Caso Práctico. Energía Solar Fotovoltaica. Caso Práctico 1

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1 Caso Práctico Energía Solar Fotovoltaica Caso Práctico 1

2 Caso Práctico Energía Solar Fotovoltaica OBJETIVOS El objetivo del presente caso práctico es afianzar los contenidos del modulo de Energía Solar Fotovoltaica. Se ha dividido en caso práctico en 7 partes, la primera de las cuales pretende que el alumno identifique los parámetros eléctricos de la curva característica intensidad-tensión y potencia-tensión de un módulo fotovoltaico. El objetivo de la parte 2 es calcular los coeficientes de temperatura para la intensidad de corriente de cortocircuito (alfa), la tensión de circuito abierto (beta) y la potencia máxima (gamma). El cálculo se realizará a partir de los datos de tres curvas características intensidad tensión (la curva en Condiciones Estándar de Medida que aparece en el ejercicio 1 y dos curvas adicionales). La parte 3 aplica correcciones a los parámetros de del modulo que está siendo analizado. A continuación en la parte 4 se determinan los ángulos de inclinación óptimos, a efecto de obtener una incidencia de la radiación solar normal o perpendicular al módulo (se entiende de su componente directa).la evolución del Sol en el cielo según la situación del observador en la superficie de la Tierra se describe de modo interactivo en la parte 5. La parte 6 permite familiarizarse con los conceptos de irradiación y producción energética a distintas inclinaciones. Finalmente la parte 7 propone el dimensionado de un pequeño hospital rural con el fin de que el alumno se familiarice con los concepto expuestos en el modulo. ENUNCIADO PARTE 1 En el fichero Curvas IV y Sol.xls hoja ejercicio 1_propuesto, la curva i-v representada es una medida realizada en un simulador solar tipo flash, de categoría AAA (IEC ), en Condiciones Estándar de Medida. Está realizada iluminando momentáneamente (10 ms aprox.) el módulo FV mediante el disparo de un único flash, a la vez que una carga electrónica le impone unos valores de tensión de trabajo crecientes (250 valores). Se obtienen dos columnas de datos: los valores de tensión sucesivamente impuestos por la carga electrónica al módulo (celdas B15:B264) y los correspondientes valores de corriente (C15:C264) que para cada tensión entrega el módulo fotovoltaico. Los datos de potencia (celdas D15:D264) son únicamente el producto de las dos anteriores. Caso Práctico 2

3 El alumno ha de introducir los datos de I sc y V oc manualmente (celdas B3 y B4). Los valores de potencia máxima, intensidad y tensión en el punto de máxima potencia (P mpp1, I mpp1 y V mpp1 ) están ligados al punto que muestra el cursor (celdas A12:D12), por lo que sólo serán ciertos cuando éste se sitúe sobre el verdadero punto de potencia máxima. Búsquese dicho punto. Una vez allí, las celdas B8 de Factor de Forma (FF, "Fill Factor"), B9 de Eficiencia respecto del área del módulo y B10 respecto del área de las células tomarán los valores reales correspondientes a la máxima potencia del módulo fotovoltaico. Compruébese todos los parámetros. PARTE 2 En el fichero Curvas IV y Sol.xls en la hoja ejercicio 2_propuesto, rellene manualmente I sc2 y V oc2. Sitúe el cursor en el punto de máxima potencia para obtener los valores correctos en B5:B10). Posteriormente verifique (calcule y compare) los resultados obtenidos en las celdas D4:D10. En la misma hoja, rellene manualmente I sc3 y V oc3. Sitúe el cursor en el punto de máxima potencia para obtener los valores correctos en F5:F10). Posteriormente verifique (calcule y compare) los resultados obtenidos en las celdas H4:H10. Están ya realizados los cálculos de los coeficientes, tomando como datos los de las curvas 1-2 (en celdas D4:D10) y de las curvas 1-3 (en celdas H4:H10). Pruebe a realizar usted mismo los cálculos con los datos de las curvas 2 y 3. Preste especial atención para expresar el resultado obtenido como % respecto de la curva medida en Condiciones Estándar de Medida. Compare los nuevos valores con los obtenidos previamente y recalcule los valores promedio. Con el objetivo de aprender más, por qué no salen exactamente los mismos resultados con todas las curvas?: En todo proceso de medida existen multitud de factores que generan error, por lo cual el resultado suele expresarse como un valor promedio y un intervalo de incertidumbre. En la práctica, para el cálculo de los coeficientes de temperatura se mide un amplio conjunto (aprox. 10) de curvas a la misma irradiancia y a distintas temperaturas, representando posteriormente en gráficos separados la I sc, la V oc y la P mpp respecto de la Temperatura. El coeficiente será la pendiente de la regresión lineal efectuada en cada uno de dichos gráficos. Están ya realizados los cálculos de los coeficientes, tomando como datos los de las curvas 1-2 (en celdas D4:D10) y de las curvas 1-3 (en celdas H4:H10). Pruebe a realizar usted mismo los cálculos con los datos de las curvas 2 y 3. Preste especial atención para expresar el resultado obtenido como % respecto de la curva medida en Condiciones Estándar de Medida. Compare los nuevos valores con los obtenidos previamente y recalcule los valores promedio. PARTE 3 En la curva original, rellene los datos de I sc y V oc y sitúe el cursor en el punto de máxima potencia. Establezca la Irradiancia y Temperatura de la curva corregida. Complete los datos de I sc_corr. y V oc_corr. Pruebe a introducir usted mismo las fórmulas de las celdas de tensión (F15:F264) e intensidad (G15:G264) de la curva corregida, según las ecuaciones mostradas. PARTE 4 Caso Práctico 3

4 En la hoja ejercicio 4_propuesto seleccionar el año deseado para la observación y establecer el número de día del año de sus solsticios y equinoccios en las celdas (i5:l5). Conforme a las fórmulas estudiadas, determinar para los días considerados, el ángulo diario (i6:l6) y el ángulo de declinación (i7:l8). A partir de un valor horario cualquiera (entre 0 y 24 horas, seleccione 12 para obtener la máxima elevación solar del día), calcular el ángulo horario (celdas i10:l10). A partir de la latitud de las ciudades seleccionadas (para el ejemplo se han tomado las capitales de las Naciones del Área LAC, utilizando como fuente Google Earth, y convirtiendo las coordenadas mediante el conversor facilitado en las celdas A1:D5). La longitud se facilita únicamente a efecto informativo. A partir de los datos anteriores, utilizar la fórmula del ángulo de elevación solar para determinar los valores para cada día y ciudad (celdas i12:l24). En la tabla formada por las celdas (i27:l39), anotar los ángulos complementarios (ángulo cenital). Un módulo FV con orientación Norte en el Hemisferio Sur y orientación Sur en el Hemisferio Norte, y con elevación igual al ángulo cenital, recibe la radiación directa con una dirección normal o perpendicular a su plano. PARTE 5 En el archivo de ejercicios en la hoja saber mas_posición solar, se añade a modo de herramienta de cálculo, una utilidad de localización de la posición solar. PARTE 6 Se suministra el fichero Excel Irradiación Santiago de Chile.xls, donde se presentan los datos de irradiación horarios y a distintas inclinaciones para la ciudad de Santiago de Chile. Dichos datos han sido obtenidos con el programa Meteonorm, versión 6.1 Además se incluyen en dicho fichero los datos característicos de un módulo tipo en condiciones estándar de medida. Utilizando los datos contenidos en el fichero, en la pestaña de la hoja Excel irradiación Santiago de Chile calcula la energía anual (en kwh) generada por el módulo tipo indicado en esa misma hoja, suponiendo que éste estuviera colocado en horizontal y a alguna de las inclinaciones para las que se suministran datos de radiación. Calcula también las energías mensuales en kwh. NOTA: En el mismo fichero se suministra la solución. La pestaña datos calculos suministra los cálculos horarios para cada inclinación. La pestaña solución muestra la energía generada para cada mes y anual. Además, las pestañas Graf energía y graf temps muestran algunos gráficos de interés. PARTE 7 Pretendemos estimar el tamaño de los componentes del sistema fotovoltaico de un pequeño hospital rural que consta de diez habitaciones, un despacho médico, una sala de curas, una sala comunitaria multiusos (para visitas, esparcimiento de los pacientes y personal de hospital etc). En el fichero Hospital Rural DATOS+SOLUCION.xls hoja Consumos diarios se detallan los equipos (cargas) que se pretenden instalar, la potencia que consumen, el número de horas diarias que se estima que va a conectarse cada equipo y si funcionan conectadas a inversor o regulador. Se sugiere que los ejercicios se realicen en las celdas en verde que aparecen en cada hoja del fichero. El fichero incorpora para cada una de las hojas de cálculo con datos, una hoja de cálculo de idéntico nombre que incorpora la palabra solución conteniendo tanto los datos como la resolución de cada problema. Caso Práctico 4

5 En la pagina "carga y batería figuran los datos de los componentes del sistema fotovoltaico: Se van a suponer unos datos iniciales para los inversores, reguladores y baterías y cables. Una vez realizado el cálculo es posible que estos datos genéricos no coincidan plenamente con los de los dispositivos reales. Suponiendo que se requieren 7 días de autonomía y que las baterías instadas así como las cargas de CC funcionan a 24 V, calcular el valor de la energía diaria requerida y de la capacidad de la batería. Tenga en cuenta que en este sistema el regulador precede al inversor y por tanto la eficiencia del regulador afecta tanto a las cargas de CC como a inversor y las cargas de CA. En cuanto al inversor Qué potencia nominal propondría?. Anteriormente se calcularon las energías medias mensuales por metro cuadrado a diferentes inclinaciones (horizontal, 23 0, 33 0 y 43 0 ) cerca de Santiago de Chile. A partir de ese cálculo y siguiendo el método propuesto en este curso, calcule la tabla de Horas Solares Pico diarias para cada mes (ignorar meses bisiestos). Calcule el tamaño e inclinación óptimos del generador solar, considerando los valores de inclinación presentados en la tabla. Tenga en cuenta que en la tabla de consumos se consideran consumos diarios y en la tabla de radiación se dan valores medios mensuales. Resuelva el caso y compárelo con la respuesta tipo que se le entregará (esta actividad no es evaluable). DURACIÓN ESTIMADA Duración 4 h Caso Práctico 5

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