Software para el Diseño de Sistemas Fotovoltaicos

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1 65 Software para el Diseño de Sistemas Fotovoltaicos Salvador Ramírez Z., Isidro I. Lázaro C., René Rodríguez Z., Facultad de Ingeniería Eléctrica Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia Mich., CP TEL: (433) , Ext. 4353, correo-e: Resumen Se presentan un software para dimensionar sistemas fotovoltaicos usando LABWINDOWS. El programa determina el número de paneles fotovoltaicos y las baterías requeridas para alimentar las cargas requeridas. Este cálculo utiliza los registros de radiación solar del lugar, la corriente de salida de un módulo y los requerimientos diarios de la carga. El programa desarrollado incluye un tutorial de sistemas fotovoltaicos, cuya finalidad es capacitar al usuario, proporcionándole la información básica requerida para comprender la operación de este tipo de sistemas. Abstract This paper presents a software to sizing a solar electric system using LabWindows, the program calculates the number of solar modules and batteries that are needed to run the required number of appliances. This calculation uses the weather records of sunshine for the site, the current output from one module and the daily requirement of appliances. The developed program includes a tutorial of solar electricity whose purpose is to qualify the user offering him the basic information required to understand the operation of this class of systems. Descriptores Radiación solar, Panel fotovoltaico, Sistema fotovoltaico, Inversor y LabWindows. A I. INTRODUCCIÓN CTUALMENTE el calentamiento global que sufre el planeta ha obligado a acelerar el impulso de fuentes alternas de energía. Las fuentes alternas permitirán reemplazar el uso de fuentes de energía que emiten una gran cantidad de contaminantes, entre estas alternativas esta la energía solar. Dentro de este tipo de energía no contaminante tenemos los sistemas fotovoltaicos, que permite proporcionar energía eléctrica en cantidades moderadas. Éste tipo de sistemas han sido utilizados por varias décadas, para proporcionar el suministro de energía a comunidades rurales alejadas del sistema eléctrico nacional, proporcionándoles servicios de iluminación, bombeo, educación, entretenimiento y salud. Muchas otras aplicaciones se han dado a este tipo de sistemas. A pesar de que el costo para su instalación es elevado siguen representando una buena alternativa para proveer de energía, además dada la problemática actual que vive el planeta no se descarta que en poco tiempo, nuevas investigaciones conduzcan a que el costo de producción de los paneles solares se reduzca drásticamente, permitiendo con el ello el uso masificado del mismo. En nuestro país existen muchas poblaciones que carecen de energía eléctrica, debido a la geografía del lugar y al tamaño de la población que la conforman, una de las alternativas de proveer éste servicio sin alterar la ecología del lugar es la aplicación de sistemas fotovoltaicos, a pesar de que la metodología empleada para dimensionar los mismos no es compleja se requiere del manejo de mapas de insolación, tablas de fabricantes de paneles y baterías, así como, diversa información de la naturaleza de la

2 66 carga a alimentar para efectuar dicho diseño. En éste artículo se muestra un software diseñado para facilitar este dimensionamiento, en donde el usuario sólo debe ocuparse de recabar información de las necesidades a satisfacer por el sistema, tales como: tipo de servicios a emplear en la cocina, estancia, cantidad de luminarias y otros servicios auxiliares tales como bombeo. Además de ubicar el lugar donde se instalarán los paneles y la época del año que se tomará como la más crítica, con este dato se determina la cantidad de horas de insolación disponibles [1]. El software regresa al usuario el tipo y número de paneles solares a emplear, así como la inclinación de los mismos, además determina el número y tipo de batería a emplear en función de la cantidad de días nublados consecutivos que el usuario especifique, cada una de estas tareas señaladas se realizan de una manera versátil a través de paneles amigables, creados bajo un ambiente de programación de LabWindows. II. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA El software se compone de dos partes: la primera de ellas presenta los conceptos básicos de los sistemas fotovoltaicos, respondiendo a las preguntas que son? y como se conforman? La segunda parte permite al usuario aplicar una metodología para dimensionar los sistemas fotovoltaicos, sin necesidad de ser un experto en la materia. El programa esta hecho principalmente en un ambiente de programación de LabWindows, el cual es una combinación de programación gráfica y programación en lenguaje C. Al igual que el ambiente de programación de LabView, la función principal de LabWindows es la de desarrollar instrumentos virtuales a través de paneles. En estos paneles se presenta la información, ya sea por medio de botones que hacen enlace a otros paneles u otros programas, que tengan mejores características para el manejo de la información que se quiere presentar hacia el usuario. En LabWindows se tienen todas las herramientas necesarias para crear una interfaz gráfica muy agradable hacia el usuario y también se tiene todo el poder del lenguaje C. A. Panel Principal Figura 1. Panel principal. La base del programa esta hecha en su mayoría en LabWindows. En la Figura 1 se muestra el panel principal del programa. De éste panel se tiene enlace a todas las áreas del programa. En el lado izquierdo, de éste panel se encuentran los botones que permiten acceder a otras partes del programa. Todos los demás elementos son para darle presentación al panel. Como puede observarse, la ventana del panel tiene las mismas características de cualquier ventana de Windows. B. Descripción de los Botones del Tutorial. Por razones de espacio en este artículo se presenta la descripción de los botones más importantes con que cuenta el programa en la parte del tutorial. El botón que es?, presenta al usuario un panorama muy general de lo que es la energía solar fotovoltaica, mostrando algunos dibujos representativos para entender un sistema fotovoltaico y presenta una explicación de cómo se genera este tipo de electricidad [2] y [3]. La Figura 2, muestra el tipo de información que se despliega a través del explorador al presionar este botón [2]. Al oprimir el botón Sistema Fotovoltaico, el usuario obtiene información en detalle cada una de las partes del sistema. En la Figura 3 se muestra un sistema fotovoltaico con todos sus componentes.

3 67 Figura 3. Elementos de un sistema fotovoltaico. Figura 2. Panel de información general de los sistemas fotovoltaicos. En realidad este diagrama es un panel, ya que cada figura que se muestra es un botón, que hace enlace a la parte correspondiente del programa, donde se describirá a detalle el componente seleccionado. Adicionalmente, se tienen dos botones, uno para salir del panel y otro para enlazar a una descripción completa de los sistemas fotovoltaicos. Por ejemplo, al oprimir el icono del sol, se despliega el panel mostrado en la Figura 4, en este panel se describe lo que es la insolación (radiación solar) y se muestra cuatro mapas del continente americano, cada uno presenta los valores de insolación en distinta época del año. Además se explica la forma más adecuada de colocar los paneles. C. Descripción del Programa para Diseñar Sistemas Fotovoltaicos. Para llevar a cabo los cálculos el programa se apoya de cuatro archivos, que están como una pequeña base de datos, los cuales se describen a continuación: Figura 4. Panel de insolación solar. Radiación.txt. En este archivo se encuentran los datos de radiación, de enero a diciembre, de 54 ciudades de la República Mexicana. Modulos_num.txt. Este archivo contiene los datos para 44 módulos solares, que mediante un control del tipo lista se escoge alguno de ellos y de este archivo se toman los datos para la corriente y la potencia del módulo. Baterias_datos.txt. Contiene la información de los amperes hora (A-h) para 25 diferentes tipos de baterías de 12 volts. Grados.txt. Aquí se toman los grados de inclinación que deben de tener los módulos de acuerdo a la ciudad escogida. Al presionar el icono de Cálculos desde el panel principal mostrado en la figura 5, el programa realiza un enlace al panel correspondiente a los cálculos del sistema fotovoltaico (Figura 6). Primeramente se abre un panel en donde se puede observar la posición del sol de acuerdo a la hora y época del año. Figura 5. Panel Principal para dimensionar sistemas fotovoltaicos. En este panel no se pueden hacer modificaciones de

4 68 los datos. Pero se tiene un enlace hacia otros paneles que nos permiten hacerlo. En el panel mostrado en la figura 5 se tienen dos enlaces importantes: Ver/Modificar carga del sistema Calcular Ver/Modificar carga del sistema. Esta opción presenta un panel en donde se puede modificar la carga directamente o se puede entrar a cada una de las listas para seleccionar cargas individuales de acuerdo a la aplicación (Figura 6). Debido a que existe un gran diversidad de cargas que se pueden conectar a un sistema fotovoltaico, estas listas se restringieron un poco y se agrego una opción, al final de cada lista, en la que se puede escoger una carga x y se ingresa su consumo en watts y el tiempo de uso diario, ya sea en horas o en minutos. De esta forma se tendrán cuatro variables de potencia, una por grupo, y al final del ingreso se concentraran en una sola variable, llamada potencia total. Si se escoge modificar la carga directamente, las listas quedan inactivas y el valor se ingresa directamente en la variable potencia total. La Figura 6 muestra el panel correspondiente a la modificación de la carga total. Para ingresar las cargas se debe escoger de una lista de cargas por aplicación El botón inferior nos permite hacer la selección entre escoger de una lista cada una de las cargas y el ingreso directo de la carga total. Si se selecciona alguna de las aplicaciones como por ejemplo Cocina, aparece un panel como el mostrado en la Figura 7, en donde se muestran las listas de cada una de las áreas para poder ingresar cargas individuales ya predefinidas o la carga x. Figura 7. Lista de cargas en la cocina. En ésta lista se incluyeron dos refrigeradores que funcionan con corriente directa, pensado que en ciertas zonas del país es indispensable contar con un sistema de refrigeración para la conservación de medicamentos. Las casillas con palomita son las cargas iniciales que se tiene inicialmente. Cuando se escogen las cargas de una lista es necesario rectificar la lista de cargas escogidas, esto con el fin de mostrar al usuario la suma de las cargas seleccionadas y observar la potencia total, de tal forma que, cuando se presiona el icono aceptar aparece el panel mostrado en la Figura 8. Una vez confirmado el ingreso correcto de los datos, se regresa al panel de la Figura 6 (panel de aplicaciones), para permitir modificar de la misma forma la carga de las otras tres áreas. El que se hayan incluido las listas de las cargas solo fue con la intención de hacer más ilustrativo el programa y de mostrar las potencias de consumo individuales de las cargas y así considerar cuales de estas son más convenientes al planear el sistema. Figura 6. Panel de ingreso a las cargas. Figura 8. Panel de rectificación para modificar la carga.

5 69 Figura 9. Lista de cargas de iluminación. Otra carga de sumo interés en todo sistema fotovoltaico es la iluminación. La Figura 9 muestra el panel correspondiente a esta aplicación, en este se aprecia la diversidad de cargas que pueden incluirse en el sistema. Al igual que en el resto de los paneles siempre existe la opción de modificar la carga mostrada en el panel e introducirla de manera directa. Calcular. Después de modificar las cargas deseadas, se regresa al panel de la Figura 4 (panel inicial de cálculos), en donde se puede hacer uso del botón CALCULAR. El botón calcular habilita el panel de resultados de la Figura 10, en donde se puede modificar el tipo de baterías, paneles a emplear e incluso puede cambiar la potencia total de consumo del sistema con el fin de seleccionar la mejor opción, sin necesidad de estar regresando a las listas de carga. En el panel de resultados (Figura 10) se puede apreciar el número de baterías y paneles a emplear, para satisfacer los requerimientos de carga dados por el usuario, así mismo se muestra datos de radiación solar del lugar en donde se instalará el sistema fotovoltaico y el ángulo de inclinación de los paneles. Figura 10. Panel de resultados. Figura 11. Lista de paneles solares. La Figura 11 muestra la lista de paneles solares, en donde se presenta tanto la marca como la tecnología del silicio con que esta fabricado el panel. D. Metodología de Cálculo. En esta subsección se describe el procedimiento utilizado en el programa para dimensionar un sistema fotovoltaico, el procedimiento no es completamente preciso puede tener un error del 10%, pero sirve de base para tener una idea bastante aproximada de los requerimientos del sistema. El usuario puede realizar iteraciones cambiando el tipo de módulo y/o batería para depurar el diseño empleando la opción más conveniente. A continuación se detallan cada uno de los pasos seguidos [2], [4] y [5]. Recopilación de los datos introducidos por el usuario referente a la localización de la instalación y al consumo diario de energía. Cálculo de la energía consumida (Ec).- Es la suma de la energía consumida a lo largo de un día por cada una de las cargas conectadas al sistema, esto es: Ec = Pt Pt Pt n n (Watts-Hr) (1) P i.-potencia de la carga expresada en Watts T i.-tiempo de operación diario de la carga expresada en horas. Balance de energía.- El sistema se diseña para que la energía generada en promedio diariamente por los módulos solares, en el mes más desfavorables sea

6 70 igual a la energía diaria consumida por los equipos a alimentar, es decir: Eg = Ec (2) Eg = M Egm Nsist (3) Eg.- Energía generada Ec.- Energía consumida M.- Número de paneles fotovoltaicos N sist.-eficiencia del sistema La eficiencia del sistema (N sist ), es el resultado de multiplicar la eficiencia de cada uno de los componentes del mismo (batería, controlador de carga inversor y pérdidas de cableado). Cálculo del arreglo fotovoltaico.- Al despejar M de la Ecuación (3) y desarrollar los términos de la misma [6], se obtiene el número de módulos fotovoltaicos de la misma, el cual esta dado por: Ec Fs M = I m V m H p N bat N inv (4) M.- Número de módulos solares que se requieren. E c.-energía consumida diariamente por las cargas. F s.-factor de sobredimensionamiento del sistema (se eligió de 1.1). I m.-corriente del panel fotovoltaico a máxima insolación. V m.-voltaje promedio de operación del módulo fotovoltaico, típicamente es 14.3 volts. H p.-insolación de la localidad en el mes de menor insolación (Horas-pico). N bat.-eficiencia de la carga de la batería (valor típico 0.75). N inv.-eficiencia del inversor CD/CA (valor típico 0.9), si no hay cargas en alterna se toma como valor 1. Cálculo del banco de baterías (C B ).- El banco de baterías se determina indicando el número de días que operaría el equipo a cero insolaciones, es decir directamente en el banco. Este valor se conoce como autonomía (A u ). Au Ec CB = VB fu Fi Ninv (5) C B.- Es la capacidad del banco de baterías (Amperes-Hora). E c.-energía consumida diariamente por los equipos alimentados (watts-hora). A u.-autonomía deseada en el banco de baterías, varía dependiendo del número de días nublados consecutivos (típicamente de 2 a 4). V B.-Voltaje nominal al cual trabajará el banco de baterías. F i. -Factor de incremento de la capacidad de la batería respecto a su valor nominal comercial (varía de 1.05 a 1.35). N inv.-eficiencia del inversor. Cada uno de estos valores se obtiene de una base de datos dependiendo de la batería seleccionada. III. RESULTADOS Como ejemplo de aplicación del software para el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos se consideró su aplicación en el siguiente caso de estudio: A. Caso de Estudio. Como caso de estudio se considera un rancho localizado en Chihuahua, en el cual se desea instalar un sistema fotovoltaico para cubrir las necesidades mostradas en la Tabla 1. Tabla 1.- Cargas alimentadas por el sistema. Aparato Tiempo diario de uso en horas Lámpara 1 de 22W 2 Lámpara 2 de 22W 3 Lámpara 3 de 9W 1 Lámpara 4 de 9 W 1 Lámpara 5 de 9 W 1 T.V. Color 4 Grabadora 3 Bomba de agua 1 Para determinar el número de paneles fotovoltaicos a emplear para esta aplicación y el número de baterías necesarias, lo primero que debe de hacer el usuario es elegir el mes más critico del año, de acuerdo con la localidad en donde se va a instalar el equipo, como lo mostró el panel de la Figura 5, después se selecciona el icono para modificar la carga del sistema,

7 71 IV. CONCLUSIONES Figura 12. Panel de cargas a conectar en la estancia. de tal forma que al seleccionar el panel correspondiente a iluminación se puedan marcar las cargas requeridas por el sistema de acuerdo con la Tabla 1, esto se muestra en la Figura 8. En lo referente a los servicios de entretenimiento se utiliza la opción de estancia, en donde podemos seleccionar dicho aparatos e indicar el número de horas de uso, como se muestra en la Figura 12. En cuanto el servicio de bombeo se utiliza el panel mostrado en el Figura 13, una vez introducidos los datos, el usuario puede regresar al panel de la Figura 4 y oprimir la opción de calcular, con ello el software muestra el panel de la Figura 9, en donde el usuario selecciona la localidad en donde se instalará el equipo, así como el tipo de panel y batería a emplear en el diseño. En este caso en particular se requieren 4 paneles de 120 W modelo solar MSX policristalino y 3 baterías Concordé GPL 8D-AGM. En este panel el usuario puede seleccionar otro tipo de panel y/o batería y elegir con ello la mejor opción. Se presento el diseño y desarrollo un sistema para el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos, el cual permite al usuario disponer de una interfase gráfica para determinar el número de paneles fotovoltaicos y baterías requeridas en el sistema. La selección de cargas a conectar se realiza de manera amigable para el usuario, además el software incluye una base de datos de los paneles y baterías comerciales, la cuales incluyen las características principales que se emplean en el diseño. Así mismo el software incluye un tutorial de energía solar fotovoltaica que permite al usuario obtener información básica acerca de los principios de operación de esta clase de sistemas. Por otro lado el software permite liberar al usuario del trabajo iterativo de un diseño y enfocarlo a observar como se modifica el número de paneles y baterías a emplear dependiendo de las características eléctricas de los mismos, brindando con ello más tiempo de análisis. V. REFERENCIAS [1] Boletín IEE, Sistemas Fotovoltaicos, Vol. 2, núm. 6, Julio 1978 [2] Simon R., "Solar Electricity", Prentice Hall, Great Britain, [3] Markvart T., Solar Electricity, John Wiley & Sons, USA, [4] Doerr R., Energía Solar, Construcción y Montaje de Equipos para Aplicaciones Eléctricas, CEAC. [5] Poblet J. M., Energía Solar Fotovoltaica, Marcombo, España, [6] Condumex, Energías Alternas, Catálogos. Figura 13. Panel de servicios adicionales.