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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROSINDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIN

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

Proyecto / Trabajo !" #e CarreraProyecto / Trabajo !" #e CarreraProyecto / Trabajo !" #e CarreraProyecto / Trabajo !" #e Carrera

INSTALACIN SOLAR OTOVOLTAICAINSTALACIN SOLAR OTOVOLTAICAINSTALACIN SOLAR OTOVOLTAICAINSTALACIN SOLAR OTOVOLTAICAPARA UNA CASA RURAL EN UCIEDAPARA UNA CASA RURAL EN UCIEDAPARA UNA CASA RURAL EN UCIEDAPARA UNA CASA RURAL EN UCIEDA$INSTALACIN SOLAR OTOVOLTAICA

PARA UNA VIVIENDA RURAL EN UCIEDA%

Para acce#er a& T!t'&o #e

INGENIERO TCNINGENIERO TCNINGENIERO TCNINGENIERO TCNICO INDUSTRIALICO INDUSTRIALICO INDUSTRIALICO INDUSTRIALESPECIALIDAD ELECTRICIDADESPECIALIDAD ELECTRICIDADESPECIALIDAD ELECTRICIDADESPECIALIDAD ELECTRICIDAD

A'tor( V)ctor Ro#r)*'e+ Marco,

-'&!o . /012

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Puede variarse el ancho del lomo con slo aumentar o disminuir el tamao de letra. En la mues

10.

TTULO INSTALACIN SOLAR FOTOVOLTAICA PARA UNA VIVIENDA RU

AUTOR VCTOR RODRIGUEZ MARCOS

DIRECTOR / PONENTE ALFREDO ORTZ FERNNDEZ

TITULACIN INGENIERO TCNICO INDUSTRIALESPECIALIDAD EN ELECTRICIDAD

FECHA 08 de Julio de 201

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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIN


1 NDICE GENERAL

INSTALACIN SOLAR FOTOVOLTAICA PARA UNA VIVIENDA

RURAL EN UCIEDA

NDICE GENERAL

DOCUMENTO 1: MEMORIA ................................................................................... 2

DOCUMENTO 2: CLCULOS ............................................................................... 31

ANEXO 1: CALCULOS ELCTRICOS...66

ANEXO 2: CLCULOS ESTRUCTURA.90

ANEXO 3: ESTUDIO BSICO DE SEGURIDAD Y SALUD98

DOCUMENTO 3: PLANOS ................................................................................... 108

DOCUMENTO 4: PLIEGO DE CONDICIONES .................................................. 115

DOCUMENTO 5: PRESUPUESTO ....................................................................... 158

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2 Documento N 1:MEMORIAINSTALACIN SOLAR FOTOVOLTAICA PARA UNA VIVIENDARURAL EN UCIEDA

DOCUMENTO N 1

MEMORIA

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1. OBJETO DEL PROYECTO .................................................................................... 3

2. REGLAMENTACIN Y DISPOSICIONES CONSIDERADAS .......................... 3

3. TITULAR Y EMPLAZAMIENTO DE LAS INSTALACIONES .......................... 5

4. POTENCIA Y CARACTERSTICAS DE LA INSTALACIN ............................ 5

5. PRESUPUESTO ...................................................................................................... 5

5.1. Amortizacin ..................................................................................................... 5

6. ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA .................................................................. 6

6.1.Principio de funcionamiento .............................................................................. 6

6.2.Aplicaciones7

6.3.Ventajas .............................................................................................................. 8

6.4.Inconvenientes .................................................................................................... 9

6.5.Barreras para su desarrollo ................................................................................. 9

7. CLULAS SOLARES ............................................................................................. 9

7.1.Fabricacin ...107.2.Tipos ................................................................................................................. 10

7.3.Mdulos fotovoltaicos ...................................................................................... 11

8. DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN ............................................................. 11

8.1 Componentes de la instalacin ......................................................................... 11

8.2.Generador fotovoltaico ..................................................................................... 13

8.3..Regulador ........................................................................................................ 15

8.4. Bateras ............................................................................................................ 19

8.5.Inversor ............................................................................................................. 23

8.5.Protecciones: .................................................................................................... 26

9.LNEAS ELCTRICAS DE ALIMENTACIN ................................................... 28

10. BIBLIOGRAFA.29

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1. OBJETO DEL PROYECTO

El objeto del PROYECTO que nos ocupa es estudiar, disear, calcular y valorar las

instalaciones elctricas en B.T. de una Instalacin de Energa Solar Fotovoltaica

aislada de la red, cuya potencia del inversor es de 3kW, as como garantizar las

condiciones de seguridad de la instalacin, tanto en su fase de montaje como en su

futuro mantenimiento y explotacin.

La solucin adoptada, dada la localizacin aislada de la vivienda y dada la lejana

con la red elctrica, ha sido la de abastecer de energa elctrica mediante una

instalacin fotovoltaica. Se deja la posibilidad de aumentar dicha instalacin, bien

colocando ms mdulos fotovoltaicos o incluso aadir un grupo generador auxiliar,

sin ms que pequeas variaciones en el sistema.

2. REGLAMENTACIN Y DISPOSICIONES CONSIDERADAS

Para la confeccin del presente Proyecto se han tenido en cuenta las siguientes

disposiciones:

Es de aplicacin toda la normativa vigente en Espaa que hace referencia de formadirecta a los Sistemas Fotovoltaicos Aislados de Red:

Ley 54/1997 se establece la posibilidad de que un productor destine su

produccin no a su venta a red (para terceros) sino a su consumo propio, ya

sea autoconsumo total (consumo del 100% de la energa generada) o parcial.

Esta definicin del productor es la dada en la Ley tras la modificacin por

Real Decreto-ley 7/2006, mediante la cual se incluye el concepto deautoproductor en la definicin de productor.

Ley 38/1992 de impuestos especiales el artculo 64 quinto sobre exenciones

establece que la energa elctrica destinada al autoconsumo de los titulares de

las instalaciones no est sujeta al rgimen de impuestos especiales, as como

el autoconsumo en instalaciones de produccin, transporte o distribucin.

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Reglamento Electrotcnico de B.T. (Decreto 842/2002 de 2 de Agosto, e

Instrucciones Tcnicas Complementarias:

ITC- BT 06, Redes Areas para la Distribucin en Baja Tensin.

ITC- BT 07, Redes Subterrneas para la Distribucin en Baja Tensin.

ITC- BT 29, Instalaciones en locales de Caractersticas Especiales.

(Locales Mojados)

ITC- BT 18, Instalaciones de Puesta a Tierra.

ITC- BT 24, Proteccin Contra los Contactos Directos e indirectos.

ITC BT 36, Instalaciones a Muy Baja Tensin. ITC- BT 40, Instalaciones Generadoras de BT.

ITC- BT 17, Instalaciones de enlace. Dispositivos generales e

individuales de mando y proteccin.

IEC 60364-7-712 Electrical installations of buildings Part 7-712:

Requirements for special installations or locations Solar photovoltaic

(PV) power supply systems.

REAL DECRETO 1627/1997, de 24 de octubre, por el que se establecen

disposiciones mnimas de seguridad y salud en las obras de construccin

Normas UNE

Plan General de Ordenacin Urbana o Normas Subsidiarias del municipio.

Ley 31/1995 sobre la Prevencin de Riesgos laborales.

Licencia del Ayuntamiento de Ruente para la instalacin en nueva vivienda:

solicitud de licencia de obra en ayuntamiento, presentando una copia delproyecto, una instancia y pago de tasas.

Certificado de Instalacin Elctrica (Industria): Trmite de Certificado de

Instalacin elctrica en Industria, presentando una copia del proyecto,

certificado de final de obra, instancia, certificado de instalacin por

quintuplicado y pago de tasas.

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3. TITULAR Y EMPLAZAMIENTO DE LAS INSTALACIONES

La obra e instalacin pertenece a:

Jos Pedro San Julin AlonsoNIF: 13915685-H

B Brcena La Casa, Casa del Monte 39512 Ucieda (Ruente)

Polgono 15, Parcela 91

Coordenadas UTM:

x: 401902

y: 4787384

4. POTENCIA Y CARACTERSTICAS DE LA INSTALACIN

Potencia nominal de la instalacin (kW): 3.76 Kw

Potencia pico a instalar en el campo de paneles (WP): 2070 WP

Superficie del campo de paneles (m2): 14.64 m2

Seguimiento solar (si/no): NO

5. PRESUPUESTO

El presupuesto que se ha estimado necesario para la ejecucin material de la

presente instalacin es de 18.175,91

Dieciocho mil ciento setenta y cinco euros coma noventa y un cntimos.

5.1. Amortizacin

Si tomamos que los equipos pueden producir energa durante 7 horas a un

rendimiento medio diario de un 75,15% (teniendo en cuenta el rendimiento de los

aparatos, la media anual tomando en consideracin el porcentaje de das nublados, la

media de horas de captacin entre verano e invierno, y que con las horas cambia el

ngulo de incidencia de los rayos solares), se generaran:

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Nominal inversor: 2400 W

= 2400. 7. 0,7515 = 12625.2

Lo que supondra un ahorro de: 12.625 kWh por da de funcionamiento. Si

calculamos lo correspondiente a un ao:

12.625,2 . 365 = 4.608

Teniendo en cuenta la media del precio del kWhactual que es de 0,17 , y aadiendo

adems el 21% de I.V.A., esta produccin representara un ahorro de:

4.608 kWh. 0,17/ kWh . 1.21 (IVA) = 947,86 de ahorro anual

En el apartado anterior comprobamos que nuestro presupuesto asciende a 18.175,91

. Por lo que el tiempo estimado en recuperar la inversin realizada ser de:

18.175,91 / 947,86 /ao = 19.17 20 aos

20 aos ser el periodo que tenga que transcurrir para recuperar el dinero de la

inversin. Teniendo en cuenta que la instalacin est prevista para una duracin de

25 aos, tendremos el resto de la existencia de la misma como gastos nicamente los

debidos al mantenimiento.

6. ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA

6.1. Principio de funcionamiento

La conversin fotovoltaica se basa en el efecto fotoelctrico, es decir, en la

conversin de la energa lumnica proveniente del sol en energa elctrica. Para

llevar a cabo esta conversin se utilizan unos dispositivos denominados clulas

solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha

creado un campo elctrico constante.

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El material ms utilizado es el Silicio Estas clulas conectadas en serie o paralelo

forman un panel solar encargado de suministrar la tensin y la corriente que se ajuste

a la demanda.

6.2. Aplicaciones

En una primera gran divisin las instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en

dos grandes grupos:

Instalaciones aisladas de la red elctrica.

Instalaciones conectadas a la red elctrica.

En el primer tipo, la energa generada a partir de la conversin fotovoltaica se utiliza

para cubrir pequeos consumos elctricos en el mismo lugar donde se produce la

demanda. Es el caso de aplicaciones como la electrificacin de:

- viviendas alejadas de la red elctrica convencional, bsicamente electrificacin

rural.

- servicios y alumbrado pblico: iluminacin pblica mediante farolas autnomas de

parques, calles, monumentos, paradas de autobuses, refugios de montaa, alumbrado

de vallas publicitarias, etc. Con la alimentacin fotovoltaica de luminarias se evita la

realizacin de zanjas, canalizaciones, necesidad de adquirir derechos de paso,

conexin a red elctrica, etc.

- aplicaciones agrcolas y de ganado: bombeo de agua, sistemas de riego,

iluminacin de invernaderos y granjas, suministro a sistemas de ordeo,

refrigeracin, depuracin de aguas, etc.

- sealizacin y comunicaciones: navegacin area (seales de altura, sealizacin

de pistas) y martima (faros, boyas), sealizacin de carreteras, vas de ferrocarril,

repetidores y reemisores de radio y televisin y telefona, cabinas telefnicas aisladas

con recepcin a travs de satlite o de repetidores, sistemas remotos de control y

medida, estaciones de tomas de datos, equipos sismolgicos, estaciones

meteorolgicas, dispositivos de sealizacin y alarma, etc.

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El balizamiento es una de las aplicaciones ms extendida, lo que demuestra la alta

fiabilidad de estos equipos. Por su parte, en las instalaciones repetidoras, su

ubicacin generalmente en zonas de difcil acceso obligaban a frecuentes visitas parahacer el cambio de acumuladores y la vida media de stos se vea limitada al trabajar

con ciclos de descarga muy acentuados.

En cuanto a las instalaciones conectadas a la red se pueden encontrar dos casos:

centrales fotovoltaicas, (en las que la energa elctrica generada se entrega

directamente a la red elctrica, como en otra central convencional de generacin

elctrica) y sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias, conectados a la redelctrica, en los que una parte de la energa generada se invierte en el mismo

autoconsumo del edificio, mientras que la energa excedente se entrega a la red

elctrica. Tambin es posible entregar toda la energa a la red; el usuario recibir

entonces la energa elctrica de la red, de la misma manera que cualquier otro

abonado al suministro.

6.3. Ventajas

Al no producirse ningn tipo de combustin, no se generan contaminantes

atmosfricos en el punto de utilizacin, ni se producen efectos como la lluvia

cida, efecto invernadero por CO2, etc.

El Silicio, elemento base para la fabricacin de las clulas fotovoltaicas, es muy

abundante, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva.

Al ser una energa fundamentalmente de mbito local, evita pistas, cables, postes,

no se requieren grandes tendidos elctricos, y su impacto visual es reducido.

Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes

(1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2).

Prcticamente se produce la energa con ausencia total de ruidos.

Adems, no precisa ningn suministro exterior (combustible) ni presencia

relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).

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6.4. Inconvenientes

Impacto en el proceso de fabricacin de las placas: Extraccin del Silicio,

fabricacin de las clulas. Explotaciones conectadas a red: Necesidad de grandes extensiones de terreno

Impacto visual.

6.5. Barreras para su desarrollo

De carcter administrativo y legislativo: Falta de normativa sobre la conexin a

la red.

De carcter inversor: Inversiones iniciales elevadas. De carcter tecnolgico: Necesidad de nuevos desarrollos tecnolgicos.

De carcter social: Falta de informacin.

7. CLULAS SOLARES

La conversin fotovoltaica se basa en el efecto fotoelctrico, es decir, en la

conversin de la energa lumnica proveniente del sol en energa elctrica. Para

llevar a cabo esta conversin se utilizan unos dispositivos denominados clulas

solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha

creado un campo elctrico constante (mediante una unin p-n).

Cuando sobre un semiconductor incide una radiacin luminosa con energa

suficiente para romper los enlaces de los electrones de valencia y generar pares

electrn-hueco, la existencia de una unin p-n separa dichos pares, afluyendo

electrones a la zona n y huecos a la zona p, creando en resumen una corriente

elctrica que atraviesa la unin desde la zona n a la p, y que puede ser entregada a un

circuito exterior (saliendo por la zona p y entrando por la n).

De esta manera, cuando se expone una clula solar a la luz del sol se hace posible la

circulacin de electrones y la aparicin de corriente elctrica entre las dos caras de la

clula.

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7.1. Fabricacin

A partir de las rocas ricas en cuarzo, por ejemplo cuarcita se obtiene silicio de alta

pureza (de alrededor del 99%) y se funde. Una vez fundido se inicia la cristalizacin,resultando, si el tiempo es suficiente, lingotes de silicio cristalino. El proceso de

corte es muy importante ya que puede suponer prdidas de hasta el 50% de material.

Tras el proceso de corte se procede al decapado, que consiste en eliminar las

irregularidades y defectos debidos al corte, as como los restos de polvo o virutas que

pudiera haber. Una vez limpia se le realiza un tratamiento anti reflectante para

obtener una superficie que absorba ms eficientemente la radiacin solar.Formacin de la unin p-n mediante la deposicin de varios materiales (boro y

fsforo generalmente), y su integracin en la estructura de silicio cristalino.

Finalmente provee a la clula de contactos elctricos adecuados.

7.2. Tipos

Silicio Monocristalino: material de silicio caracterizado por una disposicin

ordenada y peridica de tomo, de forma que solo tiene una orientacin

cristalina, es decir, todos los tomos estn dispuestos simtricamente. sc-Si

(single crystal).

Presentan un color azulado oscuro y con un cierto brillo metlico. Alcanzan

rendimientos de hasta el 17%.

Silicio policristalino: silicio depositado sobre otro sustrato, como una capa de10-

30 micrmetros y tamao de grano entre 1 micrmtero y 1 mm. Las direcciones

de alineacin van cambiando cada cierto tiempo durante el proceso de

deposicin. Alcanzan rendimientos de hasta el 12%.

Silicio amorfo: compuesto hidrogenado de silicio, no cristalino, depositado sobre

otra sustancia con un espesor del orden de 1 micrmetro. am-Si, o am-Si:H No

existe estructura cristalina ordenada, y el silicio se ha depositado sobre un

soporte transparente en forma de una capa fina.

Presentan un color marrn y gris oscuro. Las clulas de silicio amorfo (no

cristalino) parecen tener unas perspectivas de futuro muy esperanzadoras.

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Esta tecnologa permite disponer de clulas de muy delgado espesor y

fabricacin ms simple y barata, aunque con eficiencia del 6-8%. Su principal

campo de aplicacin en la actualidad se encuentra en la alimentacin de relojes,calculadoras, etc. Son muy adecuadas para confeccin de mdulos

semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en edificios.

7.3. Mdulos fotovoltaicos

Conjunto completo, medioambientalmente protegido, de clulas interconectadas.

En general las clulas tienen potencias nominales prximas a 1Wp, lo que quiere

decir que con una radiacin de 1000W/m2 proporcionan valores de tensin de unos0,5 V y una corriente de unos dos amperios.

Para obtener potencias utilizables para aparatos de mediana potencia, hay que unir

un cierto nmero de clulas con la finalidad de obtener la tensin y la corriente

requeridas.

Para tener ms tensin hay que conectar varias clulas en serie. Conectando 36

(dimensiones normales, 7.6 cm de dimetro) se obtienen 18 V, tensin suficiente

para hacer funcionar equipos a 12V, incluso con iluminaciones mucho menores de

1kW/m2.

La unidad bsica de las instalaciones fotovoltaicas es, pues, la placa fotovoltaica, que

contiene entre 20 y 40 clulas solares; estas placas se conectan entre s en serie y/o

paralelo para obtener el voltaje deseado (12V, 14V, etc.).

Estas clulas interconectadas y montadas entre dos lminas de vidrio que las

protegen de la intemperie constituyen lo que se denomina un mdulo fotovoltaico.

8. DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN

8.1Componentes de la instalacin

Subsistema de generacin - Generador Fotovoltaico: Grupo de paneles

fotovoltaicos interconectados para el aprovechamiento de la radiacin solar

del lugar.

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Subsistema de acumulacin: Regulador de carga y grupo de bateras. El

regulador de carga se encarga, principalmente, de evitar la descarga profunda

de las bateras o la sobrecarga de las mismas, alargando de esta forma su vidatil. Las bateras acumulan la energa producida por el sistema de generacin

para que la vivienda disponga de suministro en los momentos en que ninguno

de los generadores de la instalacin est produciendo energa por falta de sol.

Y tambin en los momentos en que la demanda energtica de la misma es

superior a la generada en esos instantes por los paneles FV.

Subsistema de acomodacin de energa a las cargas: Convertidor CC-CC o

seguidor de potencia. Cundo no todos los receptores de continua tienen lamisma tensin nominal. Convertidor CC-CA. Dado que la vivienda dispone

de equipos a alimentar con CA, s que ser preciso incluir en el sistema un

convertidor CC-CA.

8.2. Generador fotovoltaico

Est formado por la interconexin en serie y paralelo de un determinado nmero de

mdulos fotovoltaicos, encargados de captar la luz del sol y transformar la energa

elctrica, generando una corriente continua proporcional a la irradiacin solar

recibida.

En nuestro caso el grupo generador est formado por un total de 9 mdulos

policristalinos, distribuidos en 3 series de 3 mdulos. La tensin de mxima potencia

de cada modulo es de 29,8 VCCy la potencia mxima de 230 Wp.

Se han seleccionado unos mdulos fabricados por Luxor, de 230 Wp de potencia

mxima, modelo ECO LINE 60/230. La garanta del fabricante es de 25 aos (sobre

el 80% de la potencia nominal).

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Las caractersticas son:

Fig. 1.1 Caractersticas fsicas

Fig. 1.2 Caractersticas elctricasEn cumplimiento de los requisitos tcnicos indicados en el Pliego de Condiciones

Tcnicas emitido por IDAE los mdulos seleccionados cumplen las siguientes

caractersticas:

Satisfacen las especificaciones indicadas por la norma UNE-EN 61215.

Registro TUV Q60011013

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Identificacin visible e indeleble el modelo y nombre logotipo del fabricante,

as como una identificacin individual o nmero de serie trazable a la fecha de

fabricacin. Diodos de derivacin para evitar las posibles averas de las clulas y sus circuitos

por sombreados parciales y tendrn un grado de proteccin IP65.

Marcos laterales son de aluminio.

Potencia mxima y corriente de cortocircuito reales referidas a condiciones

estndar comprendidas en el margen del 5% de los correspondientes valores

nominales de catlogo.

Estructura del generador se conectar a tierra.

8.3...Regulador

Dispositivo encargado de proteger a la batera frente a sobrecargas y sobredescargas

profundas. El regulador de tensin controla constantemente el estado de carga de las

bateras y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida til.

Tambin genera alarmas en funcin del estado de dicha carga.

Los reguladores actuales introducen microcontroladores para la correcta gestin deun sistema fotovoltaico. Su programacin elaborada permite un control capaz de

adaptarse a las distintas situaciones de forma automtica, permitiendo la

modificacin manual de sus parmetros de funcionamiento para instalaciones

especiales. Incluso los hay que memorizan datos que permiten conocer cul ha sido

la evolucin de la instalacin durante un tiempo determinado.

Para ello, consideran los valores de tensin, temperatura, intensidad de carga y

descarga, y capacidad del acumulador. Existen dos tipos de reguladores de carga, loslineales y los conmutados.

-Sistema de regulacin. Cmo trabajan los reguladores de carga?Regulacin

De La Intensidad De Carga De Las Bateras: igualacin, carga profunda, flotacin.

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IGUALACIN

Esta respuesta del regulador permite la realizacin automtica de cargas de

igualacin de los acumuladores tras un perodo de tiempo en el que el estado decarga ha sido bajo, reduciendo al mximo el gaseo en caso contrario.

CARGA PROFUNDA

Tras la igualacin, el sistema de regulacin permite la entrada de corriente de carga a

los acumuladores sin interrupcin hasta alcanzar el punto de tensin final de carga.

Alcanzado dicho punto el sistema de regulacin interrumpe la carga y el sistema de

control pasa a la segunda fase, la flotacin.Cuando se alcanza la tensin final de carga, la batera ha alcanzado un nivel de carga

prximo al 90% de su capacidad, en la siguiente fase se completar la carga.

CARGA FINAL Y FLOTACIN

La carga final del acumulador se realiza estableciendo una zona de actuacin del

sistema de regulacin dentro de lo que denominamos Banda de Flotacin

Dinmica. La BFD es un rango de tensin cuyos valores mximos y mnimo se

fijan entre la tensin final de carga y la tensin nominal + 10% aproximadamente.

Una vez alcanzado el valor de voltaje de plena carga de la batera, el regulador

inyecta una corriente pequea para mantenerla a plena carga, esto es, inyecta la

corriente de flotacin. Esta corriente se encarga por tanto de mantener la batera a

plena carga y cuando no se consuma energa se emplea en compensar la

Autodescarga de las bateras.

-Indicadores De Estado: Desconexin Del Consumo Por Baja Tensin De

Bateras, Alarmas De Sealizacin

DESCONEXIN DEL CONSUMO POR BAJA TENSIN DE BATERA

La desconexin de la salida de consumo por baja tensin de batera indica una

situacin de descarga del acumulador prxima al 70% de su capacidad nominal.

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Si la tensin de la batera disminuye por debajo del valor de tensin de maniobra de

desconexin de consumo durante ms de un tiempo establecido, se desconecta elconsumo. Esto es para evitar que una sobrecarga puntual de corta duracin desactive

el consumo.

Tensin de desconexin del consumo: tensin de la batera a partir de la cual se

desconectan las cargas de consumo.

ALARMA POR BAJA TENSIN DE BATERA

La alarma por baja tensin de batera indica una situacin de descarga considerable.A partir de este nivel de descarga las condiciones del acumulador comienzan a ser

comprometidas desde el punto de vista de la descarga y del mantenimiento de la

tensin de salida frente a intensidades elevadas.

Esta alarma est en funcin del valor de la tensin de desconexin de consumo

(siempre se encontrar 0,05 volt/elem. por encima).

En el regulador DSD, Si la tensin de la batera disminuye por debajo del valor de la

alarma durante ms de 10segundos aprox. se desconecta el consumo. El regulador

entra entonces en la fase de igualacin y el consumo no se restaurar hasta que la

batera no alcance media carga. Adems, incluye una seal acstica para sealizar la

batera baja.

PROTECCIONES TIPICAS

Contra sobrecarga temporizada en consumo.

Contra sobretensiones en paneles, bateras y consumo.

Contra desconexin de batera.

INDICADORES DE ESTADO/ SEALIZADORES HABITUALES

Indicadores de tensin en batera.

Indicadores de fase de carga.

Indicadores de sobrecarga/ cortocircuito.

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PARMETROS A CALCULAR, DIMENSIONAMIENTO

Tensin nominal: la del sistema (12, 24, 48).

Intensidad del regulador: la intensidad nominal de un regulador ha de ser mayor quela recibida en total del campo de paneles FV.

-Parmetros importantes que determinan su operacin

Intensidad Mxima de Carga o de generacin: Mxima intensidad de

corriente procedente del campo de paneles que el regulador es capaz de

admitir.

Intensidad mxima de consumo: Mxima corriente que puede pasar delsistema de regulacin y control al consumo.

Voltaje final de carga: Voltaje de la batera por encima del cual se interrumpe

la conexin entre el generador fotovoltaico y la batera, o reduce

gradualmente la corriente media entregada por el generador fotovoltaico (I

flotacin). Vale aproximadamente 14.1 para una batera de plomo cido de

tensin nominal 12V.

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El regulador que mejor se adapta a nuestra instalacin es: OUTBACK FM 80A - 24V

Fig. 1.3 Caractersticas Regulador

8.4. Bateras

La funcin prioritaria de las bateras en un sistema de generacin fotovoltaico es la

de acumular la energa que se produce durante las horas de luminosidad para poder

ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.

Otra importante funcin de las bateras es la de proveer una intensidad de corriente

superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso de unmotor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces

su corriente nominal durante unos pocos segundos.

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-Interaccin entre mdulos fotovoltaicos y bateras

Normalmente el banco de bateras y los mdulos fotovoltaicos trabajanconjuntamente para alimentar las cargas. La siguiente figura muestra cmo se

distribuye la entrega de energa a la carga a lo largo del da. Durante la noche toda la

energa demandada por la carga la provee el banco de bateras. En horas tempranas

de la maana los mdulos comienzan a generar, pero si la corriente que entregan es

menor que la que la carga exige, la batera deber contribuir en el aporte. A partir de

una determinada hora de la maana la energa generada por los mdulos

fotovoltaicos superada la energa promedio demandada. Los mdulos no soloatendern la demanda sino que adems, todo exceso se almacenara en la batera que

empezara a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche anterior. Finalmente

durante la tarde, la corriente generada decrece y cualquier diferencia con la demanda

la entrega a la batera. En la noche, la generacin es nula y todo el consumo lo

afronta la batera.

-Tipos de Bateras

Bateras de plomo - cido de electrolito lquido

Las bateras de plomo - cido se aplican ampliamente en los sistemas de generacin

fotovoltaicos.

Dentro de la categora plomo - cido, las de plomo - antimonio, plomo - selenio y

plomo - calcio son las ms comunes. La unidad de construccin bsica de una batera

es la celda de 2 Volts. Dentro de la celda, la tensin real de la batera depende de su

estado de carga, si est cargando, descargando o en circuito abierto.

En general, la tensin de una celda vara entre 1,75 Volts y 2,5 Volts, siendo el

promedio alrededor de 2 Volts, tensin que se suele llamar nominal de la celda.

Cuando las celdas de 2 Volts se conectan en serie (POSITIVO A NEGATIVO) las

tensiones de las celdas se suman, obtenindose de esta manera, bateras de 4,6,12

Volts, etc...

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Si las bateras estn conectadas en paralelo (POSITIVO A POSITIVO Y

NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no cambian, pero se sumaran sus

capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo bateras de igual tensiny capacidad.

Se puede hacer una clasificacin de las bateras en base a su capacidad de

almacenamiento de energa (medido en Ah a la tensin nominal) y a su ciclo de vida

(numero de veces en que la batera puede ser descargada y cargada a fondo antes de

que se agote su vida til).

La capacidad de almacenaje de energa de una batera depende de la velocidad de

descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo dedescarga de 10 horas. Cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad

de energa que la batera entrega. Un tiempo de descarga tpico en sistemas

fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batera que posee una capacidad de 80 Ah

en 10 hs (capacidad nominal) tendr 100 Ah de capacidad en 100 hs.

Dentro de las bateras de plomo - cido, las denominadas estacionarias de bajo

contenido de antimonio son una buena opcin en sistemas fotovoltaicos. Ellas

poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es de un 20 %

(es decir que la batera estar con un 80 % de su carga) y unos 1200 ciclos cuando la

profundidad de descarga es del 50 % (batera con 50 % de su carga).

Las bateras estacionarias poseen adems, una baja auto-descarga (3 % mensual

aproximadamente contra un 20 % de una batera de plomo - cido convencional) y

un reducido mantenimiento.

Dentro de estas caractersticas se encuadran tambin las bateras de plomo-calcio y

plomo- selenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de

gasificacin y una baja autodescarga.

Bateras selladas Gelificadas

Estas bateras incorporan un electrolito del tipo gel con consistencia que puede variar

desde un estado muy denso al de consistencia similar a una jalea. No se derraman,

pueden montarse en casi cualquier posicin y no admiten descargas profundas.

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Electrolito absorbido

El electrolito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio microporoso o en un

entramado de fibra polimrica. Al igual que las anteriores no se derraman, admiten

cualquier posicin y admiten descargas moderadas.

Tanto estas bateras como las Gelificadas no requieren mantenimiento en forma de

agregado de agua, no desarrollan gases evitando el riesgo de explosin, pero ambas

requieren descargas poco profundas durante su vida de servicio.

Nquel Cadmio.

Las principales caractersticas son:

1) El electrolito es alcalino.

2) Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal.

3) Bajo coeficiente de autodescarga.

4) Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura.

5) La tensin nominal por elemento es de 1,2 Volts.

6) Alto rendimiento de absorcin de carga (mayor al 80 %).7) Muy alto costo comparadas con las bateras cidas.

Al igual que las bateras de plomo - cido, estas se pueden conseguir en las dos

versiones, standard y selladas, utilizando la ms conveniente segn la necesidad de

mantenimiento admisible para la aplicacin prevista. Dado su alto costo, no se

justifica su utilizacin en aplicaciones rurales.

Se han escogido doce vasos serie de 2V cada uno:ECOSAFE TYS-8 8OPzS C100

Fig. 1.4 Caractersticas Bateras

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8.5. Inversor

Los inversores convierten la energa elctrica de corriente continua producida en los

paneles solares fotovoltaicos en corriente alterna monofsica y la inyectan a cada unade las fases de la red de suministro elctrico. La etapa de potencia presenta una

configuracin en puente monofsico, utilizando como semiconductores de potencia

transistores MOSFET.

La tensin generada por el inversor es senoidal y se obtiene mediante la tcnica de

modulacin de ancho de pulsos. Un microcontrolador determina el tipo de onda que

se genera a partir de una tabla de valores disponibles en la memoria auxiliar del

sistema. De esta forma se hace trabajar a los transistores MOSFET de potencia a unafrecuencia de conmutacin de 20kHz, con lo que se consigue una forma de onda

senoidal de muy baja distorsin, menor del 1% y con un contenido de armnicos

bajo.

Para conseguir el mejor rendimiento de la instalacin, el sistema de control de los

inversores trabaja detectando continuamente el punto de mxima potencia (MPPT)

de la caracterstica tensin-corriente de los paneles fotovoltaicos. La situacin de

dicho punto de mxima potencia es variable, dependiendo de diversos factores

ambientales, como variaciones en la radiacin solar recibida o por variaciones de la

temperatura de los paneles. La sensibilidad del circuito detector del punto de mxima

potencia es de 30W y el tiempo de respuesta en la bsqueda del nuevo punto oscila

entre 2 y 10 segundos.

Durante los perodos nocturnos el inversor permanece parado vigilando los valores

de tensin del bus DC del generador fotovoltaico. Al amanecer, la tensin del

generador fotovoltaico aumenta, lo que pone en funcionamiento el inversor que

comienza a inyectar corriente en la red si la potencia disponible en paneles supera un

valor umbral o mnimo.

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A continuacin se describe el funcionamiento del equipo frente a situaciones

particulares:

1. Fallo en el suministro:

En el caso de que se interrumpa el suministro en la red elctrica, el inversor se

encuentra en situacin de circuito abierto, en este caso el inversor se desconecta por

completo y espera que se restablezca la tensin en la red para iniciar de nuevo su

funcionamiento.

2. Temperatura elevada:

El inversor dispone de un sistema de refrigeracin por conveccin. Est calculadopara un rango de temperaturas similar al que puede haber en el interior de una

vivienda. En el caso de que la temperatura ambiente se incremente excesivamente o

accidentalmente se tapen los canales de ventilacin, el equipo seguir funcionando

pero reducir la potencia de trabajo a fin de no sobrepasar internamente los 75C.

Esta situacin se indica con el led de temperatura intermitente.

Si internamente se llega a 80C, se parar y el intermitente se quedar fijo iluminado.

3. Tensin del generador fotovoltaico baja:

En este caso, el inversor no puede funcionar. Es la situacin en la que se encuentra

durante la noche, en das muy nublados o si se desconecta el generador solar.

El led de paneles estar fijo apagado.

4. Intensidad de generador fotovoltaico insuficiente:

Los generadores fotovoltaicos alcanzan el nivel de tensin de trabajo a partir de un

valor de radiacin solar muy bajo (de 2 a 8mW/cm). Cuando el inversor detecta que

se dispone de tensin suficiente para iniciar el funcionamiento, el sistema se pone en

marcha solicitando potencia del generador fotovoltaico. Si el generador no dispone

de suficiente potencia debido a que la radiacin solar es muy baja, el valor de

intensidad mnima de funcionamiento no se verifica, lo que genera una orden de

parada del equipo. Y posteriormente se inicia un nuevo intento de conexin. El

intervalo entre intentos es aproximadamente de 3 minutos.

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El inversor elegido es el modelo PHOENIX C24/3000, desarrollado por la empresa

Victron, que alcanza una eficiencia superior al mxima del 94% y tiene una potencia

mxima de 6 kW.

Las caractersticas tcnicas del inversor son las siguientes:

Fig. 1.5 Caractersticas Inversor

El inversor cumple con las directivas comunitarias de Seguridad Elctrica y

compatibilidad incorporando protecciones frente a:

Cortocircuitos en alterna.

Tensin de red fuera de rango.

Frecuencia de red fuera de rango.

Sobretensiones mediante varistores o similares.

Perturbaciones presentes en la red como microcortes, pulsos, defectos de

ciclos, ausencia y retorno de la red, etc.

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En cuanto a las caractersticas elctricas, el inversor cumple los requisitos indicados

en el pliego de Condiciones Tcnicas de IDAE:

El inversor seguir entregando potencia a la red de forma continuada encondiciones de irradiancia solar de un 10 % superiores a las CEM. Adems

soportar picos de un 30 % superior a las CEM durante perodos de hasta 10

segundos.

Los valores de eficiencia al 25 y 100% de la potencia de salida nominal son

del 90 al 92%

El en stand-by o modo nocturno deber ser inferior a un 2% de su

potencia de salida nominal. El factor de potencia de la potencia generada deber ser superior a 0,95, entre

el 25 y el 100% de la potencia nominal.

El inversor deber inyectar en red, para potencias mayores del 10 % de su

potencia nominal.

Los inversores tendrn un grado de proteccin mnima IP 20 para inversores

en el interior de edificios y lugares inaccesibles.

Los inversores estarn garantizados para operacin en las siguientescondiciones ambientales: entre 0 C y 40 C de temperatura y 0% a 85% de

humedad relativa.

La garanta estndar ofrecida por el fabricante es de 3 aos, con opcin de

ampliacin a 20 aos. Esta garanta incluye: averas, robo y cobertura por lucro

cesante. As mismo se garantiza una disponibilidad del 98% anual.

8.5. Protecciones:

El sistema consta, adems, de las necesarias protecciones y correspondiente

instalacin de puesta a tierra.

As pues la instalacin queda estructurada como sigue:

Mdulos fotovoltaicos

Estructura soporte

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Inversores

Lneas elctricas de alimentacin

Cuadro general de distribucin Puesta a tierra

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9. LNEAS ELCTRICAS DE ALIMENTACIN

El tipo de conductor a emplear ser unipolar no propagador de incendio y con

emisin de humos y opacidad reducida, de acuerdo con la norma UNE 21.123 - 4,especificacin RV- k Cu con tensin asignada 0.6/1Kv.

La cada de tensin ser inferior al 1.5% en cada tramo de corriente continua (DC) y

1.5% en la parte de alterna (AC).

Todas las lneas estarn protegidas debidamente.

El conductor elegido para la instalacin fotovoltaica es: REVIFLEX RV-k 0.6/1 Kb

unipolar, cuyas caractersticas son:

Fig. 1.6 Caractersticas conductor I.F.

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Para las partes de la instalacin por las que circule corriente alterna, es decir, aguas

abajo del inversor, tendremos dos tipos de conductores. Uno para la lnea de

alimentacin al cuadro principal de la vivienda, este conductor ser del tipo:RETENAX FLEX multiconductor 0.6/1 kV

Fig. 1.7 Caractersticas conductor acometida

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10. BIBLIOGRAFA

Se han consultado dos proyectos en la Universidad de Cantabria:

-Instalacin fotovoltaica para una casa rural en Lastrilla (Palencia) (Autor: Sergiolvarez Fernndez; Director: Jos Ramn Aranda Sierra)

-Estudio de viabilidad y econmico del suministro electro-energtico de una casaaislada (Autor: Juan Ceballos Cerrajera)

Los libros consultados para la realizacin de este proyecto han sido:

TTULO AUTOR EDICIN

ReglamentoElectrotcnico de BajaTensin 2002

McGraw Hill 2002

Energa SolarFotovoltaica

Javier Mara MndezMuiz

Madrid: FundacinCofemetal 2008

Energa Solar Javier Meana Rodrguez 2002

Electricidad SolarFotovoltaica

Eduardo Lorenzo Pigueiras Progensa 2006

Estudio y diseo en laoptimizacin de una

instalacin fotovoltaicapara una vivienda aislada

Juan Antonio MiguelParada

2009

Gua del Instalador deEnergas Renovables

Toms Perales Benito Creaciones Copyright2005

Las pginas web en las que se ha consultado y de las que se ha sacadoinformacin han sido:

www.calculationsolar.com

www.solarweb.com

www.soloingenieria.net www.idae.es

www.abb.es

www.coaatcan.com

www.preoc.es

www.cablesrct.com

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31 DOCUMENTO N 2:CLCULOSINSTALACIN SOLAR FOTOVOLTAICA PARA UNA VIVIENDARURAL EN UCIEDA

DOCUMENTO N 2

CLCULOS

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1. PREVISION DE CARGAS ................................................................................... 33

1.1. Calculo de rendimiento. .................................................................................. 37

2. ORIENTACIN E INCLINACIN ...................................................................... 39

2.1. Conceptos bsicos ........................................................................................... 39

2.2. Clculos: Inclinacin y HSP ............................................................................ 46

2.2.1. Localizacin y coordenadas de la parcela: ............................................... 46

2.2.2. Declinacin solar () ................................................................................. 46

2.2.3. Inclinacin ptima (opt) .......................................................................... 47

2.2.4. Radiacin Global Horizontal (Gdm) .......................................................... 48

2.2.5. Radiacin global diaria sobre una superficie inclinada y un ngulo ptimo

Gdm(0,) .............................................................................................................. 49

2.2.6. Obtencin del Factor de Irradiancia (FI) .................................................. 50

2.2.7. Obtencin de las horas sol pico da (HSP/da) ......................................... 52

2.3. Estructura Soporte ........................................................................................... 54

2.4. Distancia entre paneles (Distmin) ..................................................................... 55

3. DIMENSIONADO DEL CAMPO FOTOVOLTAICO ......................................... 57

3.1. Clculo del nmero de paneles ........................................................................ 57

3.2. Regulador ........................................................................................................ 60

3.3. Bateras ............................................................................................................ 62

3.4. Inversor ............................................................................................................ 64

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1. PREVISION DE CARGAS

Debemos conocer es las necesidades energticas de la vivienda o lugar. Es decir,

el consumo elctricoque tiene la vivienda.

En una vivienda o cualquier tipo de edificacin los consumos elctricos pueden

dividirse en 2 apartados:

Iluminacin: La iluminacin puede representar entre el15 y el 20 %de la

demanda de electricidad. Cuanto eficiente ms sean los aparatos

de iluminacin menos necesidades energticas tendremos.

As pues, una bombilla incandescente, puede consumir 10 veces ms que una

de led. Se recomienda, que en toda instalacin solar,

sean utilizadas lmparas de muy bajo consumo. En la tabla adjunta se

muestran las equivalencias de distintos tipos de bombillas:

Tabla. 2.1 Equivalencias tipos de bombillas y lmparas

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Detallaremos el nivel de iluminacin requerido para la vivienda:

Tabla. 2.2 Niveles de iluminacin vivienda

Aparatos: Hay algunos elementos que no tienen porque funcionar con

electricidad, y otros que, necesariamente son elctricos.

Comencemos a desglosar por importancia y por necesidad elctrica:

Frigorfico: Es uno de los aparatos fundamentales, y, aunque los hay que

funcionan a gas. Creo que deben ser usados los elctricos con

alta eficiencia (Clase A++), por comodidad y menor riesgo para el hogar.

Televisor: Aparato que existe en la inmensa mayora de los hogares.

Computador: Aparato que existe en gran cantidad de hogares.Lavadora: Aparato cada da ms extendido.

Microondas.

Pequeos electrodomsticos: licuadora, tostadora, cargador mvil, etc.

Existen una serie de electrodomsticos que no se deben colocaren una

instalacin fotovoltaica aislada, a no ser que contemos con

energa auxiliar (generador diesel o gasolina). Esto son los siguientes:Cocina vitrocermica: Es un electrodomstico de muy alto consumo. Puede

acabar con la batera en muy poco tiempo, restando mucha energa para el

resto de los consumos. Recomendable cocinar con gas o a lea, segn la zona

geogrfica y disponibilidad.

Termo elctrico para agua caliente: Suelen llevar resistencias de ms de 1000

W, lo cual encarece la instalacin y nos quita mucha autonoma de batera.

ZONA REA (m

2

) POTENCIA (W) TIPO NMERO N. ILUMINA. (lux)Exterior 20 LED 3 150-250

Cocina 9 30 LED 2 300-500

Sala de estar 25 30 LED 3 300

Habitacin 18 15 LED 2 200

Bao 32 12 LED 2 150

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Horno elctrico: Lo mismo que la vitrocermica. Evitar a toda costa.

Aire acondicionado: Gran consumo. Mejor usar ventilador de bajo consumo.

No instalar este aparato si queremos que nuestra instalacin tenga un precio

asequible.

Calefaccin elctrica: No instalar este aparato, puede ser la peor inversin en

una instalacin off-grid.

Secadora: Solo si tenemos apoyo de generador.

Lavavajillas: Este aparato es opcional, si se instala, procurar su uso con

moderacin.

Bombas: Las bombas suelen tener un potente motor, que va a perjudicar por

sus altos picos de potencia al resto de aparatos, adems de provocar grandes

picos de descarga en batera, lo cual no nos va a beneficiar. Se recomienda

poner un bombeo solar, si el uso de la bomba es imprescindible.

Otros: Cualquier aparato de consumos superiores a 200-300 W, deberamos

plantear si es necesario o tenemos alguna alternativa.

Una vez tengamos claro los aparatos a utilizar y conozcamos su potencia,

debemos estimar las horas de funcionamiento diario, semanal y a lo largo del

ao.

En primer lugar debemos de identificar nuestros consumos diarios, para conocer la

energa diaria que necesitaremos en el peor de los casos.

En la tabla de definicin de consumos, utilizamos la descripcin del aparato,las unidades y la potencia en W de cada unidad. Adems, tendremos que estimar

las horas que se usa cada consumo al da.

Seguidamente, deberemos de identificar la tensin que queremos para nuestros

consumos. Es decir si queremos alimentarnos con corriente alterna (AC)o

con corriente continua (DC).

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Si los consumos son muy pequeos, solamente de iluminacin y poco ms, se puede

alimentar el sistema con corriente continua, no teniendo la necesidad de incorporar

un inversor u ondulador DC/AC. Cabe aadir, que estos sistemas tienen mayores

prdidas, necesitan de mayor grosor de cableado, y tienen mayor riesgo para las

personas.

Si los consumos son diarios y van ms all de la iluminacin, ser conveniente elegir

un sistema con corriente alterna, conforme a la tensin del pas donde nos

encontremos (110-230 V/AC).

El rendimiento de los aparatos, va a depender de su eficiencia. Normalmente loselectrodomsticos estn clasificados de la A a la G. Por lo general el rendimiento

estar entre el 85 y el 95 %.

Tabla 2.3: Definicin de Consumos

Obteniendo los resultados de ENERGA TERICA DIARIA de la siguiente

frmula:

E = / % (Wh/da)

RDTO ENERGA TERICA DIARIA

DESCRIPCIN UNIDADES POTENCIA (W) HORASDA ACDC ! (AC) ! (DC) " WHDA

Ilum#$%'$ Ex*#+* 3 20 2 !C 230 2" 90 13333

Ilum#$%'$ C+$% 2 30 5 !C 230 2" 90 33333

Ilum#$%'$ S%l% , -%* 3 30 5 !C 230 2" 90 50000

Ilum#$%'$ %/#%'$ 2 15 1 !C 230 2" 90 3333

Ilum#$%'$ /%0+ 2 12 1 !C 230 2" 90 2##$

1*#+*34#&+ 1 80 8 !C 230 2" 90 $1111

Tl5#-+* 1 80 3 !C 230 2" 90 2###$

M#&*++$,%- 1 $50 01 !C 230 2" 90 8333

L%5%,+*%4*3+ 1 500 1 !C 230 2" 90 5555#

O*,$%,+* 1 100 1 !C 230 2" 90 11111

!%*#+- 1 200 1 !C 230 2" 90 22222

2678987

:7;;928TOTAL ENERGA REAL DIARIA WHDA

TA

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Al final obtendremos una energa terica diaria, que se obtiene de multiplicar las

unidades por la potencia, por las horas/da y por el rendimiento.

Esta energa terica, deber multiplicarse por un factor de correccin que

explicaremos a continuacin, obteniendo la energa real diaria que necesita nuestro

sistema.

1.1. Calculo de rendimiento.El rendimiento de la instalacin, nos va a permitir calcular la energa real diaria,

mediante la obtencin de un coeficiente corrector en % sobre la energa terica.

Tambin se suele llamar "performance ratio", y es un coeficiente que se obtiene de

estimar todas las perdidas posibles. Existen multitud de variables a considerar para la

estimacin del rendimiento de la instalacin. Al tratarse de instalaciones aisladas, y

para simplificar los clculos, yo suelo utilizar las siguientes variables:

Coeficiente perdidas en batera: Son las prdidas ocasionadas en el proceso

de carga y descarga de la propia batera. (+- 5 %).

Coeficiente auto descarga batera: Son las prdidas de la batera en reposo.

(+/- 0,5 %).

Profundidad de descarga batera: Se trata del nivel de descarga a la que

sometemos a la batera, a menor profundidad de descarga mayor rendimiento.

(Entre el 50 y el 80 %).

Coeficiente perdidas conversin DC/AC: Son las prdidas ocasionadas por el

inversor u ondulador, que dependern de la eficiencia de este equipo (Entre el5 y el 8 %).

Coeficiente perdidas cableado: Estas prdidas dependern de la longitud y de

la seccin de los cables. Habr que dedicar un post completo a este tema,

pero como norma general, podemos aplicar un 5 %.

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Autonoma del sistema: Se trata del tiempo de autonoma que dotaremos a

nuestra batera. A mayor tiempo, batera de mayor capacidad y mas fiabilidad

del sistema. Para instalaciones sin apoyo de generador auxiliar, la autonoma

deber ser entre 3 y 5 das. Para instalaciones con apoyo de generador entre 1

y 3 das.

Tabla. 2.4 Performance Ratio

Como se observa, obtenemos un rendimiento del 77,9 %, que dividido por la energa

terica, no dar la energa real diaria. (ver tabla anterior). Este resultado lo hemos

obtenido de la siguiente frmula:

(%) = 1 (1 )

Ahora, necesitamos conocer los consumos semanales, mensuales y anuales.

Si nuestra vivienda o consumo, es de fin de semana, deberemos de calcular 3 das

sobre 7. Si es de uso vacacional, navidades-semana santa-verano, deberemos tener en

cuenta los das de ocupacin semanal y mensual.

Se trata, en resumen de obtener una cifra de energa mensual y anual, que nos servir

para calcular nuestras necesidades de almacenamiento, de potencia mxima, y de

campo fotovoltaico.

Expresaremos esta cifra como un tanto por ciento del total de los das al mes en los

que la casa est en uso:

Coe%iciente &'rdidas en bater(a )b 5*

Coe%iciente a+todescar,a bater(a )a 05*

ro%+ndidad de descar,a bater(a d #0*

Coe%iciente &'rdidas con.ersin DC/!C )c 8*

Coe%iciente &'rdidas cableado ). 5*!+tono(a del sistea d(as "

4endiiento eneral 4 $93*

6!BL! C7LCL 4ED:;:E6

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Tabla. 2.5 Ocupacin mensual

Y la misma tabla con datos de energa:

Tabla 2.6: Demanda energtica diaria

Este cuadro, nos est indicando que nuestras mayores necesidades de energa son los

meses de julio y agosto. Dato que nos servir para calcular la inclinacin mas optima

de la instalacin y las horas sol pico (HSP), adems de la capacidad de

almacenamiento (bateras).

2. ORIENTACIN E INCLINACINPreviamente a definir la potencia del campo fotovoltaico, se calcular la inclinacin

y orientacin ptimas, as como las Horas Sol Pico (HSP). Estos datos nos servirn

para calcular dicha potencia o n de mdulos.

2.1. Conceptos bsicosConceptos bsicos para la ejecucin de estos clculos:

ngulo de inclinacin : ngulo que forma la superficie de los mdulos con el

plano horizontal (figura 1). Su valor es 0para mdulos horizontales y 90 para

verticales.ngulo de azimut : ngulo entre la proyeccin sobre el plano horizontal de la

normal a la superficie del mdulo y el meridiano del lugar (figura 2).

Valores tpicos son 0 para mdulos orientados al sur, 90para mdulos orientados

al este y +90 para mdulos orientados al oeste.

TIPO = OCUPACION

TIPO Ene +n >+l !,o Se&t ct o. Dic

!#5#$,% 50* 50* 20* 20* 20* 50* 100* 100* 20* 20* 20* 50*

"D#%- m$-u%l-

C+$-um+-

TIPO Ene +n >+l !,o Se&t ct o. Dic

!#5#$,% 18$$#3 18$$#3 $5105 $5105 $5105 18$$#3 3$552# 3$552# $5105 $5105 $5105 $5105

E$*23% m,#% ,#%*#% m$-u%l (W)

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Figura1: ngulo de inclinacin Figura2: ngulo de acimut

Declinacin ():Es el ngulo que forma el plano del ecuador de la Tierra con

la lnea situada en el plano de la eclptica, que une los centros del Sol y de la

Tierra (figura 3). Este ngulo vara a lo largo de la rbita de la Tierra alrededor del

Sol, alcanzando valores mximos en los solsticios de verano (declinacin mxima

positiva, = 23,45) e invierno (declinacin mxima negativa, = 23,45) y

valores nulos en los equinoccios (declinacin nula, = 0). Aunque la

declinacin vara se puede suponer que permanece constante a lo largo de un da.

Figura3: Declinacin

La expresin de la declinacin para un determinado da se calcula con la expresin:

=!"#$&'(! *#+ !$ ? = declinacin (grados)

?n @ d(a del ao A13#5 toando 1 coo el &rier d(a de Enero

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Para situar la posicin del sol en el cielo se utiliza el concepto de esfera celeste, que

es una esfera imaginaria de radio arbitrario, centrado en el observador, sobre la quese proyecta la posicin del Sol (figura 4). Cada punto de esta esfera celeste es una

direccin en el cielo vista desde la tierra.

Este sistema de representacin muestra las posiciones del Sol como si tuviera

un movimiento aparente alrededor de la Tierra siguiendo una trayectoria dentro

del plano de la eclptica que forma un ngulo de 23,45 grados con el ecuador de la

esfera celeste. El Sol recorre la eclptica una vez al ao y la esfera celeste gira

una vez al da en torno a la tierra.

En el sistema de coordenadas de la esfera celeste, que es similar al usado para

definir la longitud y latitud terrestres, se especifica la posicin del sol mediante

dos ngulos que se denominan elevacin y acimut (figura 5).

Figura4: Esfera Celeste Figura5: Elevacin y Acimut

Estas coordenadas solares se definen respecto a la direccin vertical que es la

direccin que marcara una plomada, que apuntando hacia abajo, se dirigira hacia el

centro de la Tierra y hacia arriba interceptara a la esfera celeste en un

punto denominado cenit (figura 5). La interseccin con el hemisferio opuesto de la

esfera celeste definira el punto opuesto al cenit denominado nadir. Las

definiciones de las coordenadas solares son:

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Elevacin solar s: es el ngulo que forman los rayos solares con la

horizontal (figuras 5 y 6). Toma valores que van de (90 ) en el

solsticio de invierno a (90 + ) en el solsticio de verano, siendo lalatitud del lugar y la declinacin.

Acimut solar s:ngulo formado por el meridiano del sol y el meridiano del

lugar, tomando como referencia el Sur en el hemisferio norte y el Norte en el

hemisferio sur (figuras 5 y 7). Tiene valores positivos de 0 a 180 hacia el

Oeste y negativos de 0 a 180 hacia el Este.

ngulo o distancia cenital zs:ngulo formado por la direccin del sol y la

vertical. Es el ngulo complementario de la elevacin solar (figura 5).

Figura6 Figura7

La figura 8 representa las trayectorias aparentes del sol en los solsticios de verano e

invierno y en los equinoccios de primavera y otoo, respecto de un observador que

mira al Sur. El resto del ao, el Sol sigue trayectorias intermedias entre lasrepresentadas. La elevacin solar alcanza en los solsticios de verano e invierno sus

valores mximo y mnimo, respectivamente. En la figura 8 se ha marcado la posicin

del Sol a una hora determinada (10AM). El observador porta un plano en el que se

reflejan las diferentes trayectorias anuales del Sol. Este plano recibe el nombre de

carta solar.

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Figura8:

(Fuente: Calculation Solar)

Una vez descritas las coordenadas que nos permiten situar el Sol en el cielo, hay que

situar la superficie del generador fotovoltaico de manera que reciba la

mayor cantidad posible de energa solar. Esto depende de varios factores:

La orientacin de la superficie del generador fotovoltaico.

La inclinacin de dicha superficie.

Los consumos a lo largo del ao: anual, de fin de semana, vacaciones, etc.

La orientacin de un generador fotovoltaico se define mediante coordenadas

angulares, similares a las utilizadas para definir la posicin del Sol:

ngulo de acimut (): ngulo que forma la proyeccin sobre el plano

horizontal de la perpendicular a la superficie del generador y la direccin Sur

(figura 2). Vale 0 si coincide con la orientacin Sur, es positivo hacia el

Oeste y negativo hacia el Este. Si coincide con el Este su valor es 90 y si

coincide con el Oeste su valor es +90.

ngulo de inclinacin (): ngulo que forma la superficie del generador con

el plano horizontal (figura 1). Su valor es 0 si el mdulo se coloca

horizontal y 90 si se coloca vertical.

Una superficie recibe la mayor cantidad posible de energa si es perpendicular a la

direccin del Sol. Como la posicin del Sol vara a lo largo del da, la

posicin ptima de la superficie tambin tendr que ser variable. Veamos cmo es

esa variacin.

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Figura9

Hemos definido la declinacin () como el ngulo variable que forma el ecuador con

el plano de la eclptica. Por lo tanto la direccin de la radiacin solar incidente sobre

la tierra vara en funcin de la declinacin. La latitud () de un lugar A (figura 9)

indica el ngulo que forma la vertical de ese lugar con el ecuador.

Por lo tanto, a lo largo del ao el ngulo cenital zs que forma la vertical de un lugar

A con la direccin de la radiacin solar vara desde zs = en el solsticio de

verano a zs = + en el solsticio de invierno, pasando dos veces por el valor zs =

en los equinoccios del ao.

Por lo tanto, para que una superficie reciba la radiacin solar perpendicularmente

(figura 12) tendremos que inclinar la superficie un ngulo con la horizontal igual al

que forma la vertical del lugar con la radiacin solar.

Tendremos que variar el ngulo de inclinacin desde = en el solsticio de

verano (figura 10.c) a = + en el solsticio de invierno(figura 10.a ), pasando

por el valor = en los equinoccios (figura 10.b).

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Figura10

Aunque hay generadores fotovoltaicos que son capaces de seguir la trayectoria solar,

lo habitual en instalaciones para viviendas es que la superficie del generador sea de

orientacin fija. La orientacin ptima ser un valor constante, con una inclinacin

() que va a depender de la latitud del lugar y un acimut () que depende del

hemisferio en el que est situado el generador.

Figura11

La figura 11 muestra una superficie situada en el hemisferio norte, donde el Sol

sigue una trayectoria Este-Sur-Oeste. Si pretendemos maximizar la captacin de

energa solar, la superficie tendr que estar orientada hacia el Sur y por lo tanto el

ngulo de acimut () debe ser nulo.

El acimut ptimo para que una superficie fija reciba la mayor cantidad posible de

energa solar debe ser cero ( = 0) , la superficie se debe orientar hacia el Sur si

est situada en el hemisferio norte o hacia el Norte si es est en el hemisferio sur.

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Para determinar la inclinacin ptima de una superficie fija se usa una

frmula basada en anlisis estadsticos de radiacin solar anual sobre superficies con

diferentes inclinaciones situadas en lugares de diferentes latitudes, que proporciona

la inclinacin ptima en funcin de la latitud del lugar:

opt= 3,7 + 0,69 ||

opt: ngulo de inclinacin ptima (grados)

||:latitud del lugar, sin signo (grados)

La frmula es vlida para aplicaciones de utilizacin anual que busquen la mximacaptacin de energa solar a lo largo del ao.

(Fuente: Calculation Solar)

2.2. Clculos: Inclinacin y HSP

2.2.1. Localizacin y coordenadas de la parcela:

- Localidad: Ucieda- Ayuntamiento: Ruente (Cantabria)

- Latitud: 43 1531.85N

- Longitud: 4 1448.69

2.2.2. Declinacin solar (?)Debemos de conocer la declinacin solar (), en un momento determinado del ao.

En nuestro caso, elegimos el da central de cada mes Y aplicando la frmula

siguiente, obtendremos dichos valores:

=!"#$&'(! *#+ !$ )? = declinacin (grados)

?n @ d(a del ao A13#5 toando 1 coo el &rier d(a de Enero

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De manera que aplicando el da central de cada mes obtenemos la siguiente tabla:

Tabla. 2.7 Declinacin

La declinacin no es un valor para un lugar determinado sino que es la desviacin

del eje de rotacin para todo el planeta, de ah que nos salgan valores negativos.

2.2.3. Inclinacin ptima (opt)Para que una superficie reciba la radiacin solar optima, tendremos que variar el

ngulo de inclinacin desde opt= en el solsticio de verano a opt= + en el

solsticio de invierno, pasando por el valoropt= en los equinoccios.

Donde:

opt= Inclinacin Optima

= Latitud

= Declinacin

MES $> , ,3% D&l#$%'$

Enero 15 -212$

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En nuestro caso obtendramos los siguientes valores:

Tabla. 2.8 Inclinacin ptima

2.2.4. Radiacin Global Horizontal (Gdm)

Para la obtencin de los datos de radiacin global horizontal. Hemos de utilizar las

coordenadas geogrficas del punto en cuestin, y buscarla en una de las muchas

bases de datos que existen.

En nuestro caso, utilizo la base de datos de la NREL-NASA y obtenemos los

siguientes valores:

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Tabla. 2.9 Radiacin Global Horizontal (BD: NASA)

2.2.5. Radiacin global diaria sobre una superficie inclinada y un ngulo ptimoGdm(0,)

Para la obtencin de la radiacin global diaria optima sobre una superficie inclinada,

usaremos la siguiente frmula:

,-(" .) = 023454652789:;52789:?;+nio #19

>+lio #22

!,osto 5"2

Se&tiebre "32

ct+bre 2$9

o.iebre 1$5

Diciebre 13"

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Que en nuestro caso nos da los siguientes valores:

Tabla. 2.10 Radiacin Global con ngulo ptimo

2.2.6. Obtencin del Factor de Irradiancia (FI)

Siempre que sea posible se debe orientar la superficie del generador de forma

ptima ( = 0 y opt). Sin embargo este requisito no siempre se puede cumplir.

Pueden condicionar la orientacin de la superficie, la integracin arquitectnica,

la resistencia al viento, la acumulacin de nieve, etc.

Para considerar estas prdidas, debidas a la inclinacin y orientacin no ptimas, se

aplica un coeficiente de reduccin de la energa denominado factor de

irradiacin (FI) y que se calcula con las expresiones siguientes:

C D = 1 E 1 5 1 34 F. .ABGH +! 5 $ 1 3I JHK &ara 15GHIH90GC D = 1 E 1 5 1 34 F. .ABGHK &ara IJ15G

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IK inclinacin real de la s+&er%icie G

Io&tK inclinacin &tia de la s+&er%icie G

K aci+t de la s+&er%icie G

En nuestro caso la inclinacin real de la superficie corresponder con la siguiente

figura: =18G &ero coo considerareos la instalacin &er%ectaente orientada al

s+r n+estro Mn,+lo de aci+t @0GN Este FecFo Face O+e &ara n+estro caso sean

.Mlidas abas %r+lasN

Figura 12: Perfil planta de arriba

Utilizaremos los datos obtenidos en los apartados del clculo de la Inclinacin

ptimaopt)

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Tabla. 2.11 Factor de Irradiancia

2.2.7. Obtencin de las horas sol pico da (HSP/da)Multiplicando el factor de irradiancia (FI) por la radiacin global diaria para ngulo

ptimo.

LM/NOP=CD ,-(".)

Tabla. 2.12 Horas sol pico/da

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La siguiente tabla resume todos los valores obtenidos en los anteriores apartados:

Tabla. 2.13 Tabla resumen

Obteniendo los ngulos de inclinacin a travs de las siguientes frmulas:

DQRSTUVWUX = .1 Y&&

DUVWUX =!5Z+(5[\P]^]_N)

D`aVbWcab = d %ef_gPf^h'i .j 12Hik2d %ef_gPf^h'i 12Hik2

Ddel mes ms desfavorable corresponde a Diciembre donde tenemos la mnimaradiaccin global.

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2.3. Estructura Soporte

Los elementos tales como las bateras, inversor, regulador, etc, estarn ubicados en la

buhardilla de la vivienda de forma que queden protegidos de la intemperie, y la

distancia entre ellos sea la mnima posible, limitando as las prdidas en el cableado.

Las bateras irn colocadas sobre una tarima de madera y el local constar de

ventilacin natural para evitar la posible acumulacin de los gases generados por las

bateras.

Para el montaje de los paneles utilizaremos el modelo de estructura ensamblada en el

tejado mediante perfiles de acero laminado conformado en fro con secciones

estndar de construccin, sujetados mediante tornillera de acero inoxidable.

Fig 13: Integracin arquitectnica: estructura soporte

Este tipo de estructura asegura una fijacin resistente al viento y a la corrosin

durante la vida til de la instalacin (aproximadamente 25 aos).

La estructura soporte de mdulos est calculada de acuerdo a la normativa bsica de

la edificacin NBE-AE-88. Los mdulos de cada serie irn fijados sobre dos perfiles

de acero, los cuales irn a su vez fijados a los soportes de la cubierta del tejado. La

estructura de fijacin permite las necesarias dilataciones trmicas, sin transmitir

cargas que puedan afectar a la integridad de los mdulos.

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La estructura de fijacin es de perfilera de acero laminado conformado en fro con

secciones estndar de construccin, cumplir la Norma MV-102 para garantizar

todas sus caractersticas mecnicas y de composicin qumica.

Toda la tornillera es de acero inoxidable cumpliendo la Norma MV-106.

En el croquis siguiente se muestra el detalle en seccin del diseo de la estructura

sujecin. Se realizarn 3 series de 9 mdulos con la siguiente perfilera.

Este tipo de estructura asegura una fijacin resistente al viento y a la corrosin

durante los 25 aos de vida esperada del sistema

Fig 14: Detalle Estructura Sujeccin

2.4. Distancia entre paneles (Distmin)

Existirn unas distancias mnimas de posicionamiento de los paneles, de manera que

al colocarlos con su inclinacin requerida, no proyecten sombras sobre ningn otro

panel.

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l^]-i = @ (mno M + &' M]p qrst)

Donde:

S = inclinacin ptima anual: 43.29

B = longitud del panel (caractersticas fsicas): 1640 mm

min = ngulo mnimo de incidencia (corresponde con la elevacin solar s), en

nuestro caso se produce en Diciembre y es de 23.45

Luego:

l^]-i = 1# YY umno #!5[v + owx #!5[vyz !5#$v { = !Z*5 ||

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3. DIMENSIONADO DEL CAMPO FOTOVOLTAICO

3.1. Clculo del nmero de paneles

Tabla. 2.14 Parmetros instalacin mdulos

Donde:

QT} = QT} F( $ ~ ) %/vG= ! F($v5#[v) (5#$)G = !151!

25C = temperatura de referencia

T = Temperatura media mensual mxima diaria (3 meses ms calurosos)

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Tabla. 2.15 Parmetros dimensionado mdulos

Donde:

RSR = L M T RSR =!Z$$5 /NOP

51Z LM [$5*$ 1=1*$5#

Tabla. 2.16 Nmero y ramas de mdulos fotovoltaicos

Obtenemos el clculo del nmero de mdulos de la siguiente manera. En primerlugar calcularemos el nmero de mdulos a instalar en serie recomendados. Para ello

hay que tener en cuenta el regulador que hemos escogido (detallado ms abajo),

concretamente el voltaje mximo con el que puede trabajar, voltaje mximo que

puede asumir. Por lo que:

RSR RQ = Q =1$ !Z =#5$ YhN_

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VMP: tensin mxima de la instalacin permitida por el regulador (abajo:

caractersticas regulador)

VOC: tensin a circuito abierto del mdulo

Redondearemos a la baja puesto no podemos superar el VMP del regulador, de modo

que los mdulos recomendados a instalar en serie sern: 4

El nmero de ramas en paralelo para alcanzar las exigencias energticas del proyecto

vendrn dados por:

TT RQ = RSRQT} RSR RQ = 1*$5# !151! # = 15[$ PYP gPP&

Redondeamos hacia arriba y tendremos un total de 2 ramas en paralelo, con lo que el

nmero total de paneles recomendados sern:

4 mdulos en serie x 2 ramas en paralelo = 8 mdulos

Los cuales nos darn una potencia total pico de: T = * YN QT} = * ! = 1*#

La cual se nos queda un poco por encima de la potencia pico de los mdulos

calculada: PP SERIE= 1805.46 WP. Debido a lo cual se opta por aadir una rama ms en

paralelo y quitar un mdulo de cada serie, es decir, la disposicin quedar de la

siguiente forma:

3 ramas en paralelo x 3 mdulos en serie/rama = 9 mdulos

Lo que nos da una potencia total pico de:

T = [ YN QT} = [ ! = Z

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Hoy en da no supone elevar el coste de una instalacin de esta magnitud el aadir un

mdulo ms puesto que el grueso del coste de la instalacin estar en las bateras

principalmente.

3.2. Regulador

Las necesidades de potencia fotovoltaica, tambin dependen directamente de la

eficiencia del regulador de carga. Un regulador del tipo MPPT, con eficiencias del

98-99 %, en algunos casos puede hacer que se precise de uno o varios mdulos de

menos (dependiendo de la dimensin del sistema) que si utilizsemos un regulador

convencional del tipo PWM con eficiencias entre el 75-80 %.

Tabla. 2.17 Parmetros dimensionado regulador

Donde:

DQT = a`25HIb D DT = DQT ~]P YhN_ P ^']PP

DQT = 25HIH4 *5 = 151# DT = 151# [ YN = [15#

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DQ = c25HIb

DQ D = DQ ~]P YhN_ P ^']PPDQT = H>5 25HIH4 Z5Z! = 7.68 A DT = Z5* [ YN = [511

De manera que teniendo en cuenta lo anterior y las necesidades de la instalacin se

ha seleccionado el siguiente regulador: OUTBACK FM 80A - 24V

Figura 14 Caractersticas regulador

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Tabla. 2.18 Regulador

3.3. BaterasEn el clculo del conjunto de bateras de la instalacin debemos tener en cuenta una

serie de factores:

-nmero de das de autonoma: el IDAE ofrece en la siguiente tabla un

nmero de das de autonomas recomendables, mximos y mnimos para cada

comunidad. Si siguiramos stos datos, nos supondra un coste muy elevado para la

instalacin e innecesario, por lo que como el pliego de condicion

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