Dimensionamiento básico SFV-IR

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1 Universidad Nacional Autónoma de México Centro de Investigación en Energía CURSO DE ESPECIALIZACIÓN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A LA RED 16 al 20 de enero de 2012 Dimensionamiento básico SFV-IR 1

2 Objetivo Proporcionar los elementos básicos de dimensionamiento y diseño de la tecnología fotovoltaica aplicada en la implementación de proyectos de interconexión a la red.

3 Sistemas Fotovoltaico Un sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos que permiten obtener electricidad a un voltaje específico a partir de la energía luminosa del Sol. Sistemas Autónomos CLASIFICACIÓN Sistemas en DC Sistemas en AC Acoplamiento Directo A. c/seguidor de potencia A. c/inversor A. c/baterías/controlador A. c/bat./cont./inversor

4 Sistemas Fotovoltaico Sistemas Híbridos Fotovoltaico/Motogenerador Fotovoltaico/eolico Fotovoltaico/Eólico/motogenerador Sistemas interactivos con la red FV/Baterías/Inversor/Red FV/Inversor/Red

5 Sistemas FV s Autónomos Sol CARGAS EN CORRIENTE DIRECTA Arreglo Fotovoltaico Controlador de Carga DC DC DC Tableros de distribución Carga en DC Electrificación Doméstica Radiocomunicación Televisión educativa, Iluminación básica, etc. Banco de Baterías comúnmente 12 V Sistema de Almacenamiento de Energía

6 Sistemas FV s Autónomos CARGAS EN CD Y CA Sol Arreglo Fotovoltaico Generación de Electricidad en DC DC DC Tableros de distribución de carga en DC DC Controlador de Carga DC AC Tableros de distribución de carga en AC Inverso/Cargadorr CD/CA AC Motogenerador Banco de Baterías CA 6 Vn depende del Inversor

7 Sistemas FV-IR Sol Arreglo Fotovoltaico CARGAS DC Acondicionador de potencia INVERSOR CD/CA Tableros de distribución de carga en CA SEN AC Generación de Electricidad en DC Vn en DC depende del Inversor CARGAS EN AC 7

8 Unidades y Términos Comúnes POTENCIA ELÉCTRICA (P): Producto del voltaje con la corriente. Unidad: Watt; Símbolo: W; equivalencia 1 W= 1Vx 1A POTENCIA PICO (Pp): En un módulo FV es la potencia máxima generada bajo condiciones estándares de medición. VOLTAJE NOMINAL (Vn): Es el voltaje de especificación comercial de una carga eléctrica, generador, batería, etc. ENERGÍA ELÉCTRICA (E): Es la potencia eléctrica consumida, generada ó almacenada en un intervalo de tiempo dado. E=Pxt Si el tiempo se mide en horas (h), la unidad para E es Watt-hora (W-h) en el periodo considerado

9 La energía consumida o producida en un día puede expresarse de manera indistinta mediante las siguientes unidades: Watt-hora (W-h): Es la cantidad de energía producida o consumida por un equipo eléctrico. 1 kw-h= 1,000 W-h Amper-hora (A-h): Es la cantidad de energía consumida o producida por un equipo eléectrico a un voltaje nominal dado. 1.2 kw-h = 1,200 W-h = V = V = V

10 Energía Solar IRRADIANCIA: Potencia luminosa incidente en una unidad de área. Unidad: W/m 2 Máximo valor Irradiancia directa= 1,000 W/m 2 IRRADIACIÓN: Irradiancia acumulada en un tiempo dado. Unidad: W-h/m 2

11 Energía Recibida en un Captador Horizontal IRRADIANCIA (W/m 2 ) Global Directa Difusa VERANO, DÍA DESPEJADO, LATITUD 15ºN HORA DEL DÍA

12 HORAS PICO H P : Energía disponible del Sol obtenida por la integración de la irradiancia respecto del tiempo y expresado en horas de máxima irradiancia. IRRADIANCIA (W/m 2 ) Area bajo la curva A= 8,000 W-h/m 2 IRRADIANCIA (W/m 2 ) Area bajo la curva A= 4,000 W-h/m HORA DEL DÍA Horas de Sol 0 1,000 W/ m HORA DEL DÍA Horas de Sol 8 h-p 4 h-p HORAS-PICO 8:00 12:00 16: W/ m 2 10:00 14:00 El concepto de horas-pico como una manera de trabajar la energía recibida en un captador

13 Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio anual Captador Horizontal R S (I)= R S (H)/cos (0.87L) Unidades Horas-Pico

14 Fuentes de información Bases de datos de la NASA en: Bases de datos nacionales en:

15 El Módulo Fotovoltaico Características eléctricas bajo condiciones NTC

16 Condiciones paramétricas de caracterización eléctrica en módulos FV Condiciones STC: G=1000 W/m2; Tc=25 C; Masa de aire AM1.5 Condiciones NOCT: Ta= 20 C; G=800 W/m2; v=1.0 m/s 16

17 Efecto de la Temperatura En el voltaje: reducción de 2.2 mv/ºc/celda En la potencia: reducción del 0.35%/ºC

18 Efecto de la Temperatura Relación empírica para estimar la Temperatura máxima de operación de las celdas, Tc, en un módulo: Tc=Ta+CG Donde: Ta es la temperatura ambiente C constante a determinar a través de los datos NOCT del fabricante. Valor por omisión: C=0.025 ( Cm 2 /W) G=1,000 W/m 2 Rendimiento térmico, Rt, de módulos FV s Rt: entre 85% y 90% Valor por omisión Rt=88% 18

19 Métodos de dimensionamiento Método de Watt-hora Asigna a los módulos FV s la Potencia que genera el módulo bajo condiciones NOCT normalizada al 100% de la Irradiancia. Pp= Ec/(RS*Rt* T ) Donde Ec es la energía promedio diaria anual (Wh) T es la eficiencia total T en el uso y manejo de la energía ( T = I * W ) siendo I *eficiencia del inversor y W es la eficiencia en el cableado; RS es el recurso solar promedio diario anual (h pico); Rt es el Rendimiento térmico del módulo.

20 Método del Factor de Planta Asigna al SFV un factor de planta FP anualizado entre el 15 y 20% dependiendo de la temperatura ambiente (Valor por omisión 17%=0.17) Pp = Et/(Fp*Hr) Pp= Potencia pico; Et Energía anual entregada por el SFV en kwh Hr número de horas del año (8760) 20

21 Método energético Asigna a la generación de energía del SFV una magnitud dada por la expresión: Et=H*Ae*Nd* E Et Energía annual entregada por el SFV en kwh H es la irradianción promedio diaria annual; Ae es el área efectiva del arreglo FV Nd número de días al año E eficiencia global: módulo, inversor y cableado N=Ae/Am donde N número total de módulos de área Am Po=N*Pm donde Po es la potencia del AFV, Pm es la potencia del módulo. 21

22 Módulos Fotovoltaicos Conexiones Serie Paralelo Conexión Paralelo AUMENTO DE CORRIENTE Tres módulos Conectados en paralelo Conexión Serie AUMENTA EL VOLTAJE Tres módulos Conectados en serie 12 V 12 V 12 V 12 V 9 amp 36 V Diodo de bloqueo Diodo de paso 12 Volts 24 V 36 Volts 12 V 0 V

23 CONEXION PARALELO Incrementando Potencia CONEXIÓN SERIE Diodos de paso - - V 1 + V 2 + V 3 + V 4 - I I I I 1 +I I 3 I 1 +I 2 + I 3 ARREGLO: 4 Módulos en Serie y 3 estructuras de éstas en paralelo. Nomenclatura: 4S x 3P Diodo de Bloqueo V = V 1 +V 2 +V 3 + V 4 DIAGRAMA ESQUEMATICO DE CONEXION ENTRE MÓDULOS EN SERIE: LOS VOLTAJES DE CADA MODULO SE SUMAN EN PARALELO: LA CORRIENTE DE CADA MODULO SE SUMAN

24 Estimación de la energía generada por un arreglo Fotovoltaico Módulo Fotovoltaico Irradiancia : 1000 W/ m 2; AM1.5; Tm = 25ºC Tm = 62ºC Pp = 55 W Pp = 44W Sonora Sn. Cristobal Tonalá Unidades Hrs - Pico Al Día Pot. C/ Módulo Watts Energía W - h Arreglo FV 5 Módulos Watts Energía Total W - h Maxima Generación por día (por año) = Rayos perpendiculares a los Módulos

25 Dimensionamiento Fotovoltaico Procedimiento a través del cual se determina la potencia pico óptima del arreglo FV que generará la energía necesaria para una aplicación específica en cierta localidad. Así mismo, determinar la capacidad del sistema de acondicionamiento de energía que permita el acoplamiento eléctrico con la red de distribución eléctrica del lugar.

26 Conocimientos Necesarios: GEOGRÁFICOS Localización del sitio, Clima, Conocimiento del sitio, RECURSO SOLAR del sitio ENERGÉTICOS Tipo de Cargas Tiempo de uso Potencia total Energía total TECNOLÓGICOS Tipo de módulos Tipo de controladores Tipo de estructuras Tipo de baterías Tipo de inversor

27 Criterios Fundamentales para el Dimensionamiento FV BALANCE ENERGÉTICO ENERGÍA GENERADA AL DÍA ENERGÍA TOTAL CONSUMIDA POR DÍA DE DISEÑO... CAÍDAS DE VOLTAJE EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Max 5% DEL VOLTAJE NOMINAL SIMPLICIDAD EN EL DISEÑO

28 Método de Dimensionamiento Watt-hora con los siguientes métodos: Energía promedio diaria Energía promedio mensual Energía promedio anual Factor de Planta

29 Ruta de Dimensionamiento El que..., El para que..., Y el como... En caso de carecer de información sobre energía consumida (facturas o recibos) 1º: IDENTIFICACIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS Cargas CA. 2º. ELABORAR UNA RELACIÓN DE CARGAS EN CA. 3º. IDENTIFICACIÓN DEL VOLTAJE NOMINAL Y SU POTENCIA DE OPERACIÓN DE LAS CARGAS.

30 Ruta de Dimensionamiento 4º. Identificación de la potencia nominal ó de operación de las cargas. 5º. ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE OPERACIÓN DE CADA CARGA (por día, semana o mes) 6º. CÁLCULO DE LA ENERGÍA ESTIMADA (parcial y total).

31 Energía promedio diaria Procedimiento: Determine la energía consumida, Ec, promedio diaria mensual ó anual. Determine, de las bases de datos, el recurso solar, RS, promedio diario mensula o anual Elabore una Tabla de datos. Defina el mes de diseño con base en sus propios criterios. Determine la potencia efectiva de operación Pef al dividir la energía consuminda entre el recurso solar. Determine el factor que debe incrementarse la potencia efectiva debido a pérdidas por efecto de la temperatura (Rt) Determine la eficiencia total T en el uso y manejo de la energía ( T = I * W ) donde I *eficiencia del inversor y W es la eficiencia en el cableado Determine la potencia pico Pp del arreglo fotovoltaico Pp=Pef/(Rt* T )

32 Selección del Inversor RECOMENDACIONES: a) Seleccione el inversor a usar de acuerdo al criterio: Potencia nominal del inversor, P N (I), debe ser siempre mayor o igual a la potencia pico del arreglo FV, P P (AFV). P N (I) P P (AFV) b) Identifique cual es el rango de voltaje de funcionamiento del inversor en el punto de máxima potencia. c) Identifique cual es el voltaje máximo a circuito abierto que soporta el inversor y cual es el voltaje mínimo. d) Seleccione el punto medio del rango de voltaje de operación. e) Seleccione un módulo comercial f) Divida el valor del punto medio del rango de voltaje entre el voltaje Vm del módulo seleccionado para determinar el No. de módulos a conectar en serie.

33 Dimensionamiento a) Determine, de bases de datos, cual podría ser la temperatura mínima del sitio al inicio del día y calcule el voltaje de generación del módulo, tanto a circuito abierto como el Vm. b) Determine si el voltaje de los módulos en serie esta en el rango de operación del inversor; si es así, c) Determine cuantos paneles (ramas en serie) requiere conectar en paralelo para suministrar la potencia pico calculada. d) Determine el arreglo FV. e) Determine el área. f) Determine la estructura. g) Proceda al diseño eléctrico.

34 Sistemas Fotovoltaicos Estructuras para Paneles FV Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar Horizontal

35 Sistemas Fotovoltaicos con Seguidor Solar

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