Dimensionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas

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1 Dimensionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Abril 2011 V 7.0 1

2 Bienvenidos al curso 2

3 Ventajas de la Energía Solar - Es una fuente de energía renovable, sus recursos son ilimitados. - Es una fuente de energía muy amigable con el medio ambiente, su producción no produce ninguna emisión. - Los costos de operación son muy bajos. - El mantenimiento es sencillo y de bajo costo. - Los módulos tienen un periodo de vida hasta de 20 años. - Se puede integrar en las estructuras de construcciones nuevas o existentes - Se pueden hacer módulos de todos los tamaños. - El transporte de todo el material es práctico. - El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando. - Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde no llega la electricidad. - Los paneles fotovoltaicos son limpios y silenciosos. 3

4 Desventajas de la Energía Solar -- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión inicial. - Los lugares donde hay mayor radiación solar, son lugares desérticos y alejados de las ciudades. - Para recolectar energía solar a gran escala se requieren grandes extensiones de terreno. - Falta de elementos almacenadores de energía económicos y fiables. - Es una fuente de energía difusa, la luz solar es una energía relativamente de baja densidad. - Posee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya que no puede utilizarse más energía de la acumulada en períodos en donde no haya sol. 4

5 Referencias Bibliográficas 5

6 6

7 7

8 Registro Solarimétrico 8

9 9

10 10

11 11

12 12

13 Generalidades 13

14 Instrumentos 14

15 Pirheliógrafo 15

16 Solarímetro 16

17 Piranómetro de Radiación Difusa 17

18 Equivalencia La irradiación solar anual por m 2 equivale al contenido energético de casi un barril de petróleo. 18

19 Producción Mundial Anual de Celdas Fotovoltaicas

20 Plantas Proyectadas o en Construcción 20

21 Instalaciones Fotovoltaicas Mundiales acumuladas

22 Conceptos Básicos 22 22

23 Como se produce la Electricidad Fotovoltaica Los fotones separan las cargas en y + 23

24 Como se produce la Electricidad Fotovoltaica Al puentear externamente las capas se produce una circulación de corriente 24

25 Esquema de la Celda Solar 25

26 26

27 Tipos de Instalaciones I Se obtiene directamente 12 V de corriente continua 27

28 Tipos de Instalaciones II Se obtiene directamente 220 V de corriente alterna 28

29 Conceptos de Seguridad Eléctricos 29

30 Voltaje de Seguridad Según normas nacionales Ambiente húmedo máx: 24 V Ambiente seco máx: 50 V Se considera baja tensión hasta: 400 V 30

31 Protección Eléctrica Protector Diferencial Tierra de protección Fusibles 31

32 Protección ante Fallas Comunes Cortocircuitos : Disyuntor termomagnético Sobrecarga: Disyuntor termomagnético Aislación: Protector diferencial En instalaciones fotovoltaicas: fusibles Siempre se debe instalar: Primero el protector termomagnético Segundo el protector diferencial 32

33 Térmicos Diferenciales Fusibles 33

34 Conexión correcta N Tierra de Servicio MEDIDOR F DISYUNTOR TERMOMAGNÉTICO PROTECTOR DIFERENCIAL F F N Tierra de Protección 34

35 Puede ser la misma tierra, pero es de mala calidad 35

36 Sección de los conductores Inversor Qué corriente pasa por los conductores? 36

37 Ejemplo para transmitir 800 W Recordemos que: P V I 37

38 Las Corrientes son muy Diferentes 38

39 Selección de los Cables o Alambres para las conexiones. 39

40 Tipos de Alambres y Cables 40

41 Tipos de Alambres y Cables 41

42 Corriente según Sección 42

43 Corriente según Sección 43

44 44

45 Corrección por Temperatura 45

46 Distancia máxima en metros para una caída de tensión de 5% en sistemas de 12 Volt Sección (mm 2 ) ,5 1,5 Corriente (A) , ,5 2, ,0 39,0 25,0 16,0 9,0 6,0 3,5 1, ,0 32,0 20,0 13,0 8,0 5,0 3,0 1, ,0 26,0 16,0 10,0 6,0 4,0 2,0 1, ,0 22,0 14,0 9,0 5,0 3,0 1,8 0, ,0 18,0 12,0 7,0 4,0 3,0 1,6 0, ,0 16,0 10,0 6,5 3,5 2,5 1,5 0, ,0 14,0 9,0 5,5 3,0 2,0 1, ,0 13,0 8,0 5,0 2,5 1,5 0,8-46

47 El Panel Fotovoltaico 47

48 Tipos de Celdas Eficiencia de Celdas % Monocristalina Policristalina Amorfa 6-7 Teluro de Cadmio 7-8 GaInP/GaAs/Ge 31% 31 48

49 Tipos de Celdas Monocristalinas Amorfas Policristalinas 49

50 Silicio Policristalino 50

51 Etapas en producción de CFV 51

52 La más Importante es el Desarrollo del Proyecto 52

53 Celda-Módulo-Paneles 53

54 La duración garantizada es de 20 años, puede durar 40 54

55 Detalles Constructivos 55

56 Celdas Flexibles 56

57 Celdas Transparentes 57

58 Paneles Transparentes 58

59 Tejas Solares 59

60 Láminas FV impermeabilizantes Tejas FV Paneles FV con concentradores 60

61 Intensidad de Cortocircuito Es la máxima corriente que se puede obtener sin cargas externas 61

62 Tensión de Circuito Abierto Máxima tensión sin tener nada conectado e intensidad de corriente nula. 62

63 Potencia Máxima P máx = I máx x V máx 63

64 Orientación del Panel Si el panel tiene la capacidad de orientarse durante el día y según las estaciones, puede captar 43 % más de energía. 64

65 Orientadores De dos ejes De un eje 65

66 Condiciones de Irradiación en Valparaíso Depende de la orientación del panel al Norte geográfico Inclinación del panel 66

67 Orientación 67

68 Inclinación horizontal 23º 33º 43º 90º 68

69 Puede ser más importante el aspecto de arquitectura, para que se integre armónicamente a la casa 69

70 Integración con Arquitectura 70

71 Integración con Arquitectura 71

72 Orientación e Inclinación más Recomendable Dependerá en que época del año necesitamos generar electricidad 72

73 Valores en Valparaíso con diferentes inclinaciones y épocas Irradiación en W/m 2 /día mes horizontal 23º 33º 43º 90º enero julio Tabla D6A y D6B 73

74 mes horizontal 23º 33º 43º 90º enero julio Conclusiones Ideal enero : horizontal Ideal julio : 33º Práctico enero : 33º Práctico julio : 33º 74

75 Tipos de Radiación sobre la Tierra 75

76 Tipos de Radiación sobre la Tierra 76

77 El Panel Fotovoltaico Elegido 77

78 SW 75 mono/r5a Características Potencia eléctrica : 75 W Corriente máxima de prueba : 4,35 A Corriente de cortocircuito : 4,8 A Tensión de prueba : 17,3 V Tensión de circuito abierto : 21,7 V 78

79 Información en Condiciones Standard 79

80 Información en Condiciones más Reales 80

81 Otras Características 81

82 Otras Características 82

83 Otras Características 83

84 Otras Características 84

85 Es bueno que tengan alguna Certificación 85

86 Área Real del Panel A = largo x ancho 1,229 x 0,556 = 0,683 m 2 86

87 Letra Chica 87

88 Determinación del Rendimiento Condiciones son con irradiación de W/m 2 Temperatura 25 ºC Solamente son 0,683 m 2 88

89 Rendimiento η = 75 W W/m 2 x 0,683 m 2 η % = 10,98 = 11 % 89

90 Rendimiento De cada W/m 2 de irradiación Se obtienen solamente 110 W/m 2 90

91 Cálculo de la Instalación de una Casa en la Zona de Valparaíso 91

92 92

93 Qué necesito saber para hacer mi instalación fotovoltaica? Cuántos paneles Cuántas baterías Que regulador Qué inversor 93

94 Condiciones Supuestas Dependencia 100 % de Energía Solar Se necesita 365 días al año Por seguridad debe abastecer 3 días sin sol 2,385 kw de consumo diario Todo con 12 V CC o 220 V CA Uso de paneles de 75 Watt 94

95 Componentes Necesarios 95

96 Otros Datos Conexión en //: (V = constante; i = variable) En serie sería: (V = variable; i = constante) Sobredimensionar la instalación Latitud de Valparaíso: 33 º Sur 96

97 Cuántos Paneles Necesito? 97

98 98

99 Ej. Demanda de Consumo Diario Consumidor Cantidad Potencia c/u W Potencia W Horas uso Consumo Wh/día Ampolleta PC TV Lavadora Microondas Licuadora Total

100 Promedio Se consumirán Wh/día 100

101 Determinación de Superficie Necesaria I Considerar el mes de mayor consumo con el de menor radiación (julio-agosto) 101

102 Determinación de Superficie Necesaria II Superficie = Consumo Wh/día Radiación Wh/m 2 /día S = = 1,193 m 2 102

103 Determinación de Superficie Necesaria II Superficie = Consumo Wh/día Radiación Wh/m 2 /día S = = 1,193 m 2 103

104 Tabla B32 Irradiancia Solar en Territorios de la República de Chile 104

105 Suponemos 33 de Inclinación al Norte y el Peor Mes del Año 105

106 106

107 Conversión de Unidades 215,9 MJ/m 2 x 277,7 Wh / 30 días = 1.999Wh/m 2 /día 107

108 Determinación de Superficie Necesaria II S 1 = 1,193 m 2 Pero sería con un rendimiento de 100 % En realidad en nuestro caso es de 11 % 108

109 Determinación de Superficie Necesaria III 1,193 m S 2 2 = 0,11 = 9,1 m 2 109

110 Nr.Paneles Según el Tamaño de Nuestro Panel Panel necesario m 2 Panel disponible m 2 9,1 m2 = = 13,3 0,683 m 2 110

111 Número de Paneles Finales 13,3 unidades de 75 W Se aproxima a 14 paneles 111

112 Recomendación Colocar los paneles en 2 grupos en paralelo para reducir el daño ante algún defecto. 112

113 Recordemos Baterías en Serie Baterías en Paralelo 113

114 Baterías en Serie: Aumenta la Tensión o Voltaje 6 baterías de 2 V y 10 A En la salida: 12 V 10 A 114

115 Baterías en Paralelo: Aumenta la Corriente o Amperaje 2 V 6 baterías de 2 V y 10 A En la salida: 2 V 60 A 115

116 Conexiones Mixtas en Serie y Paralelo 6 V 6 baterías de 2 V y 10 A En la salida: 6 V 20 A 116

117 Paneles en Paralelo de 2 Filas de 4 Módulos en Serie 117

118 Baterías 118

119 Selección Por capacidad de carga en A/h Profundidad de descarga: Automotrices permiten 10 % a 25 % de descarga Las de uso solar hasta 80 % 119

120 Selección de Baterías I I batería = Consumo/día Tensión batería = W/día 12 V = 198,8 A Se selecciona una batería de 200 A 120

121 Selección de Baterías II Considerando una autonomía de 3 días(telecomunicaciones 6 días) I batería 3 días = I bat. x 3 días = 200 A x 3 = 600 A Se selecciona una batería de 600 A 121

122 Selección de Baterías III Considerando que la batería no debe descargarse más de 50% I batería 50% = I bat. x 1,5 = 900 A Se selecciona una batería de 900 A 122

123 Selección de Baterías IV Si usamos baterías de 200 A N baterías = I necesaria 900 A = 200 A c/u 200 A = 4,5 unidades Se seleccionan 5 baterías de 200 A 123

124 Buena Instalación 124

125 Selección de Regulador de Carga I Podría ser conveniente colocar uno para cada circuito Trabajaremos con 12 V Hay también para 24 V y/o 12 V 125

126 Selección de Regulador de Carga II Usaremos 2 circuitos con 7 paneles cada uno y su correspondiente regulador 126

127 Selección de Regulador de Carga III Cada panel tiene una corriente de cortocircuito de 4,8 A 127

128 Selección de Regulador de Carga IV Para los 7 paneles de cada circuito necesitamos: I reg = 4,8 A x 7 paneles = 33,6 A 128

129 Selección de Regulador de Carga V Van escalonados en 5 A Se seleccionan 2 reguladores de 35 A 129

130 Selección de Regulador de Carga VI La tensión de prueba es de 17,3 V 130

131 Selección de Regulador de Carga VI La tensión de prueba es de 17,3 V Debe ser mayor a la de la batería que es de 14 V Esto permite que fluya la corriente Normalmente traen también indicadores de carga/descarga Evitan la descarga total de la batería 131

132 Inversor 12 V CC 220 V CA 132

133 Inversor I Se elige según el consumo máximo en Watt de todos los elementos que podrían estar funcionando juntos. En nuestro caso serían W 133

134 Nuestro caso Consumidor Cantidad Potencia c/u W Potencia W Horas uso Consumo Wh/día Ampolleta PC TV Lavadora Microondas Licuadora Total

135 Inversor II Sería recomendable un inversor de W Podría ser de W también. Si se trabaja con motores eléctricos se debe considerar las sobrecargas de la partida 135

136 Tipos de Ondas 136

137 Tipos de Inversores Onda cuadrada: uso general, motores, iluminación; barato Onda rectificada: NO en equipo electrónico, leds si pueden usarlos Onda sinusoidal pura: electrónica, comunicaciones 137

138 Una Buena Instalación 138

139 139

140 Consideraciones de Montaje Cuando fallan celdas, aumenta su temperatura (medición láser) Durante el montaje cubrir los paneles Sacarse anillos, relojes objetos metálicos 1º conectar las baterías, luego los paneles Si falla el vacío de las celdas aparecen manchas. 140

141 Considerar las Posibles Sombras 141

142 Sombras de los paneles 142

143 Sombras El ángulo alfa debe ser menor de 20º, para que otro objeto no produzca una sombra sobre él. 143

144 Distancia entre Paneles 144

145 Geometría de las Sombras Para nuestro panel FV: H = L x senß 1,3 x sen33 = 0,7 m A = H/ tg (61-33 ) 0,7/ tg 28 = 1,3 m B = L x cosß 1,3 x cos 33 = 1,09 m A + B = 2,4 m 145

146 Uso de Diodos Protegen de descargas sin sol Protegen baterías individuales en serie No son necesarios bajo 24 V CC 146

147 Montaje por Estructuras 147

148 Montaje por Estructuras 148

149 Algunos Precios en Chile 149

150 Precios en Chile 150

151 Precios en Chile 151

152 Precios en Chile 152

153 Precios en Chile 153

154 Precios en Chile 154

155 Precios en Chile INSIX Ltda Venta de celdas fotovoltaicas monocristalinas y policristalinas pais de origen CHINA Envios a todo CHILE Celdas monocristalinas Celdas policristalinas 4,6 dólar el Watt 4,8 dólar el Watt Capacidades disponibles 50, 100, 200 Watt Consulte por Venta minima SOLICITE SU PEDIDO AL CORREO Módulos fotovoltaicos en silicio monocristalino y policristalino 155

156 Comparación Caso Tendido eléctrico Foto voltaico Cabaña alejada Características Restricciones $ a $ Costo según consumo Sin $ a $ Costo 0 Componentes de bajo consumo 156

157 Variación de los precios en /Watt 1 $

158 Variación de los precios en /Watt 1 $

159 Aplicaciones Fotovoltaicas 159

160 160

161 Suministro eléctrico para 20 familias en Empedrado VII R 161

162 162

163 3,5 MW 163

164 164

165 165

166 166

167 167

168 168

169 169

170 170

171 171

172 Ladrillos de Sol 172

173 Aíslan el sol Producen alrededor de 70 W/ m 2 Valen U$ 1.900/m 2 173

174 174

175 175

176 176

177 177

178 178

179 179

180 180

181 181

182 182

183 183

184 La paneles solares generarán para Google KWh por año, lo que significará un ahorro de energía de U$S A un costo total de U$S 15 millones, la mayor instalación de paneles solares que se haya realizado en la historia en un campus corporativo, recuperará su inversión en 7,5 años (!). 184

185 Hasta aquí llegamos. Muchas gracias Son las 4:37:17 p.m. 185

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