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TEMA:
Implementación de un sistema fotovoltaico
2. OBJETIVOS
2.1OBJETIVO GENERAL
Realizar un estudio de la aplicación de un sistema fotovoltaico mediante el análisis de varias referencias bibliográficas y el análisis de trabajos precedentes para la interpretación de resultados y diseño final en el área residencial.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
·
Revisar los fundamentos
teóricos para la aplicación de un sistema fotovoltaico.
·
Analizar fórmulas para el
cálculo correspondiente.
· Representar el diseño de un sistema fotovoltaico en planos CAD.
3. MARCO TEÓRICO
3.1 ENERGÍAS RENOVABLES
Las
energías renovables son aquellas que se producen de forma continua y son
inagotables a escala humana; se renuevan continuamente, a diferencia de los
combustibles fósiles, de los que existen unas determinadas cantidades o
reservas, agotables en un plazo más o menos determinado. Las principales formas
de energías renovables que existen son: la biomasa, hidráulica, eólica, solar,
geotérmica y las energías marinas. Las energías renovables provienen, de forma
directa o indirecta, de la energía del Sol; constituyen una excepción la
energía geotérmica y la de las mareas
Las fuentes energéticas renovables tienen la
característica de ser relativamente limpias, e inagotables, aunque dependen en
alto grado de la situación climatológica de cada zona para su nivel de
producción eléctrica. Al clasificar una fuente energética basta el asociar por
lo general dos conceptos básicos: el aprovechamiento de la energía natural del
planeta, lo que permite una fuente inagotable de flujo energético, y la no
generación de residuos tóxicos como consecuencia directa de su utilización; la
unión de estos conceptos define a las energías respetuosas con el medio
ambiente
Para
la región de América Central, las tecnologías de energía renovable a pequeña
escala presentan una alternativa económica y ambiental factible para la
provisión de energía a comunidades rurales remotas y para la expansión de la
capacidad eléctrica instalada, ya sea por medio de sistemas aislados o por proyectos
conectados a la red eléctrica.
3.1 Radiación solar
La
radiación solar, es la energía procedente del sol en forma de ondas
electromagnéticas, que van desde el infrarrojo hasta el ultravioleta; que se
propagan en todas las direcciones a través del espacio. Aproximadamente la
potencia radiante que llega a la tierra es de 1353 W/m2, sin embargo no es la
que finalmente alcanza la superficie terrestre debido a la influencia de los
fenómenos atmosféricos como: reflexión en las nubes y absorción gases de la
atmosfera.
La
radiación solar según
• Radiación directa:
es la radiación que nos llega directamente del Sol; sin haber incidido con nada
por el camino y, por tanto, sin haberse desviado ni cambiado de dirección. Esta
radiación es la que produce las sombras. Es el tipo de radiación predominante en
un día soleado.
• Radiación difusa:
es la radiación que nos llega después de haber incidido con cualquier elemento
de la atmósfera (polvo, nubes, contaminantes, etc.), por lo que ha cambiado de
dirección. Es el tipo de radiación predominante en un día nublado.
• Radiación reflejada o
albedo: es la radiación reflejada por la
superficie terrestre; cobra importancia en las zonas con nieve, con agua (como
cerca del mar o de una presa) o cualquier otra zona donde la reflexión sea
importante.
• La radiación global:
es la suma de la radiación directa y la radiación difusa.
Para determinar la radiación solar
en Ecuador el Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC) en el año 2008 publicó
el Atlas Solar del Ecuador con fines de generación eléctrica, en el cual se
muestran datos mensuales de la radiación solar directa, difusa y global.
Figura
1 Insolación global promedio del Ecuador
3.1.1 Geometría Solar
Indica
el recorrido del sol en el cielo y de su localización según la fecha y hora,
buscando como objetivo determinar su interacción con planos y volúmenes en el
espacio, en función a su ubicación relativa. Para el cálculo de la producción
energética de una generadora fotovoltaica es indispensable conocer la
irradiación solar en el plano correspondiente a la instalación y la trayectoria
solar del lugar.
El
movimiento del sol será determinado por un sistema de coordenadas con dos
ángulos, que permite saber cada movimiento donde se encuentra.
Altura solar:
es el ángulo formado por la posición aparente del sol en el cielo con la
horizontal del lugar.
Azimut solar:
es el ángulo horizontal formado por la posición del sol y la dirección del
verdadero sur.
Figura
2
Geometría solar
Se
define la orientación mediante azimut del sol, el ángulo que forma la dirección
sur con la proyección horizontal del sol, hacia el norte por el noreste o por
el noroeste, considerando la orientación sur con ψ=0°, y considerando los
ángulos entre el sur y el noreste negativos y entre el sur y el noroeste
positivos.
El
ángulo de incidencia no demuestra la cantidad de radiación incidente sobre la
superficie vertical y está relacionado con la altitud solar.
𝜃=90°−𝜙
Los
dos ángulos proporcionan información útil sobre la luz solar entrante en un
objeto o estructura. Mediante la incorporación de un sistema que se adapte al
ángulo de incidencia del sol, se puede controlar mejor el ángulo de incidencia
en una superficie.
Horas del sol pico
(H.S.P)
Se
define como las horas de luz solar por día equivalente en función de la
irradiancia constante e igual a 1 kW/m2; Dado que la irradiación H, es igual al
producto de la irradiancia de referencia por las horas pico solar, entonces los
valores numéricos de la irradiación y horas pico solar son iguales.
La
Irradiancia que es la potencia radiante incidente por unidad de superficie es
máxima en el Ecuador y disminuye hacia los polos.
3.1.1 Medición de la
radiación solar
Existen
diversos métodos para el cálculo de la radiación solar; en algunos casos el
dato es entregado en forma de irradiancia, y en otros casos en forma de
irradiación.
Piranómetro:
Este equipo mide la irradiancia global; su principio de funcionamiento se basa
en dos sensores de temperatura, en los cuales uno de ellos se encuentra
libremente expuesto a la radiación solar en un plato de absorción negro, y el
segundo sensor se encuentra protegido de la misma. Estando los dos sensores a
iguales condiciones, exceptuando la exposición directa a la radiación; la
diferencia de temperatura entre ellos es directamente proporcional a la
irradiancia, por lo cual se obtiene la medición deseada.
Piroheliómetro:
Es un instrumento que posee un sistema automático de seguimiento solar; el cual
se enfoca directamente a él y mide exclusivamente la radiación directa y la de
su alrededor.
3.5 Energía solar
fotovoltaica
En la publicación
de
3.8 Conceptos fundamentales
Es
importante conocer los conceptos que permiten realizar el análisis y
dimensionamiento de los paneles, en el trabajo presentado por
Irradiación: Es
la cantidad de energía recibida en un período de tiempo y su unidad de medida
es el [𝑊∙ℎ/𝑚2].
Irradiancia:
Es la potencia recibida en un instante y su unidad de medida es [𝑊/𝑚2].
Hora solar pico:
Las horas solar pico (HSP), se pueden definir como la cantidad de horas del día
en las cuales posiblemente se dispone de una irradiancia solar constante de
1000 W/m2.
Ángulo de incidencia:
Es el ángulo con el cual los rayos del sol impactan una superficie. Para el
caso de los módulos fotovoltaicos lo ideal es utilizar un seguidor solar para
maximizar la cantidad de energía captada, ya que para éstos, un ángulo de
incidencia de 90 ° es lo óptimo, pero solo se alcanza dicho ángulo al medio día
si el módulo esta fijo en una posición horizontal.
Orientación y ángulo de
inclinación: En los sistemas de baja potencia, lo
ideal es tener una orientación y un ángulo de inclinación fijos, para reducir costos
de instalación y mantenimiento. La orientación de los módulos se debe hacer con
respecto al Ecuador, así, para los sitios ubicados al sur del Ecuador se deben
orientar hacia el norte geográfico y los ubicados al norte, hacia el sur
geográfico; el ángulo de inclinación depende de la ubicación geográfica del
sitio.
Angulo de incidencia de radiación solar: Es el ángulo formado por la línea que se forma entre la radiación directa del Sol sobre la superficie captadora, y la perpendicular al captador. Para tener una mejor captación de energía los receptores solares trabajan mejor con una inclinación y un azimut.
3.5.1 Panel fotovoltaico
Según
Figura
3 Sección
del módulo fotovoltaico
Un módulo fotovoltaico está fabricado de manera compacto, en el cual van a ir encapsuladas las células fotovoltaicas entre dos capas de EVA (etileno, vinilo y acetato) un vidrio en la parte superior y por un material aislante llamado tedlar (polímetro termoplástico) en la parte posterior, para luego enmarcarlo con un marco de aluminio, a la que se le agrega en la parte posterior la caja de conexiones del panel fotovoltaico.
Es el elemento fundamental de todo
sistema fotovoltaico debido a que capta la energía electromagnética proveniente
del sol y generar una corriente eléctrica y su elemento principal es el silicio.
Las células fotovoltaicas están compuestas por una delgada capa de material
tipo n (electrón libre) y otra de mayor espesor de material tipo p (hueco
disponible), en la unión de estas capas se forma el campo eléctrico. Además se
coloca un conductor externo que conecta la capa negativa a la positiva,
generándose así el flujo de electrones o corriente eléctrica desde la zona p a
la zona n. La superficie de la zona n es la de la cara que se ilumina y
mientras siga siendo iluminada por la luz del sol habrá corriente eléctrica y
su intensidad será proporcional a la cantidad de luz que reciba
Figura
4 Célula Fotovoltaica
Parámetros de los módulos
Es necesario establecer una relación entre los parámetros eléctricos del panel solar con las condiciones climáticas a las que están expuestos, ya que estos parámetros varían dependiendo de la zona en donde se encuentren ubicados.
Es por esto que los fabricantes de
paneles solares, para referenciar la potencia que entregan sus equipos,
establecen condiciones estándares llamadas STC que son las siguientes:
Temperatura de célula: 25 °C
Radiación Solar: 1000 W/m2
Masa de aire: 1.5 AM
Los parámetros eléctricos más representativos que proporcionan los fabricantes son los siguientes:
Potencia pico: Es la potencia más alta que puede generar un módulo fotovoltaico. Corresponde al punto de la curva característica en la que el producto V*I es máximo.
Tensión de Máxima Potencia (VPMP): Es la tensión correspondiente al punto de máxima potencia de la curva característica del módulo fotovoltaico.
Intensidad de Máxima Potencia (IPMP): Es la corriente correspondiente al punto de máxima potencia de la curva característica del módulo fotovoltaico.
Tensión de Circuito Abierto (VOC): Es la máxima tensión que puede generar del módulo fotovoltaico con sus terminales en circuito abierto.
Intensidad de Cortocircuito (Isc): Es la máxima corriente que puede generar el módulo fotovoltaico con sus terminales cortocircuitados.
Factor
de forma (FF):
Es el valor correspondiente al cociente entre Pmax y el producto Isc*Voc. Este valor viene dado en tanto por ciento. Siendo el 100% el valor ideal, es decir en el mejor de los casos con las condiciones climáticas ideales. Este factor nos da una idea de la calidad del dispositivo fotovoltaico. Si el FF es más cercano al 100% es mejor el dispositivo fotovoltaico.
3.5.2 Tipos de células
La célula solar se fabrica mediante la cristalización de silicio y de ello aparecen tres tipos principales:
•
Silicio monocristalino:
utiliza lingotes puros de silicio (los mismos que utiliza la industria de chips
electrónicos). Son los más eficientes, con rendimientos superiores al 12%.
• Silicio policristalino: se fabrica a partir de restos de piezas de silicio monocristalino. Su rendimiento es algo inferior pero su menor coste ha contribuido enormemente a aumentar su uso.
•
Silicio amorfo:
se obtiene por deposición de capas delgadas sobre vidrio. El rendimiento es
bastante menor que los anteriores, por lo que su uso se limita a aplicaciones
de pequeña potencia como calculadoras, relojes, etc.
Figura 5 Uniones covalentes del silicio (Schallenberg, Hernández,, & Unamunzaga 2008)
3.6 Sistemas de generación fotovoltaica
En
el trabajo de
3.6.1 Sistemas aislados
Los
sistemas aislados de red son mecanismos de diseño pensados principalmente para
zonas en la cuales no exista la red pública y la demanda de energía sea
abastecida únicamente con la producción del sistema fotovoltaico.
Este
tipo de sistemas, se pueden dividir en dos clases: con o sin acumulación de
energía; aunque los sistemas que no hagan uso de baterías son extremadamente
raros, ya que el consumo únicamente será limitado a momentos con presencia de
radiación solar.
En
la electrificación de viviendas, el consumo puede ser demandado por cargas de
corriente directa y alterna. Sin embargo, vale indicar que en sistemas
fotovoltaicos es preferible usar en lo posible cargas del tipo cd para evitar
pérdidas producidas por el inversor de corriente.
Las
instalaciones domésticas pueden ser diseñadas de forma que el suministro de
energía sea centralizado o descentralizado. El primer tipo se maneja con un
generador fotovoltaico único y una línea de distribución que alimenta a cada
una de las viviendas; este sistema requiere además de un inversor de corriente
ya que el suministro únicamente se lo realiza en ca.
Las
ventajas que proporciona este modelo es que el número de componentes se ve
reducido, aunque el costo debe ser analizado sumándose el tendido de una línea
de distribución más sus acometidas.
El
segundo sistema se compone de un generador fotovoltaico para cada vivienda; y
aunque el número de módulos y equipos eléctricos aumenta, el sistema
descentralizado ofrece independencia absoluta en su uso.
Figura
6 Esquema de un sistema aislado
3.6.2 Sistemas conectados a la red
Un sistema fotovoltaico conectado
a la red consiste de un generador fotovoltaico acoplado a un inversor que opera
en paralelo con la red eléctrica convencional. El generador fotovoltaico capta
la radiación solar y la transforma en energía eléctrica para entregarla a la
red eléctrica de distribución.
Los sistemas fotovoltaicos conectados a red se caracterizan por ser sistemas no contaminantes que contribuyen a reducir las emisiones de gases nocivos, y además aporta el uso de recursos naturales locales para la generación de energía y evitar la dependencia del mercado exterior del petróleo.
Figura
7 Esquema de un sistema conectado a la red
3.7 Componentes de un
sistema fotovoltaico
Un
sistema fotovoltaico está compuesto de varios elementos necesarios para su
correcto funcionamiento y control. Estos equipos son el generador fotovoltaico,
el regulador e inversor de corriente, baterías y equipos para mantener estables
los sistemas de protección y medición.
Figura
8 Equipos
que componen un sistema fotovoltaico
3.7.1 Panel fotovoltaico
Generan
electricidad a partir de la energía del Sol en corriente continua (CC). El panel
fotovoltaico es el equipo principal en toda instalación solar. Generalmente
está compuesto de 36 células fotovoltaicas conectadas en serie para alcanzar
una tensión suficiente para recargar baterías de 12V considerando las
respectivas caídas de tensión. La potencia de salida depende exclusivamente de
las características de sus celdas y su respectiva curva V-I
3.7.2 Regulador de carga
Controla el proceso de carga y descarga de las baterías, evitando sobrecargas y descargas profundas y alargando así la vida útil de las baterías.
3.7.3 Inversor
El
inversor es el equipo que sirve para adaptar la forma de corriente producida en
el módulo fotovoltaico a la forma requerida por la carga. La forma de corriente
generada en los paneles es del tipo continua (CC) mientras que la mayor parte
de los cargas en una vivienda funcionan con corriente del tipo alterna (AC); es
por tanto obligatorio buscar una conversión.
3.7.4 Baterías
Almacenan
la electricidad generada por los paneles para poder utilizarla, por ejemplo, en
horas en que la energía consumida es superior a la generada por los módulos.
Además en un sistema fotovoltaico es fundamental el diseño protecciones con su respectiva
coordinación.
3.8 Parámetros de los paneles
Es
importante conocer los parámetros que permiten realizar el dimensionamiento de
los paneles y así obtener el mayor rendimiento y eficacia. En el trabajo
presentado por
Irradiación: Es
la cantidad de energía recibida en un período de tiempo y su unidad de medida
es el [𝑊∙ℎ/𝑚2].
Irradiancia:
Es la potencia recibida en un instante y su unidad de medida es [𝑊/𝑚2].
Hora solar pico:
Las horas solar pico (HSP), se pueden definir como la cantidad de horas del día
en las cuales posiblemente se dispone de una irradiancia solar constante de
1000 W/m2.
Ángulo de incidencia:
Es el ángulo con el cual los rayos del sol impactan una superficie. Para el
caso de los módulos fotovoltaicos lo ideal es utilizar un seguidor solar para
maximizar la cantidad de energía captada, ya que, para éstos, un ángulo de
incidencia de 90 ° es lo óptimo, pero solo se alcanza dicho ángulo al medio día
si el módulo este fijo en una posición horizontal.
Orientación y ángulo de
inclinación: En los sistemas de baja potencia, lo
ideal es tener una orientación y un ángulo de inclinación fijos, para reducir
costos de instalación y mantenimiento. La orientación de los módulos se debe
hacer con respecto al Ecuador, así, para los sitios ubicados al sur del Ecuador
se deben orientar hacia el norte geográfico y los ubicados al norte, hacia el
sur geográfico; el ángulo de inclinación depende de la ubicación geográfica del
sitio.
Angulo de incidencia de radiación solar: Es el ángulo formado por la línea que se forma entre la radiación directa del Sol sobre la superficie captadora, y la perpendicular al captador. Para tener una mejor captación de energía los receptores solares trabajan mejor con una inclinación y un azimut.
3.9 Protecciones en un sistema fotovoltaico
3.9.1 Protección contra sobreintensidades.
En
el circuito que va del generador fotovoltaico al regulador de carga, la
intensidad máxima que puede aparecer corresponde con la corriente de
cortocircuito, limitada por el propio generador (𝐼𝐺𝑆𝐶).
En las ramas o módulos fotovoltaicos en paralelo que forma el generador,
también está limitada la corriente al valor de cortocircuito de un módulo (𝐼𝐺𝑆𝐶).
Para
proteger a cada rama o modulo en paralelo frente a esta situación se puede
poner diodos de bloqueo, o disponer de algún dispositivo de protección contra
sobreintensidades, como pueden ser fusibles o interruptores automáticos
magnetotérmicos.
Fusibles: Se dimensiona
para actuar entre 1,5 y 2 veces la corriente de cortocircuito (𝐼𝑆𝐶).
Si la tensión del generador fotovoltaico es elevada se debe comprobar que la
tensión asignada al fusible soporta 1,2 veces la tensión de circuito abierto
del generador.
Además
de las protecciones mencionadas, las ramas en paralelo del generador y este
mismo tiene que disponer de un dispositivo de maniobra que permita su
desconexión del resto de instalación.
Interruptor general del generador: Es un interruptor que tiene que estar preparado para abrir o cerrar el circuito en condiciones de servicio. Se dimensionan para soportar la corriente de cortocircuito del generador y la tensión de circuito abierto del generador.
3.9.2 Protección contra sobretensiones
Para la protección contra las sobretensiones que pueden producirse en el generador fotovoltaico por descargas atmosféricas se deben instalar protectores contra sobretensiones en la caja de conexiones del generador, conectados entre el positivo y negativo y la toma de tierra
Aislamiento y puesta a tierra: Los módulos del generador fotovoltaico y los materiales utilizados en la instalación eléctrica deben tener un aislamiento clase II. Los marcos metálicos de los módulos y la estructura soporte del generador fotovoltaico estarán conectados a tierra mediante conductor de cobre de sección mínimas de 16 𝑚𝑚2.
Protección del inversor y los circuitos de utilización: Son circuitos de c.a y las protecciones son corta sobrecargas y cortocircuitos mediante interruptores automáticos magnetos térmicos y contra contactos directos e indirectos mediante interruptor diferencial.
4.
DIMENSIONAMIENTO
PRÁCTICO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
Según
4.1 Determinación de la carga.
Para esto debemos conocer la potencia de la carga a alimentar. Tenemos que conocer el rendimiento del inversor que vamos colocar para obtener la corriente alterna, ya que en función de esta debemos determinar la potencia total necesaria para que funcione correctamente la instalación. El rendimiento lo obtenemos de las hojas de características del aparato.
η= Es el rendimiento del inversor generalmente considerado entre el 90 %.
𝐸𝐴𝐶= Consumo de energía.
4.2
Potencia del Generador.
Para
el cálculo de la potencia vamos a utilizar un factor de seguridad o también
conocida como el factor de diseño, el cual dimensionará la potencia de los
módulos fotovoltaicos.
El
factor de seguridad suele ser un número entre 1,1 y 1,4. Normalmente es un
parámetro de diseño de la instalación, y en la fórmula, todo son datos menos el
valor de la potencia nominal del generador, que será la incógnita que
despejamos de la misma.
β= Es el ángulo óptimo de instalación de los paneles
solares.
𝐺𝑑(𝛽)= es la radiación para el peor mes sobre el que se
hace el diseño, para el ángulo de inclinación de los paneles.
𝐼𝑆𝑇𝐶= Es la irradiancia en condiciones
estándares de medida (STC). Su valor es de 1000 𝑊/𝑚2
𝐿𝑑𝑚= Es el consumo medio estimado de energía.
Se mide en W.h.
𝑃𝐺 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙= Es la potencia del generador
fotovoltaico.
𝐹𝑆𝐺= El factor de seguridad.
4.3 Número de paneles
fotovoltaicos.
Se determina a partir de la potencia pico del
generador y la potencia pico del módulo fotovoltaico.
4.4 Cálculo de regulador de carga.
Con tal objetivo,
debemos tomar el valor de 𝐼𝑆𝐶 del panel solar que hayamos elegido para
la configuración del generador fotovoltaico. Para calcular la corriente de
carga del regulador aplicamos la siguiente formula:
𝑁𝑃= Es el número de paneles del sistema.
𝐼𝑆𝐶= Es la corriente de corto circuito, en si
es la corriente máxima.
Hay que añadir un margen de seguridad para evitar que
el regulador trabaje al límite de la corriente máxima que debe soportar el
regulador. Para ello, se suele utilizar un margen de seguridad del 10%. Así
pues, para obtener el valor de la corriente del regulador hay que sumarle el
10% de la corriente máxima que va a soportar.
4.5 Cálculo del inversor
El cálculo del inverso se lo realiza sumando todas las
cargas de corriente alterna como radio, tv, focos, motores, entre otros. “Por
último, para el cálculo del inversor, únicamente hemos de calcular la suma de
las potencias de las cargas de alterna”. Como se aprecia en la expresión:
4.6 Conductores de la instalación
fotovoltaica.
Elegir una sección adecuada es importante, ya que una
mala elección puede suponer una caída de tensión más elevada en el conductor,
lo que se traduce en un aumento de la corriente y su correspondiente aumento de
la temperatura.
4.6.1. Cálculo de la
sección.
Hay que diferenciar entre la tensión que alimenta al
circuito de corriente continua (panel, regulador y batería) y el de corriente
alterna (vivienda).
·
En corriente continua
Para el cálculo de la sección de un cable se debe conocer:
el material que lo compone (cobre o aluminio y su conductividad -k-), la
longitud del cable (l) en metros, la corriente que atravesará el conductor (I)
en amperios y la caída de tensión entre sus extremos (U) en voltios. La
selección del cable se calcula utilizando la siguiente ecuación:
El valor de la conductividad (k) dependerá del
material utilizado.
- Cobre: 56 𝑚𝛺𝑚𝑚2⁄
- Aluminio 35 𝑚𝛺𝑚𝑚2⁄
La caída de tensión (U) se calcula para un porcentaje
de la tensión, que variara en función de los equipos que interconecta:
- Caídas de tensión entre generador y
regulador/inversor: 3%.
- Caídas de tensión entre regulador y batería: 1%.
- Caídas de tensión entre inversor y batería: 1%.
- Caídas de tensión entre regulador e inversor: 1%.
- Caídas de tensión entre inversor/regulador y
equipos: 3%.
·
En corriente alterna
“El cálculo en corriente alterna monofásica se basa en
el reglamento electrotécnico de baja tensión (REBT) en el cual se establece una
caída de tensión del 3% para viviendas y un 5% para la industria”. Entonces las
dimensiones se realizarán en base al circuito de distribución interna en
instalaciones residenciales.
