Instalación solar fotovoltaica

Cómo calcular una instalación solar fotovoltaica

Os vamos a dar un ejemplo de cálculo solar, que es como se resuelven muchas de las dudas que tenemos los que empezamos en la energía solar.

 Vamos a mostrar cómo dimensionar una instalación solar fotovoltaica autónoma paso a paso.

 

Es fundamental un correcto dimensionamiento tanto para poder abastecer con garantías la demanda energética que tengamos, como también para acotar el coste económico de la instalación, en el caso de una instalación de energía solar fotovoltaica autónoma (aislada de la red).

 

Vamos a poner un ejemplo, tenemos que electrificar un casa, sin conexión eléctrica a la red en una zona rural, que será utilizada por una familia de 4 personas los fines de semana. 

1 ¿Como calcular los consumos estimados?

Para el ejemplo, estimamos los equipos básicos que necesitaremos y que consuman energía:

    -Bombillas, somos una familia que, se queda hasta altas horas de la noche, 6 bombillas led de 5w, 10 horas 5x6x10=300Wh

    -Televisor, 1 unidad led de 42" que consume 70w, 6 horas, 6x70=420Wh

    -La consola de los niños, 3 horas, 140w, más el televisor de 32", 55w, (3x140)+(3x55)=585Wh

    -Ordenador portátil conectado a la red 4 horas, 70w, 4x70=280Wh

    -Bomba de agua de 0.5HP, 1 horas, 360Wh

    -Nevera 24 horas, 200w (12horas con el motor en marcha apróximadamente), 12x200=2400Wh

    -Microondas media hora, 0,5x800w=400Wh

    -Tendreis que estimar cualquier otro consumo que podais tener, recarga de móviles, hornos, agua caliente, etc

El total de los consumos estimados que tenemos en este ejemplo es de 4747Wh y día.

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

Total energía necesaria (Ten) = Cde / 0,75 = 6329 Wh/día

2 Raciación solar disponible a lo largo del año

 La radiación solar incidente, se calcula con tablas de estimaciones ya existentes. Una buena fuente de estas estimaciones es la aplicación 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.

Suponiendo que nuestra instalación está en Cádiz, obtenemos estos resultados con PVGIS

Rendimiento del sistema FV conectado a red

NOTA: antes de utilizar estos cálculos para nada serio, debería leer [esto]

PVGIS estimación de la producción de electricidad solar

Lugar: 36°18'59" Norte, 5°52'19" Oeste,Elevación: 40 m.s.n.m,


Base de datos de radiación solar empleada: PVGIS-CMSAF

Potencia nominal del sistema FV: 1.0 kW (silicio cristalino)
Pérdidas estimadas debido a la temperatura y niveles bajos de irradiancia: 11.8% (utilizando la temperatura ambiente local)
Pérdidas estimadas debido a los efectos de la reflectancia angular: 2.6%
Otras pérdidas (cables, inversor, etc.): 14.0%
Pérdidas combinadas del sistema FV: 26.1%
 
Sistema fijo: inclinación=35°, orientación=0°
MesEdEmHdHm
Ene 3.38 105 4.37 136
Feb 4.07 114 5.29 148
Mar 4.67 145 6.25 194
Abr 4.70 141 6.34 190
Mayo 4.86 151 6.66 206
Jun 5.08 153 7.07 212
Jul 5.19 161 7.31 226
Ago 5.10 158 7.23 224
Sep 4.62 138 6.41 192
Oct 4.31 134 5.86 182
Nov 3.64 109 4.79 144
Dic 3.19 98.8 4.13 128
 
Media anual 4.40 134 5.98 182
Total para el año 1610 2180
 

Donde:

Ed: Producción media diaria de energía eléctrica del sistema (kWh)
Em: Producción media mensual de energía eléctrica del sistema (kWh)
Hd: suma diaria promedio de irradiación global por metro cuadrado recibida por los módulos del sistema (kWh / m2)
Hm: suma promedio de irradiación global por metro cuadrado recibida por los módulos del sistema (kWh / m2)

El mes más desfavorable de radiación, observamos que es en diciembre con 4,13 kWh·m2/día. Dimensionaremos la instalación para las condiciones mensuales más desfavorables de insolación, en nuestro caso Diciembre, asegurándonos que cubriremos la demanda durante todo el año.

 

Conocida la radiación solar incidente, la dividimos entre la radiación solar incidente que utilizamos para calibrar los módulos. (1 kW/m2), y obtendremos la cantidad de horas sol pico (HSP). A efectos prácticos en nuestro caso este valor no cambia, pero utilizaremos el concepto de HSP (horas sol pico) que es el número de horas equivalente que tendría que brillar el sol a una intensidad de 1000 W /m2 para obtener la insolación total de un día, ya que en realidad el sol varía la intensidad a lo largo del día.

HSP = radiación solar tablas / 1kW/m2 = 4,13 HSP

3 ¿Como calculamos los paneles que necesitamos?

Vamos a realizar los cálculos para establecer el número de módulos (placas o paneles solares) en función de las condiciones de radiación más desfavorables. Para realizar este cálculo nosotros hemos elegido módulos de 255 W. Este dato viene dado en las características técnicas de los módulos elegidos según cada modelo y fabricante.

 

- En instalaciones de uso diario utilizaremos la fórmula:

Numero de módulos = (energía necesaria) / (HSP * rendimiento de trabajo * potencia pico del módulo)

El rendimiento de trabajo tiene en cuenta pérdidas producidas por el posible ensuciamiento y/o deterioramiento de los paneles fotovoltaicos (normalmente 0,7 – 0,8).

Número de módulos para instalación de uso diario:

Nmd = (6329) / (4,13 * 0,8 * 255 )= 7,51  Redondeando 8 módulos

 

- En instalaciones de fin de semana utilizaremos la fórmula:

Numero de módulos =  (3 * energía necesaria) / (HSP * rendimiento de trabajo * 7 * potencia pico del módulo)

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

Nmfd= (3 * 6329) / (4,13 * 0,8 * 7 * 255) = 3,21  Redodeando 4 módulos

Como nuestro caso de ejemplo es para una casa que se usa los fines de semana, necesitaremos cuatro módulos de 255 W cada uno. Teniendo en cuenta que las necesidades de consumo que hemos establecido son muy básicas, si se introducen consumos mayores en el primer apartado nos resultará una cantidad de placas mayor.

Con los módulos elegidos de 255 Watios pico (Wp), obtendremos una instalación solar de 1020 Wp totales (4 x 255 Wp).

Teniendo en cuenta que los módulos trabajan  a 24V en nuestro caso, podemos realizar una asociación en serie de grupos de dos placas y luego estos dos grupos de dos placas en serie, asociarlos en paralelo. El voltaje de funcionamiento dependerá del sistema de acumuladores que elijamos.

 

4 ¿Que baterías elegir?

Para calcular que capacidad tienen que tener nuestras baterías, primero tendremos de establecer la autonomía deseada en caso de tener días desfavorables sin insolación por abundante nubosidad.

En el caso que nos ocupa, para fines de semana la máxima autonomía necesaria la podemos establecer en 3 días (viernes, sábado y domingo). En electrificación de casas rurales para abastecimiento diario podría establecerse entre 4-6 días, teniendo en cuenta que este valor se puede reducir en el caso de que dispongamos de un grupo electrógeno de refuerzo.

Capacidad de la batería = (energía necesaria * días de autonomía) / (Voltaje * profundidad de descarga de la batería). Nuestra empresa, recomienda acumuladores con baterías de 2v, y con un total de 24 o 48v.

La profundidad de descarga depende del tipo de batería elegido. Estos valores oscilan entre 0,5 a 0,8. Podéis consultar estos valores en las características técnicas para cada modelo y fabricante. En nuestro caso, elegiremos una batería que tolere una descarga de hasta un 60% (0,6).

Capacidad de acumulación = (6329 * 3) / (24 * 0,6) = 1318,38 Ah (c100)

El valor c100 indica que la capacidad de la batería será la suministrada por ciclos de carga de 100 h, que es la frecuencia de carga normalmente establecida en electrificación rural.

La selección del sistema de acumulación requiere de diferentes comprobaciones para que el sistema dure y tenga un óptimo rendimiento. 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.

Este artículo pretende ser un ejemplo básico del cálculo de los parámetros necesarios para realizar una instalación, pero una vez conocemos la capacidad necesaria para nuestra instalación, te recomendamos contactar con especialistas para saber más detalles o información sobre las características técnicas de un sistema o fabricante concreto de acumuladores.

Nuestra empresa ofrece tanto kits autoinstalables, como también disponemos de instalaciones en todo el territorio nacional, consulta las provincias, te hacemos un presupuesto de instalación sin compromiso alguno. 

 

5 El regulador de carga e inversor a 220V

Finalmente, ya sólo quedaría elegir un regulador de carga y un convertidor de corriente continua a corriente alterna para poder disponer de corriente alterna a 220 V en nuestra vivienda apta para cualquier tipo de aparato o electrodoméstico.

Hoy en día, los inversores híbridos (inversor+regulador+cargador) realizan esa función con un solo aparato.

Los reguladores de carga vienen determinados por la intensidad máxima de trabajo y por el voltaje en que hayamos diseñado nuestra instalación.

La potencia del convertidor de CC/AC la tendremos que elegir en función de la suma de todas las potencias nominales de los equipos consumidores multiplicado por el coeficiente de simultaneidad de uso de estos. (normalmente valores que van de 0,5-0,7). En nuestro caso la potencia total estimada es de 1360 W

Potencia convertidor = 1490 * 0,7 = 1043 W

Así pues, con un convertidor de 1200 W  sería suficiente para nuestro ejemplo, tendríamos que elegir un, siempre y cuando realmente utilicemos sólo los aparatos contemplados inicialmente. Siempre podemos establecer una potencia mayor por si puntualmente se utiliza algún otro electrodoméstico de mayor consumo.

 

 Os hemos mostrado un ejemplo para dimensionar una instalación solar fotovoltaica aislada de la red. Estas instalaciones se dimensionan reduciendo al mínimo los consumos a realizar para tener una instalación de coste asequible, pero esto supone prescindir de algunos elementos de mayor consumo y potencia. Por este motivo, en este artículo no hemos tenido en cuenta ni lavadoras ni hornos, etc. ya que se trata del supuesto de una casa con una instalación eléctrica muy básica para uso de segunda residencia.