GENERACIÓN ELÉCTRICA MEDIANTE ENERGÍAS RENOVABLES

Transcripción

1 GENERACIÓN ELÉCTRICA MEDIANTE ENERGÍAS RENOVABLES TEMA 3. ENERGÍA SOLAR 3.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE LA ESFV CÉLULA Y PANEL SOLAR TECNOLOGÍA DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN CONEXIÓN A RED DISEÑO DE INSTALACIONES FV EN CONEXIÓN A RED. ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AUTÓNOMAS: ELECTRIFICACIÓN RURAL Y BOMBEO DE AGUA Curso Pablo Díaz Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Área de Ingeniería Eléctrica Escuela Politécnica - Universidad de Alcalá Despacho S 331 pablo.diaz@uah.es

2 DISEÑO DE UN SISTEMA FV CONECTADO A RED 2

3 DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA A INSTALAR: EDIFICIOS INCLUIDOS EN EL CTE-HE5, 2006 (Grandes edificios no residenciales) EMPLAZAMIENTOS NO INCLUIDOS EN EL CTE-HE5 (instalaciones en campo abierto, edificios residenciales, etc) 3

4 EDIFICIOS INCLUIDOS EN EL CTE-HE5, 2006 (Grandes instalaciones no residenciales) CTE-2006 POTENCIA MÍNIMA del GENERADOR FV a INSTALAR: P = C.(A.S + B) P= Potencia pico a instalar (kwp) A, B: Coeficientes de uso del edificio C: Coeficiente por zona climática Nota: Potencia mínima absoluta 6,25kWp (5kW de inversor) + CRITERIO INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA Ejemplo: Hipermercado m 2 construidos, Alcalá de Henares Tablas CTE: A=0,001875; B= -3,13; C=1,3 P mín, FV =20,3kW p de Generador FV (aprox 160m 2 de paneles) P mín,inv = 16,2kW de Inversor (potencia AC) Ejemplo: Multitienda y centro de ocio, Nassica (Getafe), m 2 Tablas CTE: A=0,004888; B= -7,81; C=1,3 P mín,fv =295kW p de Generador FV (aprox 2500m 2 de paneles) P mín,inv = 236kW de Inversores (dividir en campos de inversores de 100kW, 100kW +50kW) 4

5 EMPLAZAMIENTOS NO INCLUIDOS EN EL CTE-HE5, 2006 (huertas solares, edificios residenciales, etc) CRITERIODISPONIBILIDAD DE ESPACIO POTENCIA ESTIMADA A INSTALAR SEGÚN SUPERFICIE ÚTIL: P G ( kw Valores orientativos: ) S S panel /P panel : 0,7-1m 2 /100W p p panel S total 2 ( m ( m ) P 2 ) panel ( W p. ) Configuración serie-paralelo P NOM,G (kw p ) Huerta Solar, Navarra, España Superficie útil/superficie terreno (seguidores solares) ~ 15-20% (para evitar sombreado) 5

6 DETERMINACIÓN DE LA SEPARACIÓN ENTRE SEGUIDORES SOLARES ( Superficie total de terreno requerida) EJE NORTE-SUR Elevación mínima del sol al mediodía γ min 28 o (solsticio de invierno) l d l sen min γ min Sur d d: distancia entre postes l: longitud del generador FV 6

7 EJE ESTE-OESTE Elevación del sol al amanecer o atardecer γ min 0 o (equinoccios de primavera y otoño) l γ min 0 o Compromiso entre pérdidas energéticas y superficie de terreno a ocupar ver tablas CTE d Sur 7

8 DETERMINACIÓN DE LA SEPARACIÓN ENTRE PANELES SOLARES FIJOS, sobre azotea o en campo abierto EJE NORTE-SUR Elevación mínima del sol al mediodía γ min 28 o (solsticio de invierno) d l β γ min h Sur d lsen l cos Aprovechamiento del terreno 1:2 tan min d: distancia entre filas de paneles l: longitud del generador FV h: diferencia de cotas entre paneles β: inclinación paneles 8

9 CONFIGURACIÓN DEL GENERADOR FV e INVERSOR: POTENCIA ESTIMADA A INSTALAR PG INVERSOR: P(kW) 0,8-0,9P G Catálogo de equipos (modelos, coste, disponibilidad, servicio post-venta, ) Configuración del generador FV: N N serie paralelo V V N max,inv oc, Panel V min Op,INV Nserie. VPMP, Panel Vmax Op, INV serie P. P G NOM, panel Especificaciones del INVERSOR: - Potencia inversor (kw) - Rango tensión de operación (V DC ) - Tensión máxima admisible (V DC ) - Corriente máxima (A DC ) P NOM, G NseriexN paraleloxpnom, panel 9

10 CASO PRÁCTICO: DISEÑAR UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN CONEXIÓN A RED PARA UN EDIFICIO DATOS DEL PROYECTO: -Superficie útil (cubierta del edificio, sin sombras): 10x3,5m=35m 2 - Características básicas de los paneles solares: Concepto Valor P NOM,panel 150Wp I sc 4,7A I PMP 4,35A V oc 43,2V V PMP 34,6V Nº células (seriexparalelo) 72x1 Dimensiones 1.590x790x39,5mm Especificaciones básicas del panel IS-150/24 de Isofotón.. Fuente: Isofotón DETERMINAR: - Número de paneles y potencia total - Potencia del inversor - Configuración eléctrica de la instalación (serie x paralelo) - Características del generador fotovoltaico (resumen) 10

11 DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA A INSTALAR: CRITERIO: DISPONIBILIDAD DE ESPACIO CONFIGURACIÓN FÍSICA DEL GENERADOR FV - Superficie útil (cubierta de vivienda): 10x3,5m=35m 2 - Dimensiones de los paneles solares: x 790mm 6x4=24 paneles POTENCIA DEL GENERADOR FV: P NOM,G =24x150Wp=3,6kWp. SELECCIÓN DEL INVERSOR: CRITERIO: P NOM,INV > 80%P NOM,G =2,9kW Concepto Valor P NOM,INV 3.300W P MAX,DC 3.800W Rango de tensión entrada FV, V PMP V V MAX,DC 500V I MAX,DC 20A V, 50Hz V AC EUR 94,4% Especificaciones básicas del inversor Sunny Boy SB 3300 de SMA. Fuente: SMA Ibérica 11

12 CONFIGURACIÓN ELÉCTRICA DEL GENERADOR FV (24 paneles): Concepto Valor P NOM,panel 150Wp I sc 4,7A I PMP 4,35A V oc 43,2V V PMP 34,6V Nº células (seriexparalelo) 72x1 Dimensiones 1.590x790x39,5mm Especificaciones básicas del panel solar Concepto Valor P NOM,INV 3.300W P MAX,DC 3.800W Rango de tensión entrada FV, V PMP V V MAX,DC 500V I MAX,DC 20A V, 50Hz V AC EUR 94,4% Especificaciones básicas del inversor OPCIONES DE CONEXIÓN SERIE x PARALELO: a) 24x1 V PMP,G =24.34,6V=830,4V>500V No b) 12x2 V PMP,G =12.34,6V=415,2,4V<500V, pero V MAX,G =12.43,2V=518V>500V No c) 8x3 V PMP,G =8.34,6V=276,8V<500V V MAX,G =8.43,2V=345,6V<500V I MAX,G =3.4,7A=14,1A<20A Configuración válida d) 6x4 V PMP,G =6.34,6V = 207,6V 200V (efecto temperatura) I MAX,G =4.4,7A=18,8 20A (efecto radiación) Configuración al límite, descartada 12

13 Se pueden aplicar directamente las expresiones: N N N serie serie serie V V V V V V max,inv oc, Panel max Op,INV PMP, Panel min Op, INV PMP, Panel , , ,6 11,6 N serie,max 14,5 11, No aplica 5,78 N serie,min 11 6 N total =24 paneles Opciones: 8x3 6x4 Analizar valores de tensión y corriente para decidir, considerando efectos de temperatura y radiación (como en página anterior) CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL GENERADOR FV (resumen): Concepto Valor P NOM,G 3,6kWp Nº de paneles 24 (8x3) I sc,g 14,1A I PMP 13,05A V oc 345,6V V PMP 276,8V Dimensiones 9,54x3,16m=30,14m 2 13

14 CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA FV CONECTADO A RED 14

15 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS y ENERGÍA GENERADA por un sistema FV conectado a red Productividad de referencia, Y R ( Reference Yield ) Y R G I inc, STC kwh m 1kW / m 2 h 2 / Energía solar teóricamente disponible (Nº horas equivalentes con irradiancia I=I STC =1kW/m 2 ) Característica del emplazamiento Máxima energía generable, en función del lugar: E FVmáx (kw.h/año)= P NOM,G (kwp) x Y R (kwh/m 2.año)/(kW/m 2 ) 15

16 Distribución anual (%) Wh/m2dia RECURSO SOLAR ANUAL (G inc,año ) Gdm(0) Gdm(opt) Gdm(60º) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Año DISEÑO Y GENERACIÓN ENERGÉTICA ANUAL G inc,año (kwh/m 2.año)=N días-año.g inc,día (kwh/m 2.día) 10 8 POTENCIA en OPERACIÓN Niveles de irradiancia (W/m 2 ) 16

17 Rendimiento Global del sistema, PR ( Performance Ratio ) PR Energía generada Energía solar disponible Relación entre energía generada y la que teóricamente podría generar ( Pérdidas) PR típicos : 0,6-0,8 PÉRDIDAS DEL SISTEMA FV(%) 100- PR(%): Orientación e inclinación (respecto al óptimo) Sombreado Potencia real generador FV inferior a nominal Dispersión de parámetros del generador FV Cableado entre módulos Temperatura de módulos Suciedad Rendimiento del inversor 17

18 Productividad final del sistema FV, Y F ( Final Yield ) Y F E P FV, nomg, kwh kwp h Energía útil producida por el sistema FV, por unidad de potencia instalada Y PR. F Y R Y F E P FV, nomg, ENERGÍA GENERADA POR LA INSTALACIÓN FV: E FV (kw.h/año)= P NOM,G (kwp) x Y F (kwh/kwp.año) E FV (kw.h/año)= P NOM,G (kwp) x Y R (kwh/m 2.año)/(kW/m 2 )x PR E FV (kw.h/año)=p NOM,G (kwp) x (G inc,año (kwh/m 2.año)/(I STC ) (kw/m 2 )) x PR Y R G I inc, STC 18

19 EJERCICIO DE CÁLCULO BÁSICO DE PLANTA FV: Estimar la potencia de la planta fotovoltaica en conexión a red a instalar en las cercanías de Alcalá de Henares que permitiría generar la energía eléctrica equivalente al consumo anual de 1000 viviendas, en dos configuraciones diferentes: paneles fijos y con seguimiento solar. Calcular la productividad final por año de la instalación, Y F (kwh/kwp) Determinar los ingresos mensuales en EUROS de cada familia en caso de ser propietarios de la planta, todos ellos con la misma participación. Aplicar tarifa de planta con P>100kW Datos: G dm (inclinación óptima): 5,1kWh/m 2 dia G dm (2 ejes): 7kWh/m 2 dia Consumo medio por vivienda en España: 9kWh/dia Nota: Se supone un factor global de funcionamiento PR = 0,7 (incluye pérdidas por dispersión de parámetros, por temperatura, por suciedad, por eficiencia de inversor, etc) Nota: RD 661/2007: RD 661/2007 P < 100kW P >100kW Tarifa (primeros 25 años) 44,0381 c /kwh 41,7500 c /kwh SOLUCIÓN: P NOM,G-fijo = 2,52MWp ; Y F,G-fijo = 1304kWh/kWp P NOM,G-seguimiento = 1,84MWp ; Y F,G-seguim = 1785kWh/kWp Ingresos medios mensuales por familia: 114,29 19