DISEÑO DE SISTEMAS AISLADOS

Transcripción

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2 DISEÑO DE SISTEMAS AISLADOS

3 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

4 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.

5 ESQUEMA DE UN REGULADOR SOLAR ENTRADA BATERÍAS CONSUMO

6 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.

7 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.

8 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.

9 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.

10 Cortocircuitos en baterías solares. Un cortocircuito en una batería pequeña puede alcanzar fácilmente los 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.

11 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.

12 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).

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14 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.

15 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

16 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, 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, Volts (V) 1. La intensidad de cortocircuito varía poco con la temperatura. 2. La tensión de circuito abierto aumenta proporcionalmente al descenso de temperatura

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

18 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, Volts (V)

19 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.

20 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

21 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)

22 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 ,00 radio ,00 Tv ,00 Fotocopiadora ,00 computadoras ,00 total 2840,00

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24 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)

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

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

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

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

29 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

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

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

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

33 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 FI = 1 [1, ($ $opt)2 + 3, "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

34 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

35 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

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

37 En paralelo Corriente 3 paneles 2 paneles 1 panel Tensión

38 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

39 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

40 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

41 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.

42 GRACIAS!