INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

Ángel Ayala Rodrigo CPR MÉRIDA FEBRERO 2012

Programa:1. Sistemas fotovoltaicos:• Aislados.• Conexión a red.• Bombeo.

2. Componentes de una instalación:• Paneles.• Reguladores/Maximizadores.• Acumuladores.• Inversores.• Grupos de apoyo.• Automatismos.• Bombas y auxiliares.

3. Métodos de cálculo:• Personalizado.• Programas de cálculo.

4. Realización de diversas prácticas:• Montaje de una instalación aislada.• Montaje del sistema de apoyo de la misma.• Montaje de los automatismos de la instalación.• Montaje de un sistema de bombeo con FV.

5. Elaboración de diversos presupuestos de instalaciones reales.

6. Análisis de métodos de mantenimiento de instalaciones solares FV.

Potencia y Energía

Potencia ≠ Energía Energía = Potencia x Tiempo ¿Cuánta energía genera un módulo fotovoltaico de 150wp instalado en Mérida?:

Min: Módulo 150wp en invierno................................Eg = 150 x 2,5H = 375 wh/día

Energía generada = Potencia pico x HSP

Max: Módulo 150wp en verano..................................Eg = 150 x 6,5H = 975 wh/día

Potencia y Energía

Central hidroeléctrica de Alcántara: P= 915 Mw

Energía generada = Potencia x horas de funcionamiento

Eg = 915 x 24h x 40d = 878.400 Mwh/año = 878 Gwh/año

Central Nuclear de Almaraz: P= 2 x 980 Mw / 13.500 Gwh/año

Energía generada = Potencia x horas de funcionamiento

Eg = 980 x 24h x 300d = 7.056.000 Mwh/año = 7.056 Gwh/año

P=915MwP=2x980Mw

Potencia y Energía

70 Mw 400m€ 150Ha 39.000 hogares84.000 Tm CO2/año

CO2 de un coche: 100g/Km (30.000 Km/año) ≅ 3 Tm/año

84.000 Tm ≅ 28.000 coches/año

3,3Kw ....... 1 hogar ⇒ 1 Mw ...... 303 hogares ≅ 1.200 personas

70 Mw .......... 21.212 hogares ≅ 84.000 personas (en P)

Producción: 70 Mw x 5HSP/d = 350 Mwh /d ≅ 128Gwh/año

Consumo: Consumo per/día ≅ 5Kwh ⇒ 1,8 Mwh/año

Suministro: 128.000Mwh/1,8Mwh = 71.111 per. ≅ 18.000 hogares

TIPOS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS I

Instalación aislada

TIPOS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS II

Conexión a red

TIPOS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS III

Bombeo FV

TIPOS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS IV

Centros de telecomunicaciones

INSTALACIONES AISLADAS

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS I1º- DATOS DE LA INSTALACIÓN:

- Para Extremadura, con una orientación Sur/45º de inclinación y sin seguimiento solar, tenemos:

- Las Coordenadas geográficas, la orientación y el seguimiento determinan las HSP (Irradiancia

máxima 1000w/m2 ; Irradiación media anual en Badajoz 1.726kwh/m2 ).

- Uso de la vivienda: residencia permanente, de fin de semana o de vacaciones.

En Extremadura k ≈ 2,5→ d = 2,5h

dβ

HSP = 0,2778. K. H K: Coef. De inclinación H: Iradiación solar en kwh/m2

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS I’-INFLUENCIA DE LA DESORIENTACIÓN DE LOS PANELES I:

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS I’’-INFLUENCIA DE LA DESORIENTACIÓN DE LOS PANELES I:

*Las pérdidas por desorientación o inclinación inadecuada, por buscar la integración o la superposición, que provocarán unas pérdidas del x%, se puede compensar con el aumento correspondiente de la potencia pico del campo de paneles, aplicando la siguiente regla:

Ppreal – x% = Ppreal(1 – 0,x) = Pp Ppreal = Pp/ (1-0,x)

*Así por ejemplo, para una instalación de Pp = 800wp, para compensar las pérdidas de una instalación en fachada (30%) tendríamos que aumentar la potencia del campo de paneles de 800wp a:

Ppreal – 30% = Ppreal(1 – 0,30) = 800wp Ppreal = 800/ (0,7) = 1143wp

*Observar que el aumento es del 42,8% no del 30%, es decir no podemos hacer:

800wp + 30% de 800 = 1040wp, pues al perder el 30% quedaría 728wp.

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS I’’’-INFLUENCIA DE LA DESORIENTACIÓN DE LOS PANELES II:

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS I’’’’

*El requerimiento de espacio por Kwp instalado es: -Para sistemas fijos aprox. 30m2. -Para sistemas de un eje aprox. 45m2. -Para sistemas de dos ejes aprox. 60m2 .

*La mejora del rendimiento por el uso de seguidores solares es de aproximadamente el 26% para un eje y del 40% para dos ejes.

-INFLUENCIA DE LOS SEGUIDORES SOLARES:

*Para generar 1Gwh / anual en España, se necesitarían: -666Kwp con una planta fija. -523Kwp con seguimiento a un eje. -480Kwp con seguimiento a los 2 ejes.

*El sobrecoste de la estructura de una instalación con seguidor a un eje es de aproximadamente el 66% y con seguidor a dos ejes es de aproximadamente del 73%.

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS I’’’’’-INFLUENCIA DE LOS SEGUIDORES SOLARES DE UN EJE:

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS I’’’’’’-INFLUENCIA DE LOS SEGUIDORES SOLARES DE DOS EJES:

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS II2º- CONSUMOS Y POTENCIAS DE LA INSTALACIÓN:

Elemento: Potencia inst.: Horas consumo: Consumo/día:

Iluminación: 10w x 8 P = 80w Horas consumo:5h Consumo/día: 400w.h

TV: 100w P = 100w Horas consumo:6h Consumo/día: 600w.h

Frigorífico: * Pi = 200w Horas consumo:* Consumo/día: 1000w.h

Lavadora: 500w P = 500w Horas consumo:1h Consumo/día: 500w.h

Microondas: 900w P = 900w Horas consumo:1/2h Consumo/día: 450w.h

Vitrocerámica:1500w P = 1500w Horas consumo:1h Consumo/día: 1500w.h Peq. Electrodom.:500w P = 500w Horas consumo:1/2h Consumo/día: 250w.h

Radiador: 1000w P = 1000w Horas consumo:2h Consumo/día: 2000w.h

Bomba agua**: 1200w P = 1200w Horas consumo:1/2h Consumo/día: 600w.h

*Frigorífico: 350L/ “A”....... 365Kwh/año...........Inv < 50% / Ver > 300%......Consumo medio = 1Kwh/día

Multimedia: 200w P = 200w Horas consumo:3h Consumo/día: 600w.h

TOTALES: Pti = 6180w x 0,7(Coef. de simult.) = 4.326w ⇒ 5Kw Consumo/día(Cd): 7.900w.h

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS II’

Eficiencia Energética en aparatos eléctricos

IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía)

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS II’’

*** Lo correcto es hacer el cálculo para invierno y verano, diferenciados por el uso del frigorífico y del radiador. En nuestro ejemplo lo supondremos compensado (frigorífico con radiador), considerando el consumo de invierno como base del cálculo.

** Para el cálculo de la bomba tendremos en cuenta los siguientes parámetros:

H de hasta 30m con un caudal de 2000 L/h ⇒ Pmec = 1CV = 736w ⇒ P = 736/0,8 = 920w

o de forma experimental ⇒ 1CV ≡ 5,5A a 220v = 1210w

**** En cuanto a la calefacción y el ACS se dotará con Energía Solar Térmica ( paneles térmicos y suelo radiante), además de buscar en la construcción una eficiencia energética apropiada. Para ganar en fiabilidad y seguridad de la instalación usaremos una caldera de apoyo.

Potencia total de la instalación: Pti = 5Kw

Consumo/ día: Cd = 7.900whEn nuestro ejemplo:

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS III

Energía generada por el campo de paneles en un día = Consumo diario de la instalación

Egpan/d = Cd

Egpan/d = Ppan x HSP Ppan = Cd /HSP

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS III’

3º- CAMPO DE PANELES:

Ppan = Cd /HSP

*El cálculo se debe hacer para INV y VER y se elige un valor intermedio compensando con el grupo electrógeno (GE) en invierno.

Ppan INV= Cd INV / 2,5H

Ppan VER= Cd VER / 6,5H

**Si se trata de una vivienda de fin de semana o vacaciones, el cálculo se hará por semanas o meses en lugar de por días, es decir:

Ppan = Cd x Nº días de uso / HSP x Nº días de carga

Ej. Fin de semana: Ppan INV = Cd INV x 2 d / 2,5H x 7

En nuestro ejemplo: Suponiendo vivienda de uso permanente

Ppan INV= 7.900wh / 2,5H = 3.160 wp

Ppan VER= 7.900wh / 6,5H = 1.215 wp

Ppan > (3.160 + 1.215)/2 > 2.187wp ⇒ Ppan = 2.500wp

Ppan VER = Cd VER x 2 d / 6,5H x 7

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS III’’

***El número de paneles vendrá dado por la tensión del sistema, la cual la fijará la potencia de la instalación:

Nºpan = Ppan / P1p

Pti < 1500w ⇒ Vs = 12v ⇒ Nº par o impar (Paneles de 12v)

1500w < Pti < 3500w ⇒ Vs = 24v ⇒ Nº par (Pan. 12v/24v) o impar (24v)

Pti > 3500w ⇒ Vs = 48v ⇒ Nº par (Pan. 12v/24v)

-Por lo tanto habrá que realizar el cálculo para diferentes potencias de panel unitario, con el fin de elegir la combinación más apropiada, además de tener en cuenta las ofertas del mercado.

Nºpan = Ppan / P1p

En nuestro ejemplo: Suponemos Vpan = 24v

Nºpan = 2500 / 190 = 13,15 pan

Nºpan = 2500 / 170 = 14,70 pan

Nºpan = 2500 / 150 = 16,66 pan

Nºpan = 2500 / 165 = 15,15 pan

Pti = 5Kw ⇒ Vs = 48v

⇒ Nºpan = x 2

14 pan (7x 2)/170w/24v

*Suponemos este panel por oferta del mercado

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS III’’’700€

170w/24v

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS III’’’’

Conexionado de los paneles

3 x 24v/5A

3 x 24v/5A

24v/15A

24v/15A

48v/15A

P1p = 24v x 5A = 120w ⇒ PT = 6 x 120W = 720w

+

-

ó bien: PT = 48v x 15A = 720w

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IV4º- ACUMULADORES:

A - IDAE: Se basa en calcular las baterías a partir de los paneles.

- Se contempla la eficiencia energética.

- Tendremos una autonomía (N) de aproximadamente 7 días.

Cbat = 25 x 1,25 x Incpan

.Cbat: Capacidad de las baterías a C100 (descarga lenta) (A.h)

.Incpan: Intensidad nominal del campo de paneles (A)

Incpan = In1p x Nº ramas en paralelo del campo de panelesEn nuestro ejemplo:

In1p = 4,7 A

Incpan = 4,7 x 7 = 32,9A Cbat = 25 x 1,25 x 32,9 = 1.028Ah

Habrá que poner 24 vasos de 2v y de 1.028Ah 24 vasos de 1.200Ah/2v

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IV’

Cbat = 1200Ah = 1200Ah x 48v = 57.600wh

- Autonomía (N):

Capacidad real con una profundidad de descarga del 80% :

Cbat.r= Cbat x pd = 57.600wh x 0,8 = 46.080wh

Días de autonomía = Capacidad real de las baterías / Consumo diario

N = Cbat.r / Cd ⇒ N = 46.080wh / 7.900wh = 5,8 días*

*Vemos que N<7 debido a que acortamos el nº de paneles de 14,70 a 14

- Vida de las baterías:

% profundidad de ciclaje diario = Consumo diario(Ah) / Vs = 7.900wh / 48v =164,5Ah ≡ 13,7% del total (1.200Ah).......Sobre las tablas de vida de las baterías (diap.sig.) tenemos:

≡ 6.500 ciclos / 365 = 17,8 años

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IV’’

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IV’’’

Conexionado de los acumuladores

VT = 12 x 2v = 24v

IT = 600A

O bien: E1b = 2v x 600Ah = 1200wh ⇒ ET = 12 x 1200wh = 14400wh

+ -

12 vasos de Cbat = 2v/600AhPT = 24v x 600 A = 14.400w

ET = 14.400wh

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IV’’’’

B – Por la autonomía: Se basa en calcular las baterías a partir de la autonomía deseada y posteriormente calcular el campo de paneles. Especialmente útil para el cálculo de repetidores de telecomunicación.

Cbat (wh) = Cd (wh) x N (días) / pd (0,8) Cbat (Ah) = Cbat (wh) / Vs

En nuestro ejemplo:

-Supongamos una N = 15 días

Cbat (wh) = Cd (wh) x N (días) / pd (0,8) = 7.900wh x 15d /0,8 = 148.125wh

Cbat (Ah) = Cbat (wh) / Vs = 148.125wh / 48v = 3.085Ah

-De aquí obtendríamos la Incpan: Cbat = 25 x 1,25 x Incpan ⇒

Incpan = Cbat / 25 x 1,25 = 3.085 Ah /25 x 1,25 = 98,7A

-De donde podemos deducir el nº de paneles necesarios para conformar el campo de paneles:

Incpan = In1p x Nº ramas en paralelo ⇒ Nº ramas = 98,7A / 4,7A = 21ramas

Por lo tanto, sabiendo que Vs = 48v (2 x 24v) ⇒ Nºpan = Nº ramas x 2 = 42 paneles

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IV’’’’’

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS V5º- REGULADOR:

Ireg (A) = 1,25 x Icortocpan

-O de forma práctica aproximada: Ireg (A) ≈ Incpan

En nuestro ejemplo:

-La Icorto del panel = 5,2A

Por tanto: Icortocpan = 5,2 x Nº ramas = 5,2 x 7 = 36,4A

Ireg (A) = 1,25 x 36,4 = 45,5A Ireg (A) = 45A ó 50A/48v

250€

Conexionado del regulador

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS V’

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS V’’

Conexionado de dos reguladores (Ireg>60A)

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS V’’’

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS VI6º- INVERSOR: Convierte la cc de la baterías en ca

Pinv = Pti / ηinv ≈ Pti / 0,8

-El inversor debe reunir dos características fundamentales:

1- Función cargador desde el grupo hacia las baterías.

Pcarga ≈ ½ Pinv 2- Ha de entregar ca senoidal pura.

En nuestro ejemplo:

Pinv = 5000w / 0,8 = 6250w Pinv ≈ 5.000w de 48v/230v

Por oferta comercial

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS VI’

5.000€

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS VII7º- GRUPO ELECTRÓGENO:

Egpan/d = Ppan x HSP = Cd

Egpaninv/d = Ppaninv x 2,5h = 2.500w x 2,5h = 6.250wh

Cd = 7.900wh ⇒ Egginv/d = Cd - Egpaninv/d = 7.900wh - 6.250wh = 1.650wh

Tfginv/d = Egginv / Pg = 1.650wh / 2.500w = 0.66h = 39’

- El tiempo diario de funcionamiento del grupo en invierno (Tfginv/d) será:

*Sabemos que la Potencia del grupo es de ½ Pinv

En nuestro ejemplo:

Pg = 2.500w

- La energía diaria que debe generar el grupo en invierno (Egginv/d) para compensar la no generada por los paneles que faltan, será:

Tfginv/d = 39’

Egginv/d = Cd - Egpaninv/d

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS VII’

Consumo ≈ 1,5L/h

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS VII’’

5.000w

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS VIII8º- INSTALACIÓN ELÉCTRICA:

∆V≤3%

∆V≤3%

∆V≤1%

∆V≤1%

∆V = 2PL/CUS

∆V: Caída de tensión en la línea.

P: Potencia a soportar por el tramo de línea.

L: Longitud del tramo.

C: (1/σ) Conductividad del material (Cu: 58,8 m/mm2.Ω).

U: Tensión de trabajo del tramo de línea.

S:Sección de la línea.

S = 2PL/CU∆V

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS VIII’

En nuestro ejemplo:

S = 2PL/CU∆V

-Tramo PAN-REG: (L=5m)

S = 2x2.500x5/59x48x(48x0,03) =6,1mm2

-Tramo REG-BAT: (L=2m)

S = 2PL/CU∆V S = 2x2.500x2/59x48x(48x0,01) = 7,4mm2

-Tramo BAT-INV: (L=2m)

S = 2PL/CU∆V S =2x5000x2/59x48x(48x0,01) = 14,7mm2

-Tramo INV-CGP-CARGA: (L=2m)/ X mS =2x5000x2/59x230x(230x0,03)=0,21mm2S = 2PL/CU∆V

S = 10mm2 (1€/m-100m)

S = 10mm2 (1€/m-100m)

S = 16mm2 (1,5€/m-100m)

S = 1,5mm2(Al..0,3€/m-100m); 2,5mm2(Fu..0,4€/m-100m); 4mm2(Pot..0,5€/m-100m)

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IX

9º- PROTECCIONES:

-Tramo PAN-REG: Magnetotérmico bipolar (Icorte = Ireg).

-Tramo REG-BAT: Opcional: Magnetotérmico bipolar (Icorte = Ireg).

-Tramo BAT-INV: Fusible (Icorte = Iinv = Pinv/Vs).

-Tramo INV-CARGA: CGP normal (IG + ID + PIAs).

-Tramo GE-INV: Magnetotérmico.

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IX’

En nuestro ejemplo:

-Tramo PAN-REG: Magnetotérmico bipolar (Icorte = Ireg = 50A)............... 20€

-Tramo REG - BAT: Magnetotérmico bipolar (Icorte = Ireg = 50A)............. 20€

-Tramo BAT-INV: Fusible (Icorte = Iinv = 104A)...................................... 120€*

-Tramo INV-CARGA: CGP:

IG: 25A............................................................... 20€

DIF: 25A/30mA.................................................. 20€

PIAs (20A/15A/10A)......................... 10€ X 3 = 30€

-Tramo GE-INV: Magnetotérmico bipolar (Icorte = 50A).............................. 20€

TOTAL CGP......................... 326€

-Armario CGP...................................................................................................76€

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IX’’

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IX’’’

CÁLCULO DE INSTALACIONES AISLADAS IX’’’’

10º- AUTOMATISMOS:

PRESUPUESTO DE LA INSTALACIÓN

-PANELES: 14 pan de 170w/24v............................................14 x 700€ = 9.800€

-ACUMULADORES: 24 vasos de 1.200Ah/2v.....................24 x 437€ = 10.248€

-REGULADOR: 50A/12-48v......................................................................... 250€ -INVERSOR: 5.000w/48V/230v................................................................. 5.000€

-GRUPO ELECTRÓGENO: 2.500w/Diesel/Arranque Eléctrico................. 836€ -CABLES: Pan-Reg(5m) + Reg-Bat(2m) + Bat-Inv(2m) + Inv-CGP(2m) + GE-Inv(10m)...................................................................................................... 15€ -PROTECCIONES:....................................................................................... 326€

-CONECTORES:............................................................................................. 75€

-MONTAJE:............................................................................................... 2.000€*

-ESTRUCTURA:....................................................................................... 1.000€*

TOTAL...................... 29.545€