Cálculo y Dimensionamiento de. Baterías. Ing. Jaime Carvallo Ing. Willy Trinidad

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1 Cálculo y Dimensionamiento de Paneles Solares y Baterías Ing. Jaime Carvallo Ing. Willy Trinidad

2 Un Sistema Fotovoltaico Es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica.

3 Central Fotovoltaica

4 Componentes Generador fotovoltaico: encargado de captar y convertir la radiación solar en corriente eléctrica mediante módulos fotovoltaicos Baterías: almacenan la energía eléctrica variable producida por el generador fotovoltaico para poder utilizarla en períodos en los que la demanda exceda la capacidad de producción del generador fotovoltaico. Regular de carga: encargado de proteger y garantizar el correcto mantenimiento de la carga de la batería y evitar sobretensiones que puedan destruirla. Inversores de la energía eléctrica: encargados de transformar la corriente continua producida por el generador fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar algunas cargas o para suministrala a la red de distribución eléctrica. Elementos de protección: como interruptores, diodos de bloqueo, etc., dispuestos entre los diferentes elementos del sistema, para su protección en caso sobrecargas o cortocircuitos. En algunos casos de un generador auxiliar: para complementar la energía del generador fotovoltaico cuando éste no pueda mantener la demanda y el suministro no pueda ser interrumpido.

5 Diagrama de Configuración η cc CARGAS EN CORRIENTE CONTINUA (DC) η b η cc η i CARGAS EN η b CORRIENTE ALTERNA (AC) η conductores : Es considerada en los cálculos.

6 Diagrama de Configuración cont. CARGAS AC CON RESPALDO DE GENERADOR

7 Conversión de la Energía Solar en Electricidad La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe a la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico. La conversión de la radiación solar en corriente eléctrica tiene lugar en la célula fotovoltaica. Una célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una lámina de material semiconductor, generalmente de forma cuadrada, d con una superficie i de aproximadamente 100 cm 2. Los paneles o módulos fotovoltaicos son un conjunto de células l conectadas convenientemente t y montados sobre un soporte metálico de aluminio anodizado, que confiere al panel rigidez y protección mecánica.

8 Conversión de la Energía Solar en Electricidad Los electrones que forman parte del exterior de los átomos, son golpeados por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados. Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar

9 Irradiación Solar Irradiancia Es la medida de la densidad de potencia de la luz solar y se mide en W/m 2. La irradiancia es por lo tanto una cantidad instantánea. Irradiación Es la medida de la de la densidad de energía de la luz solar y se mide en kwh/m 2. Desde que la energía es la integración de la potencia en un espacio de tiempo dado, la irradiación es la integral de la irradiancia. Normalmente, el tiempo de integración es las horas de sol de un día. Horas pico de sol Es el número de horas a un nivel de irradiancia de 1000 W/ m 2 necesarias para producir la irradiación diaria total en un punto determinado de la superficie de la tierra. Se obtiene simplemente dividiendo la irradiación promedio diaria o mensual, según sea el caso, por 1000 W/m 2 ; lo cual corresponde a la integración de la irradiación diaria sobre todas las horas de sol del día, o a la irradiación promedio mensual sobre todas las horas de sol del mes.

10 Paneles Fotovoltaicos Factores que lo determinan: La Potencia máxima o potencia pico, (W P ), es la máxima potencia que puede dar el panel con una irradiancia de 1000 W/m 2. La corriente máxima, (I m ), es la corriente que suministra el panel a potencia máxima. Esta corriente es la que determina la cantidad de paneles requeridos y no la potencia. La tensión máxima, (V m ), es la tensión que da el panel a potencia máxima. La Corriente de cortocircuito, (I SC ), es la corriente límite que puede dar el panel fotovoltaico con tensión nula en sus terminales, esto es, cuando se ponen en cortocircuito sus terminales. La Tensión envacío, (V OC ),esla tensión que genera el panel sin carga (en vacío). La potencia generada por un panel es directamente proporcional a la irradiancia que recibe; en consecuencia, vería durante el transcurso del día y es fuertemente afectada por las condiciones climáticas, día nublado, lluvioso, etc. La máxima potencia o potencia pico que dan los fabricantes de paneles solares no se debe interpretar como una potencia constante que da el panel durante las horas de sol, sino, sólo entre aproximadamente las diez de la mañana y las dos de la tarde y con una irradiación de 1000 W/m 2.

11 Ángulo de Declinación Movimiento de la tierra alrededor del Sol En su rotación alrededor del Sol la Tierra efectúa dos movimientos, uno alrededor de su eje polar de un día de duración, y otro alrededor del sol en un plano llamado plano de la elíptica, de un año de duración. Declinación Solar Es el ángulo que forma el eje polar de la tierra con el plano de la elíptica. Este ángulo varía por efecto de la rotación de la tierra con respecto a su eje y con respecto al sol y es uno de los ángulos que origina que la radiación solar no sea perpendicular a la tangente a la superficie de la tierra en el punto donde se la mide. El ángulo de Declinación Solar varía continuamente a lo largo del año entre un máximo de y un mínimo de Esta variación del ángulo de Declinación origina que también varíe el ángulo de incidencia de la luz solar sobre la superficie de la tierra; y en consecuencia, que varíe la irradiancia por no ser perpendicular a los paneles ubicados en la tierra.

12 Ángulo de Declinación

13

14 Ángulo de Declinación Valor del ángulo de Declinación El ángulo de Declinación está dado en función del día del año por la ecuación: δ = sen 1 sen ( ) ( ) sen d d: Es el número del día a lo largo del año; comenzando a contar a partir del 1 de Enero y considerando que febrero tiene 28 días, con lo que el 365 corresponde al 31 de Diciembre. i El ángulo de declinación alcanza su máximo valor de en el día en el cual comienza el verano, denominado solsticio de verano. Es nulo en los días en los cuales comienza la primavera y el otoño, denominados equinoccios. Alcanza su mínimo valor de en el día en el cual comienza el invierno, denominado solsticio de invierno.

15 Ángulo de Elevación o Altitud El ángulo de Elevación o de Altitud es el ángulo formado por la posición aparente del sol en el cielo con la horizontal del lugar. Varía a través del día, es 0 0 al salir el sol y obtiene su máximo valor al mediodía solar. La máxima elevación que alcanza el sol en un lugar determinado de la superficie de la tierra depende de la latitud del lugar ydeldía del año (estación). Es más grande en el solsticio de verano, en donde es igual a la latitud del lugar más la máxima declinación de , 250 y más pequeño en el solsticio de invierno, en donde es igual a la latitud menos la máxima declinación (23.450).

16 Ángulo de Elevación

17 Ángulo de Elevación o Altitud El máximo ángulo de elevación o altitud se puede determinar a partir del ángulo de declinación y de latitud del lugar, y está dado por la ecuación: α = 90 0 ± ( φ δ ) max En donde : α max φ = δ = = Es el máximo ángulo de Elevación o Altitud del lugar en el día considerado. Ángulo de latitud del lugar (fijo en el tiempo). Ángulo de declinación en el día considerado. Más para el hemisferio norte y menos para el hemisferio sur ± = m α β =

18 Efecto de La Inclinación de Las Paneles Solares La máxima potencia que genera una celda fotovoltaica ocurre cuando su superficie es normal a la luz solar incidente, pero como el ángulo de posición del sol está continuamente cambiando, un panel fotovoltaico con inclinación fija captura solamente una fracción de la potencia total irradia en el año. Se recomienda que la inclinación de los paneles nunca sea menor que 15 0 debido a que cuando están horizontalmente acumulan polvo y/o humedad. En zonas donde existe nieve y hielo es conveniente inclinar los paneles un ángulo superior a 65 0 durante la época de nieve.

19 Efecto de La Inclinación de Las Paneles Solares Cuando la carga es constante o ligeramente variable durante el año, el máximo de potencia generada por los paneles fijos normalmente se obtiene cuando el ángulo de inclinación de los mismos con respecto a la horizontal, es igual al valor promedio mensual o anual de: β = φ δ β = En donde Ángulo de inclinación más conveniente con respecto a la horizontal, de los paneles solares. φ = Ángulo de latitud del lugar (fijo en el tiempo) δ = Ángulo de declinación promedio mensual o anual, según se quiera fijar la inclinación más conveniente para el peor mes o para un año.

20 Clases de Paneles

21 Baterías Tipos: 1-. Las de plomo ácido, y las 2-. Níquel cadmio Las características que definen el comportamiento de una batería son fundamentalmente: 1-. Capacidad de descarga en Amperios hora (Ah) 2-. Profundidad de descarga 3-. Vida útil en ciclos Capacidad en Amper hora. Se define como la cantidad de electricidad que puede obtenerse durante una descarga completa de la batería plenamente cargada. Es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que actúa.

22 Baterías Los factores que varían la capacidad de una batería son: 1-. Tiempo de descarga. 2-. Temperatura de operación. Profundidad de descarga. Se denomina profundidad de descarga alporcentaje delacapacidad total de la batería que se utiliza durante un ciclo de carga / descarga. Vida útil en ciclos. La vida de una batería se expresa en Vida útil en ciclos. La vida de una batería se expresa en ciclos, que se define como el número de veces que se produce una carga / descarga.

23 Cálculo de los Paneles Solares Tipos: Hay tres diferentes tipos de procedimientos de diseño de los paneles solares, los cuales dependen de la disponibilidad de datos de irradiación y del período de tiempo sobre el cual se van a realizar los cálculos: 1. Cálculo para el peor mes ya sea el de máxima carga o el de menor irradiación solar. 2. Simulaciones en un tiempo base, usualmente horario o diario. Para este método se requiere conocer una detallada información de la irradiación solar: horaria o diaria. Este método permite un examen minucioso del estado de carga de las baterías. 3. Reglas empíricas: que se basan en cálculos empíricos aproximados que no tienen en cuenta los parámetros dependientes de la ubicación del panel y no permiten determinar la factibilidad d del sistema seleccionado.

24 Cálculo Horario o Diario Este método de cálculo no es aplicable en nuestro medio debido a que no se dispone de mediciones diarias u horarias de la irradiación ac solar. El SENAMHI solo o dispone de promedios os anuales de irradiación diaria y de métodos gráficos para los valores medios mensuales. Los valores de irradiación que suministra el SENAMHI e Institutos similares de otros países, es siempre la irradiación perpendicular a la superficie de la tierra en el lugar de medición. Se designa normalmente por S, y su valor horizontal se da en Wh/m 2 En los países ubicados lejos de la línea Ecuatorial, en donde la irradiancia incidente en los paneles solares tiene un alto contenido de irradiancia difusa, las mediciones de irradiación se suelen suministrar para tres valores de inclinación; estos son: 1. Inclinación = a la latitud del lugar de medición 2. Inclinación = latitud Inclinación = latitud

25 Cálculo para el Mes Peor El método de cálculo del peor mes usa cargas específicas y datos de irradiación solar promedios del mes considerado. Sus ventajas son: cálculos simples y cortos, se requieren pocos datos iniciales, se puede calcular con una hoja Excel, no requiere de programas computacionales. Sus desventajas son: no se incluyen un análisis estadístico diario de la variabilidad y disponibilidad de la energía de los paneles solares que determinen la capacidad del banco de baterías; el cual sólo se limitan a promedios mensuales que no siempre es lo más conveniente.

26 Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor 1. Efectuar un arreglo inicial de la topología del sistema conforme a la aplicación del mismo. 2. De las tablas del SENAMHI determine el ángulo de latitud y de altitud del lugar donde se instalarán los paneles. 3. Calcular la carga de cada mes del año en Ah. La carga en Ah es el producto de la carga en W por el número de horas diarias durante el cual dicha carga está presente, dividida por su tensión nominal Incrementar las cargas dividiéndolas por los factores de eficiencias de los cargadores solares, inversores, convertidores, baterías, pérdidas en el cableado, etc Las tensiones normalmente usadas en los sistemas fotovoltaicos son: 12, 24 y 48 VCC.

27 Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor 4. Determinar de la información disponible del SENAMHI o algún otro instituto similar, la irradiancia promedio mensual para la zona donde se ubicarán los paneles. Normalmente se dan en Wh/m2. 5. Si la carga es constante o ligeramente variable durante el año, determine el ángulo de inclinación de los paneles conforme a lo indicado en el acápite Efecto de la inclinación de los Paneles Solares. Si la carga es variable determine, por tanteos, la inclinación de los paneles que maximice la irradiación solar en los paneles durante el mes en el cual la carga es más alta. 6. Determinar el ángulo de declinación para el punto medio del mes en el lugar escogido, utilizando la fórmula dada en el acápite Ángulo de Declinación. 7. Determinar el ángulo promedio de elevación o altitud al mediodía solar, para el lugar escogido, utilizando la fórmula dada en el acápite Ángulo de elevación o Altitud.

28 Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor 8. Convierta la irradiación media mensual de vertical a la superficie de la tierra, a vertical sobre la superficie inclinada de los paneles solares, mediante la expresión: S panel = S horizontal sen ( α max + β ) ( α ) sen max

29 Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor 9. Determinar el número de horas diarias de sol. El número de horas diarias de sol se puede obtener a partir de las indicaciones dadas en el Standard IEC referente a la fabricación y pruebas de Paneles Solares. Según este Standard las características de catálogo, esto es, potencia de pico, tensiones y corrientes nominales de los paneles solares se determinar considerando que el panel recibe una irradiancia de 1000 W/m 2. Luego, conforme a lo indicado en el acápite Irradiación Solar, las horas pico de sol promedio mensual son iguales a la irradiancia promedio mensual en kwh/m 2 dividida por 1000 W/m 2. Para los cálculos se toma la irradiación del peor mes o el promedio anual.

30 Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor 10. Calculo de la corriente requerida del arreglo de los paneles solares. La corriente requerida del arreglo de los paneles se calcula con la ecuación Corriente del arreglo = F DEG C arg a ( Ah) Horas de Sol ( hr) En donde: F DEG = Factor de desgaste de los paneles solares. Para una vida de 10 años se suele considerar 0.9, para una vida de 20 años 0.83

31 Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor 11. Cálculo del número de paneles requeridos en paralelo. El número de paneles en paralelo se determina por la ecuación # Paneles = Corriente del Arreglo ( A ) de un panel 0.9 ( A) Corriente La corriente de los paneles es la corriente que genera un panel a su potencia pico. Es un dato del fabricante. Esta corriente se derratea 10% para tener en cuenta la reducción de corriente debido al polvo, humedad, etc.

32 Pasos a Seguir en El Cálculo del Mes Peor 12. Número de paneles en serie. El número de paneles en serie es igual a la tensión del sistema (12, 24 o 48 VCC) entre la tensión nominal del panel. La tensión nominal del panel es un dato del fabricante. 13. Determinación de la capacidad del banco de baterías requerido. La capacidad del banco de baterías está dada por la siguiente ecuación: En donde Capacidad del banco de baterías= ( Ah) Carga Días DOD D T D CH Carga (Ah) = Carga total corregida en Ah. Considera los factores de derrateo de g ( ) g g los equipos y del cableado. Días = días de autonomía del banco de baterías. DOD = es la profundidad de descarga expresada como una fracción. Normalmente = 0.8 D T = Es el factor de derrateo por temperatura. Para las baterías Níquel- Cadmio = 0.95 D CH = Es el factor de derrateo por el ciclo carga / descarga. Normalmente = 0.9

33 Regulador de Carga Los reguladores de carga cumplen las siguientes funciones: 1. Evitar la descarga de las baterías sobre los paneles, para ello básicamente se emplea un diodo. 2. Regular la carga y la descarga de las baterías para evitar que las baterías se sobrecarguen o se descarguen más de lo permitido.

34 Diagrama de Configuración

35 Regulador de Carga Funcionamiento El regulador monitorea constantemente la tensión de las baterías. Cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que las baterías se encuentra cargadas (aproximadamente 14.6 V para las baterías de 12 V nominales y 28.8 V para las de 24 V nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Cuando el consumo hace que las baterías comiencen a descargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador fotovoltaico a las baterías y vuelve a comenzar el ciclo. Estas operaciones son realizas mediante un microprocesador que además puede optimizar i la forma en que se cargarán las baterías; para lo cual tienen la función de adaptar las características de producción del generador a las exigencias de la carga. Durante los ciclos de carga y descarga de las baterías, la carga del sistema permanece conectada a las baterías.

36 Regulador de Carga Dimensionamiento El regulador queda definido especificando su nivel de tensión (que debe ser igual a la tensión nominal del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar.

37 Regulador de Carga Los Reguladores de Carga realizan también las siguientes i funciones: 1. De medición: a) Corriente y tensión de la carga, de los paneles solares y de las baterías b) Irradiación solar diaria c) Energía suministrada por los paneles solares y la consumida por la carga 2. Control Arranque y conexión remota de un grupo electrógeno de respaldo 3. Supervisión remota vía ETERNET o satélite, de todos los parámetros de tensión y corriente del sistema. 4. Indicaciones locales mediante leds, de todos los parámetros de tensión y carga de la red. 5. Regulación a) De la carga de las baterías por desconexión de la carga. b) Sobrecargas forzadas periódicas de las baterías. 6. Protección a) Contra sobrecorrientes b) Contra sobretensiones c) Contra sobretensiones transitorias i d) Inversión de polaridad.

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