PROYECTO ESTIMATIVO DE DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO FOTOVOLTAICO TRIFÁSICO CON CONEXIÓN A LA RED

Transcripción

1 PROYECTO ESTIMATIVO DE DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO FOTOVOLTAICO TRIFÁSICO CON CONEXIÓN A LA RED ING. MSc. PINEDA BRICEÑO JOSÉ RAFAEL Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela.

2 Proyecto Estimativo de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema Eléctrico Fotovoltaico Trifásico con Conexión a la Red Conferencista: Ing. MSc. José Rafael Pineda Briceño Diplomado en Energía Solar Fotovoltaica. Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela.

3 DE QUE TRATA ESTE TRABAJO Es un primer informe estimativo. Datos requeridos: recurso solar, carga eléctrica y el área disponible. Influencia de las variables meteorológicas. Influencia en el diseño de la selección de módulos e inversor. Criterios aplicados para los cálculos de conductores. Corrección de los calibres de los conductores, por la acción del Sol.

4 CUAL ES EL PROBLEMA A RESOLVER Dimensionar un arreglo FV con conexión trifásica a la red, para alimentar una carga eléctrica a 220 V., contando con una área de 50 m de largo x 40 m de ancho.

5 FIGURA ESQUEMATICA

6 ESQUEMA DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

7 OPCIONES PARA EL DISEÑO FV 1. Haciendo uso de valores de consumo promedios diarios mensuales, de la carga eléctrica a alimentar. 2. Por área disponible.

8 UBICACIÓN DEL PROYECTO MÉXICO Latitud: 19.23º N Longitud: -99.3º O Al Sur Oeste de Ciudad de México, a unos 46 km del Aeropuerto de Ciudad de México D.F. Localidad: Cercana a Ajusco, México D.F.

9 VISTA AÉREA DE LA UBICACIÓN

10 VISTA AÉREA DE LA ZONA CERCANA A LA UBICACIÓN

11 CARACTERISTICAS DEL RECURSO SOLAR Y TEMPERATURAS EN LA UBICACIÓN

12 CARACTERISTICAS METEREOLÓGICAS DE LA UBICACIÓN Nivel pluviométrico diario: mm/día a 3.61 mm/día. Promedio 1.81 mm/día. Temperatura máxima: 32.0 ºC. Clasificación Climática: Desértico.

13 VALORES PROMEDIOS DE NUBES Y DÍAS DE SOL EQUIVALENTES Cantidad promedio anual de nubes 44.4 % Cantidad promedio mensual de nubes entre 26.4 % al 68.6 %. Días de Sol promedio anual de 5.46 horas solares pico.

14 ATLAS DE RADIACIÓN SOLAR DE MÉXICO

15 CARACTERÍSTICAS Y NECESIDADES DE CONSUMO DE LA CARGA CONECTADA

16 RENDIMIENTOS Rendimiento térmico. Para una primera aproximación del dimensionamiento. Rendimiento del Inversor Según el fabricante del 95 %

17 CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS Y FISÍCAS DEL MÓDULO SELECCIONADO El módulo solar seleccionado es el modelo SolarTec S60MCBK-250. Módulos constituidos por 60 células de 40 mm de espesor, incluyendo el marco. Potencia de Clase (W) 250 Potencia nominal (W) 250 Corriente de Corto circuito I sc (A) 8.62 Voltaje en circuito abierto V oc (V) Corriente a potencia máxima I MPP 8.07 Voltaje a potencia máxima V MPP Peso (kg) 20.5 Dimensiones (mm) 1640 x 992 x 40 Eficiencia (%) 15.37

18 CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS Y FISÍCAS DEL MÓDULO SELECCIONADO (cont).

19 CALCULO DE LA POTENCIA PICO Pp E CL = Valor promedio de energía consumida anual diaria E CL = kwh R s = Recurso solar promedio anual diario R s = 5.46 kwh/m 2 R T = Rendimiento térmico de acuerdo a la temperatura de la zona. R T = 0.85 E TOT = R cond x R inv x R o x R d x R env = TOT 0.97 x 0.95 x 1.0 x 1.0 x 1.0 = 0.92 Potencia pico calculada = kwp R S R E T CL E 1

20 CÁLCULO DEL NÚMERO DE MÓDULOS Y SUPERFICIE REQUERIDA Dividiendo la potencia pico calculada, entre la potencia pico del módulo N m = 400 Módulos Dividiendo la potencia pico, entre la eficiencia del módulo para condiciones STC de % A = m 2

21 REPARTICIÓN DEL NÚMERO DE MÓDULOS EN LA SUPERFICIE DISPONIBLE Los 400 módulos se pudieran sub-dividir en 4 subarreglos de 100 módulos c/u, un inversor por cada sub-arreglo. O los 400 módulos se pudieran sub-dividir en 2 subarreglos de 200 módulos c/u, 1 inversor por cada subarreglo. Cualquier de las opciones de la conformación elegida debe tomar en consideración costos de equipos, longitud de cables, número de estructuras soporte, etc.

22 DECISIÓN FINAL DE LA CONFIGURACIÓN ELEGIDA La disposición más adecuada en función de las dimensiones del terreno, del área disponible, y la orientación al Sur geográfico fue: Dividir los 400 módulos en tres (03) sub-arreglos de 133 módulos c/u, con un (01) inversor por cada subarreglo, con una potencia trifásica del inversor de 44.4 kw.

23 CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR

24 INVERSOR SELECCIONADO Marca: FRONIUS CL 44.4 kw

25 RENDIMIENTO TÉRMICO Y LA TEMPERATURA DE LAS CELDAS Primero: Se calcula lo que se define como constante de propagación de temperatura del módulo C 1, o es dado por el fabricante del módulo. Segundo: Se calcula la temperatura de la celda, o su corrección por temperatura; ya que la constante de propagación C 1, fue calculada por el fabricante para las condiciones normales de operación (NOCT), a una temperatura de 20º C. Tercero : Se calculan los niveles de tensión que adquiere la celda, operando en los límites extremos de temperatura que pudiesen ocurrir en su lugar de ubicación.

26 RESULTADOS DEL CÁLCULO DE RENDIMIENTO TÉRMICO C 1 = = º C/(W/m2) Donde T(NOCT) = 47 º C. y Ta (NOCT) =20 º C T celda º C = Ta º C + C 1 x G Ta ( C) (11 a.m. 2 p.m) mínima promedio Irradiancia G (W/m 2 ) 800 (NOCT) T celda ( C) Gradiente (T celda-t(stc)) ( C) Pérdidas potencia (%) Voltaje modulo V oc (V) 57 (57-25) = ( ) = ( )=

27 NÚMERO DE MÓDULOS EN SERIE POR SUB ARREGLO Para garantizar una operación en el rango del inversor. Número de módulos en serie es igual a: N s = N s = = 12 módulos en serie

28 NÚMERO DE MÓDULOS EN PARALELO POR SUB ARREGLO Número de módulos en paralelo es igual a: N p = N p = = 11 Módulos en paralelo Configuración sub-arreglo : 12S -11P. Arreglo total (3x(12S-11P)) = 99.0 kw

29 DISPOSICIÓN DE LOS MÓDULOS EN EL ÁREA DISPONIBLE Además del ángulo de inclinación, es necesario evaluar las sombras entre cadenas. Estas se calculan con fecha del 21 de Diciembre del año inclinación solar mas desfavorable. Se evalúa la velocidad del viento para no conformar una estructura muy alta.

30 DISPOSICIÓN DE LOS MÓDULOS EN EL ÁREA DISPONIBLE Primera opción: Si la altura de la estructura es igual al alto del módulo de 1.64 m, el espaciamiento entre cadenas de módulos en paralelo es de m. Segunda opción: Si la altura de la estructura es igual al ancho del módulo, de m, el espaciamiento entre ellas es de m. Decisión: Primera opción más espacio disponible

31 PLANO ESQUEMÁTICO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

32 PLANO ESQUEMÁTICO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO VISTA CON ANGULO

33 PLANO ESQUEMÁTICO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO OTRA PRESPECTIVA

34 SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO Criterio: Se usa la I sc y se aplica la NOM-001- SEDE 2012 Art Iamp = 1.56 I sc Conductor Norma Iamp (A) 1. Cadena en serie Art NOM-001- SEDE Tabla usada (b)(16) Calibre No. Iamp (A) 90 C Iamp (A) 75 C Corrección del conductor seleccionado a) Por temperatura b) Por agrupamiento

35 SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO Corrección del conductor seleccionado cadena serie a) Por temperatura por uso de conductores en canalizaciones circulares expuesta a la luz solar Distancia por encima del nivel del suelo (mm) Sumador de temperatura ( C) TABLA (b)(3)(c) Tabla usada Distancia (mm) Factor sumador ( C) Tabla usada T correg ( C) FCT I correg (A) Calibre No. I permitida (A) (b)(3)(c) (b)(2)(a) (32+33)=

36 SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO TABLA (b)(2)(a) Rango de Temperatura del conductor Temperatura ambiente ( C) o menos

37 SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO Corrección del conductor seleccionado b) Por agrupamiento para las 11 cadenas en paralelo Se usan dos cajas de conexiones Número de Conductores o mas % de ajustes de los valores de las tablas Tabla (b)(3)(a) Tabla ajuste por No. de conductores FCA (b)(3)(a) 0.8 I correg (A) (28.66/0.8)= Tabla usada Calibre No. I permitida (A) (b)(16) 10 40

38 SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO TABLA (b)(2)(a) Rango de Temperatura del conductor Temperatura ambiente ( C) o menos

39 SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO Corrección del conductor seleccionado b) Por agrupamiento para las 11 cadenas en paralelo Se usan dos cajas de conexiones Número de Conductores o mas % de ajustes de los valores de las tablas Tabla (b)(3)(a) Tabla ajuste por No. de conductores FCA (b)(3)(a) 0.8 I correg (A) (28.66/0.8)= Tabla usada Calibre No. I permitida (A) (b)(16) 10 40

40 SELECCIÓN DE CONDUCTORES DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO Tabla (b)(16)

41 SELECCIÓN DE FUSIBLES El criterio establece : 1.56 veces I sc I fusible 2.4 veces I sc bajo condiciones STC del Modulo, o cadena, o Arreglo FV que este protegiendo A I fusible 20.7 A. I fusible normalizado es de 15 A.

42 SELECCIÓN DE PROTECCION CONTRA SOBRECORRIENTE (PRC) El criterio establece : Colocar un PRC si hay más de (03) módulos en serie La PRC no mayor de 2 veces la I sc corregida, lo cual asciende a (2 x 35.82) = A. A una tensión de 1.25 veces la V oc del conjunto que protege. Siendo V oc igual a (1.25 x x 12) = V. La protección (PCR) debe ser de 60 A. menor que A.

43 FIGURA ESQUEMÁTICA PCR PRC es un fusible montado en un receptáculo tipo desconector o un interruptor termo magnético.

44 SELECCIÓN POR CAIDA DE TENSION DE LOS CONDUCTORES EN CORRIENTE CONTINUA. 1. Desde la cadena hasta las cajas N.1 y N.2 Como criterio se usa los valores de V MPP y I MPP El conductor elegido hasta ahora es un calibre No. 10 con una R=4.226 (ohms/km)

45 CAIDA DE TENSION EN CORRIENTE CONTINUA (cont.) 2. Desde las cajas hasta los gabinetes de desconexión La I sc de cada sub arreglo es I SC = 11x 8.62 = A Se aplica la norma NOM-001-SEDE 2012 El cable que va en este trayecto trabaja a 40 º C El factor de disminución por ampacidad para el cable con aislamiento a 90 º C es 0.91 Tabla (b)(2)(a). I (A) * I (A) ** Factor de disminución I correg. (A) (1.25x94.82)= (1.25x118.53)= * 125 % (UL) ** 125 %(NEC) Calibre No. 2/0 AWG I (A) 90º C I (A) 75º C

46 RESULTADOS DE CAIDA DE TENSION DE CADA CADENA HASTA LAS CAJAS N.1 y N.2

47 CALCULOS DE LOS ALIMENTADORES A LOS INVERSORES Se elige un conductor tal que la caída de tensión no sea en ningún caso mayor al 3 %. Tres pares de conductor N 6 AWG de Cu. La tensión V MPP que llega al inversor N.1 es igual a V. Valor cercano al punto medio de la ventana de máxima potencia del inversor.

48 ENERGIA GENERADA POR EL ARREGLO FOTOVOLTAICO

49 TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO DE MODULOS

50 TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO DE MODULOS

51 TENDENCIA EN EL COSTO PROMEDIO DE MODULOS

52 INYECCION DE LA ENERGIA NO ABSORBIDA POR LA CARGA

53 MEDICION DE ENERGIA

54 MEDIDOR BI-DIRECCIONAL

55 CONCLUSIONES 1. Se puede apreciar que el único mes que no se satisface la demanda es el mes de Febrero el de mayor consumo del año. 2. Costo estimado 2.5 USD/W lo que equivale a USD

56 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN El dar es una energía, que no solo ayuda a otros. También crea, aún más energía para quien da.

57 ING. MSc. PINEDA BRICEÑO JOSÉ RAFAEL Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela.