Ejercicio #8: dimensionando un sistema fotovoltaico

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1 Ejercicio #8: dimensionando un sistema fotovoltaico Resumen: Los sistemas fotovoltaicos constituyen una fuente de energía confiable y económicamente viable para lugar no servidos por la red eléctrica, especialmente en sitios soleados,como es el caso en los paìses en tropicales. Esta guía ofrece instrucciones básicas para el dimensionamiento del los paneles solares, el banco de baterías y el resto del hardwae del sistema fotovoltaico. Bases: Al escoger los dispositivos necesarios para suministrar sus requerimientos de energía debe determinarse al menos: Tipo y número de paneles solares necesarios para capturar la energía requerida por la carga que desea alimentar (la cantidad de eenrgía usada por la aplicación). Capacidad de batería requerida. El banco de baterías debe almacenar suficiente energía para alimentar la carga durante las noches y los días en que haya poca iluminaciøn, determinando así el número de días de autonomía. Las características de los otros componentes (el regulador, cableado, fusibles, etc,) necesarios para la cantidad de potencia generada y almacenada. El método que usaremos para el dimensionamiento del sistema es el llamado método del peor mes. El peor mes, es aquel que, en promedio, presenta la mayor relación entre la energía demandada y la energía disponible. Usando este método, la confiabilidad del sistema se toma en consideración fijando el número máximo de días que el sistema puede alimentar a la cargas en ausencia de energía solar, es decir el número máximo de días de autonomía (N), que puede ser pensado como el número máximo de días nublados consecutivos, en los que los paneles no colectan una cantidad significativa de energía. Naturalmente, es

2 necesario un compromiso entre confiabilidad y costo, el cual dependeráde la importanci crítica de la instalación. La siguiente tabla indica una aproximación a los d œas de autonomía requeridos: Insolación (clima) Instalación Doméstica Instalación Crítica Muy nublado 5 10 Variable 4 8 Soleado 3 6 Pasos en el dimensionamiento de un sistema fotovolatico: 1) Estimar la carga eléctrica (cantidad de potencia requerida) 2) Estimar el número máximo de días nublados consecutivos 3) Estimar la capacidad de abtería requerida 4) Estimar el tipo y número de paneles requeridos 5) Determinar los requerimientos mínimos del regulador y el cableado Procedimiento 1) Determinación de la carga eléctrica La potencia consumida por un aparato eléctrico en corriente continua es el producto del voltaje y la corriente (en corriente alterna hay que multiplicar por un número adicional, el factor de potencia). La energía es el producto de la potencia por el tiempo durante el cual se consume dicha potencia. La energía se mide en joules (J), pero la unidad práctica es el Wh (vatio*hora). La carga total es la suma de todas las cargas activas en un lapso dado. La carga se expresa en W, pero si el voltaje 2

3 se ha fijado de antemano es común expresar la carga en términos de corriente, y hasta la energía a veces es expresada en Ah (amperios*horas). La mayoría de los equipos de comunicaciones funcionan con corriente continua, extraida a partir de la corriente alterna de la red eléctrica por medio de una fuente de alimentación que produce los 5,12, 24 o 48 V requeridos, dependiendo del aparato. Estas fuentes de alimentación deperdician energía, así que en un sistema fotovoltaico es mejor evitar estas fuentes y alimentar directamente a los equipos con corriente continua, En casos en los que el equipo requiera un voltaje continuo diferente al de la batería, es preferible utilizar un convertidor de DC a DC, que generalmente son más eficientes que las fuentes de alimentacion comunes. La escogencia del voltaje de operación en continua está determinada por la carga, pero normalmente se utilizan 12 V, dada la gran disponibilidad de paneles y baterías en este voltaje. 2) Estimado del número máximo de días nublados consecutivos Para este estimado lo mejor es tratar de obtener datos climáticos locales, normalmente recolectados por diferentes organizaciones. A menudo las agencias aeronáuticas o ambientales recolectan este tipo de información, pero si esto no está disponible se puede utilizar la base de datos construída por la NASA a partir de observacionse satelitales realizadas durante los últimos 22 años. Estos datos se pueden descargar gratuitamente (luego de haberse registrado) en Para datos de insolación, se puede utilizar: Este sitio no requiere registrarse pero es menos completo. 3) Estimado de la capacidad de batería requerida Una vez establecido el número de días que la carga debe ser alimentada desde las baterías, podemos calcular la capacidad de batería requerida. Es importante enfatizar que las baterías nunca se deben descargar completamente. 3

4 Las baterías de ciclo profundo no deben descargarse más allá del 50%, y en caso (desaconsejado) que se tenga que utilizar baterías automotrices la descarga máxima no debe exceder del 20% (es decir, dejar el 80% de la carga en la batería). Esto significa que solo podremos usar la mitad de la capacidad total de una batería de ciclo profundo y apenas un quinto de una batería de automóvil o camión. 4) Estimado del tipo y número de paneles fotovoltaicos requeridos El próximo paso es calcular el tipo y número de paneles fotovoltaicos requeridos para cargar las baterías en un tiempo razonable. Aquí también es necesario un compromiso puesto que la solución óptima puede resultar económicamente irrealizable. Una primera aproximación puede ser simplemente multiplicar la carga estimada (el consumo de los dispoditivos conectados) por 1.5 para permitir cargar las baterías al mismo tiempo que se está alimentando la carga. Esto resulata en una carga de diseño que es 50% mayor que la calculada. A continuación hay que estimar la cantidad de energía solar diaria disponible en el sitio de interés. El sitio de la Nasa mencionado también provee esta información, pero ésta también puede obtenerse de otras fuentes o estimada a partir de otros sitios con características climáticas similares. Tenga en cuenta que la latitud y la altitud son los factores más importantes a considerar. Hay varias maneras de presentar la cantidad de energía solar disponible en un sitio dado en términos del número de J/m 2 por día, W*h /m 2,, etc., pero la más útil se obtiene considerando un valor estándar de la irradianza de 1000 W/m 2 conocida como sol pico. Dividiendo la energía total capturada durante el día por este número se obtiene el número de horas solares pico (PSH), es decir el número de horas requeridas para que una irradiación constante de 1000W/m 2 produzca la misma cantidad de energía. Este número coincide con el número de kwh /m 2 por día, pero es más fácil visualizarlo como el número de horas de radiación a valor constante, como puede observarse en el siguiente gráfico: 4

5 hora del día De la figura, observamos que el número de horas solares pico es 3, lo que corresponde al número de kwh//m 2 para ese día. Debemos escoger el promedio del peor mes del año para nuestros cálculos. El tamaño del panel solar se determina dividiendo los requerimientos diarios de energia por el número de PSH, El número resultante se divide por la potencia pico del panel, Wp, para determinar el número de paneles requeridos. 5) Determinación de los requerimientos mínimos del regulador de carga y del cableado El último paso es calcular la capacidad del regulador de carga y el grosor de los cables de interconexión. Este valor debe ser mayor que la corriente máxima esperada al voltaje nominal. Los cables deben ser lo más corto posible para minimizar la caída de voltaje y el consecuente desperdicio de energía. 5

6 La siguiente tabla muestra la longitud máxima en metros para alambres de cobre para mantener la caida de voltaje debajo del 5% a un voltaje de 12 V. Ejemplo Se construye un repetidor inalámbrico con un computador en una tarjeta (SBC -Single Board-Computer-) que consume 3.5 vatios. El computador puede operar a cualquier voltaje entre 9 y 25 V. Se le instala un radio que consume 8 W cuando transmite y 3.8 W cuando recibe. El dispositivo se instalará en una colina en las adyacencias de Cotonou, Benin. 1) Determine la carga: 6

7 Escogemos operar a 12 Vy suponemos que el SBC opera 24 horas al día y que el radio transmite 40% del tiempo y recibe durante el otro 60%, con lo que el consumo total será: 3.5 * * 24 * * 24 * 0.6 = Wh lo redondeamos a 220WH y obtenemos: 220 / 12 = 18.3 Ah 2) Estimar el número máximo de días nublados consecutivos: Del sitio de la NASA, introduciendo las coordenadas 7 N, 2 E : Podemos ver que mayo es el peor mes, y en él podemos esperar un máximo de 3.86 días nublados consecutivos. 3) Estimar la capacidad de batería requerida De la tabla anterior, escogemos N=4 como el número máximo de días en los que la batería debe alimentar la totalidad de la carga. Multiplicamos òos amperios-hora por N y por un factor que representa el porcentaje de descarga máxima admisible. Para baterías de ciclo profundo, este factor es 2 (el doble de la capacidad requerida) para permitir una descarga del 50%. Por tanto, la capacidad de la batería de 12 V debe ser: 18.3 Ah * 4 * 2 = 147 Ah Si usáramos baterías automotrices que sólo deben descargarse al 20%, el factor sería 5 en lugar de 2. 7

8 4) Estimar el tipo y número de paneles fotovoltaicos requeridos Para el panel solar, aplicamos el factor aproximado de 1.5 para permitir la carga de la batería al mismo tiempo que alimentamos el dispositivo, lo que nos da una carga total de 330Wh. La irradiación puede tomarse del sitio de la NASA: El peor mes es agosto, que en promedio recibe solo 4.05 horas de sol pico, de modo que: 330 Wh / 4.05 h = 81.5 W Necesitamos un panel que pueda producir 82 W. El sitio de la NASA también indica que el ángulo de inclinación óptima para el panel en este sitio es de 16, aunque hay una considerable variación entre un mes y otro. 5) Determine los requerimientos del regulador y del cableado 8

9 La corriente máxima en la carga ocurre durante transmisión, cuando la potencia consumida es de = 11.5 W que, a 12 V corresponde a cerca de 1 A. El regulador debe poder manejar esta corriente y el dispositivo puede ser alimentado fácilmente mediante cable UTP utilizando POE (Power over Ethernet). Tenga en cuenta que para cargas mayores el cable UTP puede no ser suficiente, por lo que deberá usar un cable dedicado del tamaño adecuado. Se recomienda también insertar un fusible entre la batería y la carga. Para saber más La página 209 del libro WNDW y el sitio: index.html Ejercicio Diseñe un sistema fotovoltaico (panel + regulador + bateria + otros equipos) para los siguientes sistemas: 1) Un repetidor remoto dotado de una Nanosatation2 y una Powerstation5 debe instalarse en Mérida, Venezuela, Latitud 8 N, Longitud 71 E. El repetidor debe operar 24/7 y debe tener una autonomía de 5 días en ausencia de luz solar. Se usarán baterías de ciclo profundo. 2) Una estación cliente que usa una Nanostation2 y un Netbook se debe instalar en una escuela en Blantyre, Malawi (Latitud 15 S, Longitud 35 E). La autonomía requerida es de 24 horas sin luz solar y el radio está conectado constantemente. El Notebook funciona a 220 V AC y consume 5 W, y es usado 5 horas por día. No se dispone de baterías de ciclo profundo, así que deben usarse baterías de automóvil en esta instalación. 3) Sugiera posibles soluciones para optimizar el suministro de energía eléctrica para los dos sitios mencionados. 4) Repita el diseño #2 utiliznado ahora baterías de ciclo profundo en lugar de baterías automotrices y aplique la optimización sugerida en el #3. 9

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