Dimensionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas

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1 Dimensionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas Profesor Ingeniero Germán Hoernig Appelius Diciembre 2011 V 11 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 de relativamente 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 El día solar es distinto al medido por reloj. 12

13 W/m 2 13

14 Recordemos el Movimiento Aparente del Sol 14

15 Generalidades 15

16 Instrumentos 16

17 Pirheliógrafo 17

18 Solarímetro 18

19 Piranómetro de Radiación Difusa 19

20 Equivalencia La irradiación solar anual por m 2 equivale al contenido energético de casi un barril de petróleo. 20

21 21

22 22

23 23

24 24

25 Plantas Proyectadas o en Construcción 25

26 Instalaciones Fotovoltaicas Mundiales acumuladas

27 Conceptos Básicos 27 27

28 Como se produce la Electricidad Fotovoltaica Los fotones separan las cargas en y + 28

29 Como se produce la Electricidad Fotovoltaica Al puentear externamente las capas se produce una circulación de corriente 29

30 Esquema de la Celda Solar 30

31 31

32 Tipos de Instalaciones I Se obtiene directamente 12 V de corriente continua 32

33 Tipos de Instalaciones II Se obtiene directamente 220 V de corriente alterna 33

34 Conceptos de Seguridad Eléctricos 34

35 Voltaje de Seguridad Según normas nacionales Ambiente húmedo máx: 24 V Ambiente seco máx: 50 V Se considera baja tensión hasta: 400 V 35

36 Protección Eléctrica Protector Diferencial Tierra de protección Fusibles 36

37 Protección ante Fallas Comunes Cortocircuitos : Disyuntor termo magnético Sobrecarga: Disyuntor termo magnético Aislación: Protector diferencial En instalaciones fotovoltaicas: fusibles Siempre se debe instalar: Primero el protector termo magnético Segundo el protector diferencial 37

38 Termo magnético Diferenciales Fusibles 38

39 Conexión correcta N Tierra de Servicio MEDIDOR F DISYUNTOR TERMOMAGNÉTICO PROTECTOR DIFERENCIAL F F N Tierra de Protección 39

40 Puede ser la misma tierra, pero es de mala calidad 40

41 Sección de los conductores Inversor Qué corriente pasa por los conductores? 41

42 Ejemplo para transmitir 800 W Recordemos que: Potencia Voltage Intensidad 42

43 Las Corrientes son muy Diferentes 43

44 Selección de los Cables o Alambres para las conexiones. 44

45 Tipos de Alambres y Cables 45

46 Tipos de Alambres y Cables 46

47 Corriente según Sección 47

48 Corriente según Sección 48

49 49

50 Corrección por Temperatura 50

51 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 0,8-51

52 El Panel Fotovoltaico 52

53 Tipos de Celdas Eficiencia de Celdas % Monocristalina Policristalina Amorfa 6-7 Teluro de Cadmio 7-8 GaInP/GaAs/Ge 41,1 Récord mundial 53

54 Somos Andreas Bett y Franck Dimroth, inventamos estas súperceldas el 2009 en Alemania 54

55 Se logra con amplificación con lente Fresnel en 545 veces y con 20 capas selectivas para cada rango del espectro de luz 55

56 Tipos de Celdas Monocristalinas Amorfas Policristalinas 56

57 Cuál se usa más? 57

58 Silicio Policristalino 58

59 Etapas en producción de CFV 59

60 La más importante es el desarrollo del proyecto 60

61 Celda-Módulo-Paneles 61

62 La duración garantizada es de 20 años, puede durar 40 62

63 Detalles Constructivos 63

64 Celdas Flexibles 64

65 Celdas Transparentes 65

66 Paneles Transparentes 66

67 Tejas Solares 67

68 Láminas FV impermeabilizantes Tejas FV Paneles FV con concentradores 68

69 Conceptos Básicos 69

70 Intensidad de Cortocircuito Es la máxima corriente que se puede obtener sin cargas externas A 70

71 Tensión de Circuito Abierto Máxima tensión sin tener nada conectado e intensidad de corriente nula. V 71

72 Potencia Máxima P máx = I máx x V máx 72

73 Orientación del Panel Si el panel tiene la capacidad de orientarse durante el día y según las estaciones, puede captar 43 % más de energía. 73

74 Orientadores De dos ejes De un eje 74

75 Condiciones de Irradiación en Valparaíso Depende de la orientación del panel al Norte geográfico Inclinación del panel 75

76 Orientación 76

77 Inclinación horizontal 23º 33º 43º 90º 77

78 Puede ser más importante el aspecto de arquitectura, para que se integre armónicamente a la casa 78

79 Integración con Arquitectura 79

80 Integración con Arquitectura 80

81 Orientación e Inclinación más Recomendable Dependerá en que época del año necesitamos generar electricidad 81

82 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 82

83 mes horizontal 23º 33º 43º 90º enero julio Conclusiones Ideal enero : horizontal Ideal julio : 33º Práctico enero : 33º Práctico julio : 33º 83

84 Tipos de Radiación sobre la Tierra 84

85 Tipos de Radiación sobre la Tierra 85

86 La radiación depende de la posición del sol respecto a la superficie terrestre Trayecto corto Trayecto largo De la posición del sol depende la cantidad de atmósfera que debe atravesar.

87 El Panel Fotovoltaico Elegido 87

88 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 88

89 Información en Condiciones Standard 89

90 Información en Condiciones más Reales 90

91 Otras Características 91

92 Otras Características 92

93 Otras Características 93

94 Otras Características 94

95 Es bueno que tengan alguna Certificación 95

96 Área Real del Panel A = largo x ancho 1,229 x 0,556 = 0,683 m 2 96

97 Letra Chica 97

98 Determinación del Rendimiento Condiciones son con irradiación de W/m 2 Temperatura 25 ºC Solamente son 0,683 m 2 98

99 Rendimiento η = 75 W W/m 2 x 0,683 m 2 η % = 10,98 11 % 99

100 Rendimiento De cada W/m 2 de irradiación Se obtienen solamente 110 W/m 2 100

101 Cálculo de la Instalación de una Casa en la Zona de Valparaíso 101

102 102

103 Qué necesito saber para hacer mi instalación fotovoltaica? Cuántos paneles Cuántas baterías Que regulador Qué inversor 103

104 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 De donde sale? Todo con 12 V CC o 220 V CA Uso de paneles de 75 Watt 104

105 Componentes Necesarios 105

106 Otros Datos: Conexión de Paneles Conexión en //: (V = constante; i = variable) En serie sería: (V = variable; i = constante) Sobredimensionar la instalación Latitud de Valparaíso: 33 º Sur 106

107 Cuántos Paneles Necesito? 107

108 108

109 Luminarias Comunes Incandescente 60W dicroica 150W Alto rendimiento 18W Tubo fl. 40W Led 1W 109

110 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

111 Promedio Se consumirán Wh/día 111

112 Determinación de Superficie Necesaria I Considerar el mes de mayor consumo con el de menor radiación (julio-agosto) 112

113 Determinación de Superficie Necesaria II Superficie = Consumo Wh/día Radiación Wh/m 2 /día S = = 1,193 m 2 113

114 Tabla B32 Irradiancia Solar en Territorios de la República de Chile 114

115 Suponemos 33 de Inclinación al Norte y el Peor Mes del Año 115

116 116

117 Conversión de Unidades 215,9 MJ/m 2 x 277,7 Wh / 30 días = 1.999Wh/m 2 /día 117

118 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 % 118

119 Determinación de Superficie Necesaria III S 2 = 1,193 m 2 0,11 = 9,1 m 2 119

120 Nr. Paneles Según el Tamaño de Nuestro Panel Panel necesario m 2 9,1 m2 = Panel disponible m 2 0,683 m 2 = 13,3 120

121 Número de Paneles Finales 13,3 unidades de 75 W Se aproxima a 14 paneles 121

122 Es mucho 14 paneles? 122

123 123

124 Recomendación Colocar los paneles en 2 grupos en paralelo para reducir el daño ante algún defecto. 124

125 Recordemos Baterías en Serie Baterías en Paralelo 125

126 Baterías en Serie: Aumenta la Tensión o Voltaje 6 baterías de 2 V y 10 A En la salida: 12 V 10 A 126

127 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 127

128 Conexiones Mixtas en Serie y Paralelo 6 V 6 baterías de 2 V y 10 A En la salida: 6 V 20 A 128

129 paralelo Paneles en Paralelo de 2 Filas de 4 Módulos en Serie Serie c/u Serie c/u 129

130 Baterías 130

131 Selección Por capacidad de carga en A/h Profundidad de descarga: Automotrices permiten 10 % a 25 % de descarga Las de uso solar o ciclo profundo hasta 80 % 131

132 Selección Solares hay: Gel, pueden trabajar en cualquier posición y hasta 40 C Líquido, permiten hasta 20 C 132

133 Selección de Baterías I I batería = Consumo/día Tensión batería = W/día 12 V = 198,8 A Se selecciona una batería de 200 A 133

134 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 134

135 Selección de Baterías III Considerando que la batería no debiera descargarse más de 50% I batería 50% = I bat. x 1,5 = 900 A Se selecciona una batería de 900 A 135

136 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 136

137 Buena Instalación 137

138 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 138

139 Selección de Regulador de Carga II Usaremos 2 circuitos con 7 paneles cada uno y sus correspondientes reguladores 139

140 Selección de Regulador de Carga III Cada panel tiene una corriente de cortocircuito de 4,8 A 140

141 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 141

142 Selección de Regulador de Carga V Van escalonados en 5 A Se seleccionan 2 reguladores de 35 A 142

143 Selección de Regulador de Carga VI La tensión de prueba es de 17,3 V 143

144 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 144

145 Inversor 12 V CC 220 V CA 145

146 Inversor I Se elige según el consumo máximo en Watt de todos los elementos que podrían estar funcionando juntos. En nuestro caso serían W 146

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

148 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 148

149 Inversores 149

150 Tipos de Ondas 150

151 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 151

152 Una Buena Instalación 152

153 153

154 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. 154

155 Considerar las Posibles Sombras 155

156 Sombras de los paneles 156

157 Sombras El ángulo alfa debe ser menor de 20º, para que otro objeto no produzca una sombra sobre él. 157

158 Distancia entre Paneles 158

159 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 159

160 Uso de Diodos Protegen de descargas sin sol Protegen baterías individuales en serie No son necesarios bajo 24 V CC 160

161 Montaje por Estructuras 161

162 Montaje por Estructuras 162

163 Mantenimiento Básico 163

164 El Mantenimiento Abarca los Siguientes Procesos: Limpieza periódica del módulo. Inspección visual de posibles degradaciones internas de la estanqueidad del módulo. Control del estado de las conexiones eléctricas y del cableado. Eventualmente, control de las características eléctricas del módulo. 164

165 Algunos Precios en Chile 165

166 Precios en Chile 166

167 Precios en Chile 167

168 Precios en Chile 168

169 Precios en Chile 169

170 Precios en Chile 170

171 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 171

172 Es tan caro el tendido eléctrico! 172

173 Comparación Caso Tendido eléctrico Foto voltaico Cabaña alejada Características Restricciones $ a $ Costo según consumo Sin $ a $ Costo 0 Componentes de bajo consumo 173

174 Variación de los precios en /Watt 1 $

175 Variación de los precios en /Watt 1 $

176 Aplicaciones Fotovoltaicas 176

177 177

178 Suministro eléctrico para 20 familias en Empedrado VII R 178

179 179

180 3,5 MW 180

181 181

182 182

183 183

184 184

185 185

186 186

187 187

188 188

189 189

190 190

191 Ladrillos de Sol 191

192 Aíslan el sol Producen alrededor de 70 W/ m 2 Valen U$ 1.900/m 2 192

193 193

194 194

195 195

196 196

197 197

198 198

199 199

200 200

201 201

202 202

203 203

204 Se han hecho pruebas para imprimir el silicio sobre papel 204

205 La paneles solares generarán para Google KWh por año, lo que significará un ahorro de energía de U$ 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 (!). 205

206 Porqué?

207

208 1. Referencias: Apuntes del profesor Juan Casas, Apuntes del profesor ingeniero Pedro Sarmiento Internet Catálogos de Heliplast Manuales y textos varios 208

209 Hasta aquí llegamos. Muchas gracias Son las 4:07:11 p.m. 209

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