina de la siguiente manera;

Capacidad de carga requerida =energía suministrada por la batería a la entrada del inversor/voltaje del sistema

Capacidad de carga requerida =3000 Wh/ 24 V =125 Ah

A partir de esto, la cantidad de baterías requeridas se puede calcular como;

No. de baterías requeridas =Capacidad de carga requerida / (100 × 0.7)

No. de baterías necesarias =125 Ah / (100 × 0,7) =1,78 (redondear 2 baterías)

Por lo tanto, se requieren 2 baterías de 12 V, 100 Ah. Pero debido al redondeo se requieren 140 Ah en lugar de 125 Ah.

Capacidad de carga requerida =2 × 100 Ah × 0,7 =140 Ah

Por lo tanto, dos baterías de 12 V, 100 Ah en paralelo para cumplir con la capacidad de carga anterior. Pero como la batería individual es de 12 V, solo 100 Ah y el requisito de voltaje del sistema es de 24 V, necesitamos conectar dos baterías en serie para obtener el voltaje del sistema de 24 V, como se muestra en la figura 2 a continuación:

Entonces, en total habrá cuatro baterías de 12 V, 100 Ah. Dos conectados en serie y dos conectados en paralelo.

Además, la capacidad requerida de las baterías se puede encontrar mediante la siguiente fórmula.

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Dimensionamiento del conjunto fotovoltaico

Los diferentes tamaños de módulos fotovoltaicos disponibles en el mercado producen un nivel diferente de potencia de salida. Una de las formas más comunes de determinar el tamaño de la matriz fotovoltaica es usar la insolación diaria media más baja (irradiación solar) en las horas pico de sol de la siguiente manera:

El tamaño total del conjunto fotovoltaico (W) =(Demanda de energía por día de una carga (Wh) / T_PH ) × 1,25

Donde T_PH es el promedio diario más bajo de horas de sol de un mes por año y 1,25 es el factor de escala. Con esto el número de módulos fotovoltaicos N_módulos requerido se puede determinar como;

N_módulos =Tamaño total de la matriz fotovoltaica (W) / Valor nominal de los paneles seleccionados en vatios pico.

Supongamos que en nuestro caso la carga es de 3000 Wh/por día. Para conocer el W_Peak total necesario de la capacidad de un panel solar, usamos el factor PFG, es decir,

Total W_Pico de capacidad del panel fotovoltaico =3000 / 3.2 (PFG)

=931 W_Pico

Ahora, la cantidad requerida de paneles fotovoltaicos es =931 / 160W =5.8.

De esta manera, necesitamos 6 paneles solares, cada uno con una capacidad nominal de 160 W. Puede encontrar el número exacto de paneles solares dividiendo el W_Pico por otra clasificación, es decir, 100 W, 120 W, 150 W, etc. según la disponibilidad.

Nota :El valor de PFG (Factor de generación de paneles) varía (debido a los cambios climáticos y de temperatura) en diferentes regiones, por ejemplo, PFG en EE. UU. =3,22, UE =293, Tailandia =3,43, etc.

Además, se deben considerar las pérdidas adicionales para encontrar el factor de generación de panel (PGF) exacto. Estas pérdidas (en %) se deben a:

• La luz del sol no incide directamente sobre el panel solar (5 %)
• No recibir energía en el punto de máxima potencia (excluido en caso de controlador de carga MPPT). (10%)
• Suciedad en los paneles solares (5 %)
• Paneles fotovoltaicos envejecidos y por debajo de las especificaciones (10 %)
• Temperatura superior a 25 °C (15 %)

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Tamaño de los Cables

El tamaño de los cables depende de muchos factores, como la capacidad máxima de carga de corriente. Debe tener una caída de voltaje mínima y pérdidas resistivas mínimas. Como los cables se colocarían en el exterior, deberían ser resistentes al agua y a los rayos ultravioleta.

El cable debe comportarse con una caída de tensión mínima, normalmente inferior al 2 %, ya que existe un problema de caída de tensión en el sistema de baja tensión. El tamaño insuficiente de los cables dará como resultado una pérdida de energía y, a veces, incluso puede provocar accidentes. mientras que el sobredimensionamiento no es económicamente asequible. El área de la sección transversal del cable se da como;

A =(ρI_M L / V_D ) × 2

Dónde

• ρ es la resistividad del material del cable conductor (ohm-metros).
• L es la longitud del cable.
• V_D es la caída de tensión máxima permitida.
• Yo_M es la corriente máxima transportada por el cable.

Además, puede usar esta calculadora de tamaño de cables y alambres. Además, use el disyuntor del tamaño adecuado y los enchufes e interruptores clasificados.

Vamos a tener un ejemplo resuelto para el ejemplo anterior.

Ejemplo:

Supongamos que tenemos la siguiente carga eléctrica en vatios donde necesitamos un diseño e instalación de un sistema de panel solar de 12 V, 120 W.

• Una lámpara LED de 40W durante 12 Horas al día.
• Un frigorífico de 80W durante 8 Horas al día.
• Un ventilador de CC de 60 W durante 6 horas al día.

Ahora busquemos la cantidad de paneles solares, la clasificación y el tamaño del controlador de carga, el inversor y las baterías, etc.

Encontrar la carga total

Carga Total en Wh/día

=(40W x 12 horas) + (80W x 8 horas) + (60W x 6 horas)

=1480 Wh / por día

La potencia requerida por el sistema de paneles solares

=1480 Wh x 1,3 … (1,3 es el factor utilizado para la pérdida de energía en el sistema)

=1924 Wh/día

Encontrar el tamaño y número de paneles solares

W_Pico Capacidad del Panel Solar

=1924 Wh /3.2

=601,25 W_Pico

Número requerido de paneles solares

=601,25 / 120W

Número de paneles solares =5 módulos de paneles solares

De esta manera, los 5 paneles solares de 120 W cada uno serán capaces de satisfacer nuestros requisitos de carga.

Encuentre la clasificación y el tamaño del inversor

Como solo hay cargas de CA en nuestro sistema durante un tiempo específico (es decir, no hay carga de CC adicional y directa conectada a las baterías) y nuestra potencia total requerida es:

=  40 W + 80 W + 60 W 

=180W

Ahora, la clasificación del inversor debe ser un 25 % mayor que la carga total debido a las pérdidas en el inversor.

=180 W x 2,5

Valor nominal y tamaño del inversor =225 W

Encuentre el tamaño, la clasificación y el número de baterías

Nuestro vataje de carga y tiempo operativo en horas

=(40W x 12 horas) + (80W x 8 horas) + (60W x 6 horas)

Voltaje nominal de la batería de ciclo profundo =12 V

Días de Autonomía Requeridos (Alimentación por baterías sin alimentación por panel solar) =2 días.

[(40 W x 12 horas) + (80 W x 8 horas) + (60 W x 6 horas) / (0,85 x 0,6 x 12 V)] x 2 días

La capacidad requerida de las baterías en amperios-hora =483,6 Ah

De esta forma, necesitamos una batería de 12V 500Ah de capacidad para 2 días de autonomía.

En este caso, podemos usar 4 baterías de 12 V, 125 Ah cada una, conectadas en paralelo.

Si la capacidad de la batería disponible es de 175 Ah, 12 V, podemos usar 3 baterías. Puede obtener la cantidad exacta de baterías dividiendo la capacidad requerida de las baterías en amperios-hora por la clasificación Ah disponible de la batería.

Número requerido de baterías = Capacidad requerida de las baterías en amperios-hora / Índice de Ah disponible de la batería

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Encuentre la clasificación y el tamaño del controlador de carga solar

El controlador de carga debe ser un 125 % (o un 25 % mayor) que la corriente de cortocircuito del panel solar.

Tamaño del controlador de carga solar en amperios =corriente de cortocircuito de PV × 1,25

Especificación del módulo fotovoltaico

• P_M =120 W_Pico
• V_M =15,9 V_CC
• Yo_M =7,5 A
• V_OC =19,4 A
• Yo_SC =8,8 A

La clasificación requerida del controlador de carga solar es =(5 paneles x 8,8 A) x 1,25 =44 A

Para que pueda usar el siguiente controlador de carga nominal más cercano, que es 45A.

Tenga en cuenta que este método no se puede utilizar para encontrar el tamaño exacto de los cargadores solares MPPT. Consulte el manual de usuario proporcionado por el fabricante o vea la clasificación de la placa de identificación impresa en él.

Cómo encontrar el cable, CB, interruptores y capacidad de enchufe

Use las siguientes herramientas y publicaciones explicativas con tablas para encontrar la clasificación de amperaje exacta de alambres y cables, interruptores y enchufes y disyuntores.

• Calculadora de tamaño de cable o cómo encontrar el tamaño de cable adecuado con ampacidad.
• Encuentre la clasificación de amperaje de interruptores y enchufes
• Encuentre el tamaño y la clasificación adecuados del disyuntor.

Conclusión

El sistema fotovoltaico independiente es una excelente manera de utilizar la energía ecológica del sol que está fácilmente disponible. Su diseño e instalación son convenientes y confiables para requerimientos de energía de pequeña, mediana y gran escala. Tal sistema hace que la disponibilidad de electricidad sea casi en cualquier parte del mundo, especialmente en áreas remotas. Hace que el consumidor de energía sea independiente de la empresa de servicios públicos y de otras fuentes de energía como el carbón, el gas natural, etc.

Tal sistema no puede tener un impacto negativo en nuestro medio ambiente y puede proporcionar energía durante largos períodos después de su instalación. El diseño y la instalación sistemáticos anteriores proporcionan pautas útiles para nuestra necesidad de energía limpia y sostenible en el mundo moderno.

• Por:M. Phansopkar
• Actualizado por:Tecnología eléctrica