Introduction: Metodo De Calculo Sistemas Fotovoltaicos: Metodo De Corrientes (Version En Espa�ol)
¡Hola a todos!
Este es mi segundo Instructable.
La versión en español de "Current method for Photovoltaic Calculations".
Como menciono en mi anterior posteo, soy un gran fanático de este sitio, y lo utilizo mucho en el curso para alentar a mis alumnos a realizar pruebas, meterse en lugares recónditos y explorar las alternativas de la tecnología, mas allá del cálculo.
Este "Cálculo por Método de Corrientes para Sistemas Fotovoltaicos Autónomos" es conocido como "Método de corrientes" debido a que utiliza los valores de las corrientes (amperes) que circulan por el sistema para elegir los distintos componentes.
Los Componentes:
1) Los Módulos (El generador)
En Argentina utilizamos esta escala: celda -> Modulo -> Panel.
El PANEL es un arreglo de varios módulos, conectados en series y estas series en paralelo para alcanzar tanto la tensión (series) como la corriente (paralelo) que deseamos.
Por ejemplo, en este sistema utilizaremos un sistema en 12V; entonces 36 celdas estarán bien (17,4V Vpmp) pero si el sistema fuera de 24 V, tendríamos que poner 2 módulos en serie.
El MODULO está compuesto por varias celdas, conectadas en serie y en paralelo para alcanzar la corriente y tensión deseados.
La CELDA o CELULA es el componente mínimo de esta parte la instalación. Están hechas de silicio, con contactos en la parte de atras, donde podemos conectar nuestros cables con terminales.
2) El regulador de carga
Este es un componente crítico, ya que mantiene nuestras baterías frescas y saludables. Un regulador mal elegido nos obligará a cambiar antes nuestras baterías.
3) El banco de baterías (Acumulador)
Las baterías de ciclo profundo estacionarias no son baratas, ni fáciles de manipular. Elegir un banco de baterías acorde a nuestro presupuesto y necesidades energéticas será crítico en esta etapa.
Espero que encuentren este texto interesante.
¡Empecemos!
Step 1: Conocimientos B�sicos
Bueno, empecemos con algo de conocimiento previo.
Es importante destacar que algo de conocimientos en electricidad es necesario para seguir avanzando. No demasiado, pero realmente ayuda.
Encontrarán muy seguido las siguientes expresiones:
Potencia [W] = Corriente [A] x Voltage [V]
Potencia en Watts [W]
Corriente en Amper [A]
Voltage en Voltios [V]
Vamos a necesitar algo de investigación sobre la "Insolación" o la "Irradiancia" del area donde bamos a instalar nuestro sistema, para calcular la energía diaria que alcanza nuestro módulo (o panel) cada día, o mejor dicho, en el peor caso.
En Argentina tenemos algunas tablas y atlas solares, de instituciones que han realizado las mediciones pertinentes, a varios ángulos de inclinación. Este material es súmamente útil. La realidad es que nosotros vamos a convertir esas unidades en "Horas Solares Pico" u "Horas Solares Equivalentes", que quiere decir, una nergía equivalente a 1000 W m^2 / día (constante conocida como 1 SOL).
Probablement encuentren la irradiancia en tablas o mapas expresadas en kW (Kilowatts = 1000 Wats) o MJ (Mega Joules).
Si las consiguen en Kilowatts, tienen suerte, ya que la conversión es mas sencilla, pero si las obtienen en Megajoules, deberán dividirlo por 3,6 para convertir esas unidades en kW, y proceder a las HSP o simplemente [H] que son las horas equivalentes.
Resumiendo:
W = A x V
MJ / 3,6 = Horas Solares Pico (HSP) mas adelante nos referiremos a ellas como "H"
La fórmula completa para ese pasaje es la siguiente:1 HSP = [(1000 W x 1 h ) / m2] x [3600 s / 1 h] x [1 J/s / 1 W] = 3,6 MJ/m2
Step 2: Demanda Energ�tica
Aquí vamos a aprender a calcular nuestra necesidad energética diaria, o "demanda".
Esto no es otra cosa que las horas de uso de cada electrodoméstico o luz durante el día. Quiere decir que debemos averiguar o medir cuantas horas de uso le damos a cada artefacto durante nuestro día "tipo".
Debo aclarar que este método es muy bueno para instalaciones domiciliarias aisladas, de pequeña escala, pero si queremos hacer una instalación para una gran vivienda... bueno, mejor busquemos algo de ayuda con u especialista local.
Para hacer mas fácil el cálculo, vamos a utilizar varias tablas. Es bueno anotar ordenadamente, como mostramos a continuación:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ambiente o habitación | Artefacto | Potencia [W] | Cantidad | Horas de uso [h] | Subtotal [W . h / día]
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Dormitorio | Luz | 9 W | 2 | 3 h | 54 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Cocina | Luz | 18 W | 1 | 5 h | 90 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Estar | Luz | 18 W | 1 | 3 h | 54 Wh/día
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Bueno, aquí tenemos algunos subtotales, y un dato de cuanta energía en watts vamos a necesitar en cada ambiente por cada artefacto (todas luces en este caso)
Noten que estoy utilizando pequeños artefactos, y pocas horas por día, para hacer mas sencilla la explicación. Ona vez que tengamos algo de práctica con esto, podemos agregar tantos como nos parezca necesario.
Entonces, vamos a tomar estos números y realizar 2 cálculos mas.
1) La "Demanda de Potencia Máxima Simultánea" o DPMS
2) La demanda TOTAL de energía diaria: ED
Para la DPMS, vamos a tomar la columna "Potencia [W]" multiplicar en cada caso por su correspondiente “Cantidad” y realizar una suma con todos los resultados.
En el ejemplo sería:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ambiente o habitación | Artefacto | Potencia [W] | Cantidad | Horas de uso [h] | Subtotal [W . h / día]
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Dormitorio | Luz | 9 W | 2 | 3 h | 54 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Cocina | Luz | 18 W | 1 | 5 h | 90 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Estar | Luz | 18 W | 1 | 3 h | 54 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
DPMS | 54 W |
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ahora tenemos la energía máxima que tendrán que transportar nuestros cables y manejar nuestro regulador.
Como utilizamos "Amper" en cada caso, para realizar nuestros cálculos, debemos dividir la potencia (54 W) por la tensión o voltage del sistema (12 V).
A = W/V
A = 54 W / 12 V = > A = 4,5 A
NOTA: Estamos utilizando pequeños artefactos, y pequeñas sumas de energía, entonces con 12 V vamos a estar mas que bien. Si debemos utilizar equipos mas potentes, y que demanden un montón de energía, probablemente necesitemos mayor tensión y un inversor de corriente. Estos no están mencionados aquí, y por lo tanto es algo que deberían consultar con un profesional, con conocimiento en instalaciones domiciliarias de baja tensión (220/110 V).
El total de energía diaria es la sumatoria de los subtotales de cada fila:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ambiente o habitación | Artefacto | Potencia [W] | Cantidad | Horas de uso [h] | Subtotal [W . h / día]
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Dormitorio | Luz | 9 W | 2 | 3 h | 54 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Cocina | Luz | 18 W | 1 | 5 h | 90 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Estar | Luz | 18 W | 1 | 3 h | 54 Wh/día
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
DPMS | 54 W | ED | 198 Wh/día
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Como mencionáramos antes, utilizamos corriente [A], entonces debemos tomar estos Wh/día y transformarlos en Ah/día.
Sencillo... 198 Wh/día / 12 V = 16,6 Ah/día. Esto lo llamaremos [Id] por "Corriente Diaria"
Al final, conseguimos nuestros valores:
Sabemos que nuestro regulador de carga va a necesitar manejar, del lado de las cargas o consumos, por lo menos 4,5 A.
Sabemos también que en un día en particular nuestra necesidad de corriente es de 16,6 Ah/día. Nuestra Id, normalmente "I" refiere a corriente en amper [A].
Esos son nuestros números básciso, vamos al siguiente paso: Calcular nuestro "Recurso"
Step 3: Recurso Energ�tico
Avancemos con nuestro recurso.
Aquí vamos a tener que realizar un poco de investigación, ya que solo tengo algunos datos referentes a mi país, cada uno deberá buscar los suyos en la WWW.
Pregunten en instituciones, busquen por aquí y por allá, y aparecerá la información.
Una de las cosas que debemos saber de los módulos solares es que ellos trabajan mejor cuando los rayos impactan a 90º sobre su superficie, entonces, si podemos pagar un rastreador solar, o somos lo suficiente habilidosos como para construir uno, bien por ello, el problema está casi resuelto.
Para el resto de nosotros, hay algunas cosas que debemos considerar:
Hemisferio Sur => El panel debe estar orientado hacia el NORTE.
Hemisferio Norte = > El panel debe estar orientado hacia el SUR.
Esta es nuestra ORIENTACION.
Ahora debemos obtener nuestra INCLINACION, ya que hay un ángulo al que debemos colocar el módulo para que trabaje.
Para elegir mejor esta inclinación, si es que van a estar fijos en una sola posición, podemos utilizar la siguiente tabla:
Latitud del emplazamieto | Angulo del panel
| Invierno | Verano
0º a 5º | 15º | 15º
15º a 25º | Tu Lat. | Tu Lat.
25º a 30º | Lat + 5º | Lat. - 5º
30º a 35º | Lat + 10º | Lat. - 10º
35º a 40º | Lat + 15º | Lat. - 15º
40º < | Lat + 20º | Lat. - 20º
Como dato práctico, debo indicar que aqu´, con una latitud de 34º aprox. solemos utilizar Latº + 10º, que compromete una pequeña porción en verano, cuando necesitamos menos energía (luz) y da algunas ventajas en invierno.
Bueno, tenemos 2 grandes problemas resueltos: hacia donde orientarlos, y que inclinación darles.
Ahora, vamos con nuestro Kilowatt o Megajoule dilema.
En la imágen tenemos una tabla que se utiliza en Argentina, con los promedios mensuales de energía a cada ángulo determinado: Lat+10º en MJ m^2 /día: 11,2
Así que tomamos este 11,2 y lo dividimos por 3,6. Esto nos da 3,11 “horas equivalentes” u “horas solares pico”. Vamos a llamarlas solamente HORAS, [H]
Esto quiere decir, que si el sol fuera una lámpara de 1000W enfrentada anuestros módulos, brillaría por exactamente 3,11 horas.
Entonces si tomamos las especificaciones del módulo, dadas por el fabricante, veremos: 80 W @ 1000 W m^2 – 25º C – 1,5 MA
Eso quiere decir: este módulo produce 80 W cuando el sol entrega 1000W por cada metro cuadrado a 25º C de temperatura y 1,5 masa de aire.
Esto pueden investigarlo en profundidad en la WWW, por ahora, sigamos con el siguiente paso: Elegir el o los módulos
Step 4: El Generador
OK, siguiente paso: elegir el generdaor indicado
Aquí utilizaremos algunos datos de nuestra "demanda", ¿recuerdan?
La fórmula en este método es:
(1,2 x Id) / (H x Ip)
Donde:
12, es un factor de corrección, que incluye suciedad en los módulos, y pérdidas de varios tipos.
Id es, como ya vimos en la demanda, la corriente diaria que necesitamos.
H es la cantidad de "Horas solares Pico", vimos esto en el recurso.
Ip es nuestra nueva duda. Que no es otra cosa que la corriente de nuestro módulo elegido en condiciones estadard de trabajo. (STC = 1000 W m^2 – 25º C).
Ahora, aquí podemos elegir nuestro módulo, y ver que pasa:
(1,2 x 16,5 Ah/día) / (3,11 H x 3,45 A) = 1,85 => 2
Esto quiere decir que vamos a necesitar 1,85 módulos para curbir nuestra demanda diaria de energía. Como esto es un cálculo simplificado, solamente tomamos módulos en paralelo de 36 celdas.
Utilizaremos 2 KS60T módulos conectados en paralelo, y ese será nuestro panel.
TRUCO: Si el resultado está cercano a 1,3, mantenemos 1; pero si es mayor a 1,3 nos conviene ir a 2.
Facil, ¿cierto?
Step 5: Acumulador: El Banco De Bater�as.
El Acumulador estará relacionado con la cantidad de días nublados.
Por ello deberíamos tener que realizar un poco mas de investigación, buscando datos con los servicios meteorológicos. Usualmente utilizamos d 3 a 5 días.
La fórmula es:
Cb = (Id x Da) / Pd
Donde:
Cb es la capacidad del banco en Ah
Id, es como ya vimos, nuestra demanda de corriente diaria.
Da es nuestra cantidad de días de autonomía.
Pd es "Profundidad de Descarga"
Aquí deberíamos hablar con el fabricante de las baterías o nuestro proveedor para que nos de una tabla de especificaciones sobre la tecnología de la batería y cual es su Pd recomendada para este uso.
Estamos hablando de baterias de 12 V para simplificar
Para baterías de Acido-plomo, de cilcado profundo, una Pd igual a 0,7 estará bien. Baterías de Gel debería ser 0,5
Entonces:
Cb= (16,5 Ah/día x 5 días) / 0,7 = > Cb = 117,86 Ah
Elijo una batería de 110 Ah /12 V AUTOBAT SOLAR.
RECUERDEN: Conexiones en serie incrementan el voltaje pero mantienen la corriente; y conexiones en paralelo incrementan la corriente pero mantienen el voltaje.
Entonces, podremos utilizar también 2 baterias 12 V / 60 Ah en paralelo, o 2 baterías de 6 V / 110 Ah en serie, y siempre tendríamos casi la misma energía: 12 V / 120 Ah en el primer caso, y 12 V / 110 Ah en el segundo.
Step 6: Eligiendo El Regulador
El regulador de carga tiene que manejar TODAS las corrientes involucradas en la instalación.
Recomendaría que eligieran alguno con al menos las siguientes observaciones:
• Protección contra conexiones de polaridad invertida.
• LVD, que quiere decir "Low Voltage Disconnect", en español, desconexión por baja tensión. Este control cortará la energía desde la batería si se descarga demasiado, y nos volverá a conectar solo cuando la batería se haya recuperado un poco. Esto cuidará nuestra batería por nosotros.
• Selección del tipo de batería: Gel, AGM, selladas o abiertas de plomo-acido.
• LEDs que nos indiquen el estado de carga, conexión y funciones mínimas.
Estas son funciones muy básicas, y hay cientos de reguladores en el mercado.
No nos pongamos demasiado quisquillosos con este punto, y elijamos algo durable, probado en el mercado y en el campo.
Las conexiones eléctricas:
la Norma Técnica Universal recomienda algunas dimensiones mínimas de cableado y caídas de tensión admisibles:
• Tramo Panel-Regulador: 2,5 mm^2 (AWG 10) y 3% caida de tensión.
• Tramo Regulador-Batería: 4 mm^2 (AWG 6) y 1% caida de tensión.
• Tramo Regulator-Consumos: Solo 5% caida de tensión, solo elijamos un cable que no nos lleve debajo de eso.
Cómo calcular la Caída de Tensión:
Bueno, si el sistema es de 12 V, este es nuestro 100%.
Para 3%: (3 x 12 V) / 100 = 0,36 V
Para 1%: (1 x 12 V) / 100 = 0,12 V
Para 5%: (5 x 12 V) / 100 = 0,60 V
Ahora, utilizaremos esta fórmula para ver si nuestra caída es la correcta:
V = 2 x Largo (metros) x Corriente (A) x Resistencia del Cable (en Ω/mtro)
En las tablas de cables obtendremos las resistencias en Ω/Km. Entonces dividamos por 1000 m/Km.
Entonces, en cada tramo de cable debemos verificar que la caída real sea menos que la esperada: 1, 3 or 5 %.
Para el tramo Panel-Regulador, con 4 metros de distancia, 6,9 Amper (2 x 3,5 A de los módulos en paralelo):
V = 2 x 4 m x 6,9 A x 0,0095 Ω/m = 0,52 V
Como vemos, está por encima de 0,36V, entonces debemos ir por un cable mas grueso, probablemente 4mm funcione, pero sería bueno que lo verifiquen.
Protecciones:
Debemos mantener un interruptor, de doble polo, que corte el suministro desde el panel hacia el generador, para que en caso de una tormenta eléctrica o que tengamos que realizar algún mantenimiento podemos cortar ese suministro.
Un fusible debe estar instalado en el positivo de la batería. Debemos utilizar fusibles de corriente contínua, así que elijamos bien. O si debemos utilizar fusible sde correitne alterna, elijamos de un 80% mas la corriente que pasa por el tramo.
Recordemos que las baterías pueden entregar mucha corriente en caso de cortocircuito.
También debemos proteger con fusibles o llaves automáticas (termomagnéticas) las cargas o consumos. Si son de corriente alterna, elegiremos del valor que deseamos proteger + 50%.
Este es un resumen de cómo calcular nuestro sistemas, y que protecciones debemos tener en cuenta. Siempre intentémos leer el código eléctrico de la zona, para no infringir ninguna norma al respecto.
Espero que encuentren esto útil.
Gracias a todos.
