Dimensionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas
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- Vicente Cáceres Barbero
- hace 8 años
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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 insix@vtr.net 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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