Como dimensionar una instalación fotovoltaica

Como he visto que los casos de ejemplo de cálculo ayudan a resolver muchas dudas sobre cómo implementar instalaciones fotovoltaicas, hoy os voy a enseñar cómo dimensionar una instalación fotovoltaica autónoma aislada.

Como ejemplo tomaremos una vivienda rural que se ocupa los fines de semana y que requiere de unos servicios eléctricos mínimos.

Para Dimensionar una instalación fotovoltaica autónoma (aislada de red), es importante establecer un equilibrio entre la demanda energética y el coste económico de la instalación.

Cálculo de consumo energético

Primero necesitamos saber el consumo energético, es decir cuanta energía consumiremos con la instalación que vamos a realizar. Este dato lo obtendremos de sumar la electricidad que consumen cada uno de los aparatos eléctricos de la casa y multiplicarlo por las horas que se utilizan al día.

Así , entonces si sumamos los consumos parciales obtenemos el consumo total estimado para nuestra casa de ejemplo.

Total consumo por día estimados (Cde) = 3695 Wh/día

Aplicamos el rendimiento de la instalación del 75% para calcular la energía necesaria para abastecer la demanda:

Total energía necesaria (Ten) = Cde / 0.75 = 4926 Wh/día

Radiación solar disponible

Para obtener la radiación solar incidente , se pueden consultar tablas con estimaciones ya existentes. Una buena aplicación para obtener estos datos es PVGIS  (Photovoltaic Geographical Information System – European Commission, Joint Research Center) que tiene una plataforma on-line desde donde se pueden obtener los datos de insolación para toda Europa de forma fácil y rápida.

Vamos a suponer que nuestra instalación se encuentra en Alicante, utilizando la aplicación PVGIS obtenemos los siguientes valores:

Para asegurarnos que cubriremos la demanda durante todo el año escogemos el mes más desfavorable de radiación, que en nuestro caso vemos que es diciembre con 3,87 Kwh – m2/día.

Ahora que conocemos la radiación solar incidente, la dividimos entre la radiación solar incidente que utilizamos par calibrar los módulos (1KW/m2), y obtenemos la cantidad de horas sol pico(HSP), en nuestro caso este valor no cambia, pero utilizaremos el concepto HSP, que es el número de horas equivalente que tendría que brillar el sol a una intensidad de 1 KW /m2 para obtener la insolación total de un día, ya que la intensidad del sol varía a lo largo del día

HSP = radiación solar / 1KW/m2 = 3,87 HSP

Los paneles solares

Ahora debemos calcular el número de paneles (módulos o placas solares) en función de las condiciones de radiación más desfavorables. Para realizar este cálculo he elegido módulos de 250 W, con una corriente máxima de 8,69 A, a 24V. Este dato lo obtenemos de las características técnicas de los paneles solares elegidos según cada modelo y fabricante.

Aquí te presento dos escenarios diferentes para calcular la cantidad de paneles solares que necesita nuestra instalación fotovoltaica para abastecer la demanda de energía establecida.

1. Para instalaciones de uso diario utilizaremos la fórmula:

Número de paneles = energía necesaria / HSP * rendimiento de trabajo * potencia pico del panel solar

El rendimiento de trabajo se refiere a las pérdidas producidas por el deterioro de los paneles solares y/o ensuciamiento de los mismos (normalmente es 0.7 – 0.8)

Número de paneles para instalación de uso diario (Npd):

Npd = 4926 / 3.87 * 0,8 * 250 = 6,36 (7 paneles solares)

2. Para instalaciones de fin de semana utilizaremos la fórmula

Número de paneles = 3 * energía necesaria / HSP * rendimiento de trabajo * 7* potencia pico del panel solar

Número de paneles para instalación de uso para fin de semana:

Npfd = 3 * 4926 / 3,87 * 0,8 * 7 * 250 = 2,72 (3 paneles solares)

Como hemos elegido una casa que se usará los fines de semana, de ejemplo, entonces necesitaremos tres paneles solares de 250 W cada uno. Oserva que la demanda energética que he establecido como ejemplo es para suplir unas necesidades muy básicas, si se introducen consumos más altos en el cálculo del consumo energético nos resultará una cantidad de paneles mayor.

Con los paneles elegidos de 250 Watios pico (Wp), tendremos una instalación solar de 750 Wp (3 x 250).

Teniendo en cuenta que los paneles solares que hemos escogido trabajan a 24V, si queremos una instalación que trabaje a 48V, realizamos una asociación en serie de dos paneles y luego este grupo asociarlo en paralelo con el otro panel solar. El voltaje de funcionamiento dependerá de las baterías que elijamos para nuestro sistema de acumulación.

Para nuestro ejemplo utilizaremos un sistema de 24 V, para lo cual sólo tendremos que disponer los tres paneles solares en serie.

Las Baterías

Para obtener la capacidad de las baterías de acumulación , primero tendremos que definir la autonomía deseada, como prevención por tener días desfavorables sin insolación por abundante nubosidad.

En nuestra vivienda ejemplo prevemos un uso sólo para los fines de semana, por lo tanto basta con establecer la máxima autonomía en 3 días. Para el abastecimiento diario de casas rurales podríamos establecer entre 4-6 días, aunque este valor se puede reducir si contamos con un sistema de apoyo, como un grupo electrógeno.

Capacidad de la batería = energía necesaria * días de autonomía / voltaje * profundidad de descarga de la batería

La profundidad de descarga depende de la batería que escojamos para nuestro sistema de acumulación. Hoy en día en el mercado encontramos baterías cuya profundidad de descarga oscila entre el 30% – 80%. Para nuestro caso escogeremos una batería que tolere una descarga de hasta un 30% ya que remos que duren mucho tiempo.

Capacidad de acumulación = 4926 * 3 / 24 * 0,3 * = 2052,50 Ah (c100)

Nuestra capacidad de acumulación necesaria será de 2052,50 Amperios hora (Ah). El valor c100 nos indica que la capacidad de la batería será suministrada por ciclos de descarga de 100 h, que es la frecuencia de descarga normalmente establecida en electrificación rural.

La elección del sistema de acumulación necesita diferentes comprobaciones para que el sistema tenga un óptimo rendimiento y dure mucho tiempo. Los sistemas de acumulación necesitan una mínima intensidad de carga para asegurar que las baterías carguen correctamente y evitar que tengan una vida útil más corta de la esperada.

Con este artículo pretendo dar un ejemplo básico del dimensionado de una instalación fotovoltaica, pero una vez que conoces la capacidad necesaria para tu instalación, te recomiendo contactar con nuestros especialistas para saber más detalles o información sobre las características técnicas de un sistema o fabricante en concreto de acumuladores.

El regulador de carga

Aunque actualmente se pueden encontrar en el mercado reguladores inteligentes que implementan el inversor como todo un elemento, aquí los describo por separado para que sepas de que va cada uno y los parámetros a tener en cuenta a la hora de la selección.

El Regulador de carga solar, como su nombre nos indica regula la carga proveniente de los paneles solares para que la carga de la baterías se lleve de la manera más optima posible y protegiendo el sistema de acumulación de sobrecargas. Los reguladores de carga vienen determinados por la intensidad máxima de trabajo y por el voltaje en que hayamos diseñado nuestra instalación.

Para determinar el cargador necesario para nuestra instalación, necesitamos saber la intensidad máxima de trabajo y el voltaje. El voltaje máximo de trabajo lo podrás encontrar en las características técnicas del panel solar el cual viene determinado como Isc (coriente de corto circuito).

El calculo del regulador necesario viene dado por:

Número de paneles * Corriente máxima de cada panel / (voltaje de la instalación / Voltaje de los paneles)

Para nuestro caso: 3 *8,69 A / (24/24) = 26

Necesitamos un regulador de 26 Amperios a 24 Voltios

El Inversor

El inversor es el que convierte la corriente directa (DC) que proviene de las baterías o directamente de los paneles solares en corriente alterna (AC) que es la que necesitamos para que funcionen nuestros aparatos eléctricos.

la potencia del inversor la tendremos que elegir en función de la suma de todas las potencias nominales de los equipos multiplicado por el coeficiente de simultaneidad de uso de estos (estos valores van de 0,5 – 0,7). En nuestro ejemplo la potencia estimada es 1320 W.

Potencia del inversor = 1320 * 0,70 = 924 W

Entonces, con un inversor de 1000 W sería suficiente para nuestro ejemplo, siempre cuando utilicemos sólo los aparatos previstos inicialmente. Siempre podremos establecer una potencia mayor por si necesitamos otro electrodoméstico de mayor consumo.

Magnifico ya tenemos nuestra instalación fotovoltaica perfectamente calculada. Esta instalación estaría preparada para su utilización los fines de semana incluso en los días menos soleados de diciembre

Podemos cambiar todos los parámetros que queramos para adaptarla de a cuerdo a nuestras necesidades, pero siempre teniendo en cuenta que una que una instalación de este tipo no puede utilizarse como una instalación conectada a red eléctrica, ya que una vez se termina la batería con la demanda estimada para ese día, hasta el día siguiente no podemos enchufar nada. Aconsejo que los consumos más elevados deben hacerse durante el día y cuando el sol está en su punto más alto, así cuidaremos las baterías.

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