¿Cómo diseñar un sistema solar fuera de la red o Aislado?
El diseño de un sistema solar fuera de la red consta básicamente de 4 pasos:
- Determinación del uso de energía que debe suministrar el sistema. Evaluación de carga
- Determinación de capacidad de almacenamiento de batería requerido.
- Determinación de la generación de energía requerida del arreglo FV u otras fuentes (por ejemplo: cargador de batería, generador, etc)
- Selección del resto de los componentes del sistema.
1) EVALUACIÓN DE CARGA
La energía eléctrica se suministra desde las baterías (para aparatos de corriente continua) o mediante un inversor para alimentar energía eléctrica en corriente alterna ya sea a 110Vac monofásico, 220Vac fase dividida (Bifásica) o 220Vac trifásico.
Primero se determina el requerimiento diario de energía para todos los electrodomésticos:
Se multiplica la potencia del dispositivo por la cantidad de horas por día que se desea operar. El resultado es la energía (Wh) consumida por el aparato por día.
¡EL CLIENTE necesita participar en este paso, ya que solo él sabe cuánto tiempo y como utiliza los equipos!
Si el sistema aislado falla, a menudo se debe a que EL CLIENTE CREÍA QUE PODRÍAN OBTENER MÁS ENERGÍA DE SU SISTEMA, QUE EL QUE SISTEMA PODRÍA APORTAR.
El diseñador de un sistema aislado debe insistir en trabajar en conjunto con el cliente y realizar un análisis de carga detallado como se muestra a continuación:
Hoja de Excel para Aislado, lista de verificación, utilizando los siguientes números:
Para todos los dispositivos de CA, debemos tomar en cuenta que la eficiencia del inversor incluyendo las perdidas es aproximadamente de 80-90% siendo conservadores. Aquí usamos 90%
Todos los electrodomésticos de CA:
Carga diaria de la batería (energía) de las cargas en CA = 2500Wh x (1+(1-.9)) = 2750 Wh
APARATOS DC: (Refrigerador Solar)
Carga diaria de la batería (energía) de las cargas de CC = 120 Wh
Para obtener la carga total (energía) requerida de la batería, suma los dos datos:
2750 + 120 = 2870Wh
SELECCION DE BATERIA Solar
Primero determine el voltaje del sistema:
La mayoría de los sistemas solares fuera de la red tienen 12, 24 o 48 voltios.
Si el inversor se encuentra lejos de las baterías, se sugiere utilizar un voltaje más elevado para evitar altas perdidas por el cableado.
Cuanto más grande es el sistema, se usa mayor voltaje.
Los sistemas pequeños de hasta 1kWh usan 12v, más grandes hasta 4Wh de 24v y para sistemas con mayor capacidad que 4kWh usan 48v.
Para nuestro sistema determinamos: 2870Wh de consumo diario de energía.
Para convertir Wh en Ah: se divide el Wh entre el voltaje de la batería.
2870Wh / 24V = 119.58Ah
119.58 Ah es el tamaño mínimo absoluto de la batería para cubrir la demanda diaria de 2870Wh.
Se deben tomar en cuenta los siguientes parámetros al diseñar el banco de baterías:
- a) Demanda diaria de energía
- b) Profundidad máxima de descarga
- c) Número de días de autonomía.
Los picos y la demanda de carga deben considerarse en un caso ideal.
Los factores mencionados anteriormente aumentan el tamaño de la batería para satisfacer la demanda de las cargas instaladas.
Primero: Profundidad máxima de descarga
La mayoría de los fabricantes de baterías recomiendan una profundidad máxima de descarga (DOD). Si esta recomendación no se sigue la vida útil de la batería puede reducirse drásticamente. La mayoría de los fabricantes sugieren alrededor del 50%, pero algunas son aún más altas.
Usamos 60% en nuestro ejemplo:
Capacidad del banco de baterías = Para mantener 119.58Ah al 60% DOD (119.58/.60) => Necesitamos 199.3 Ah de capacidad real del banco de baterías.
Segundo: Días de autonomía
La mayoría de los sistemas requieren aproximadamente 3 días de autonomía.
Consejo: un generador puede ayudar a reducir la cantidad de días autónomos en el diseño del sistema y por lo tanto, ayuda a reducir el tamaño y el costo del banco de baterías.
Capacidad de la batería = 199.3 Ah x 3 días = 597.9 Ah
Deberíamos usar un banco de baterías a 24V de por lo menos 598 Ah para satisfacer la demanda de energía mencionada anteriormente.
Otros factores que afectan el cálculo incluyen: velocidad de descarga de la batería, disminución de eficiencia por la temperatura de la batería, los cuales no se han incluido en esta ocasión.
TAMAÑO DEL PANEL FOTOVOLTAICO
Es una buena idea diseñar el sistema considerando el mes con la irradiación más baja, si no se cuentan con otros requerimientos
Requerimiento diario de energía del panel FV:
Para determinar la energía requerida del arreglo FV, es necesario aumentar la energía requerida por el banco de baterías para tener en cuenta la eficiencia de la batería.
La eficiencia promedio de una batería nueva es del 90%.
En nuestro ejemplo: la energía de batería requerida es 119.58Ah
Al 90% de eficiencia: 119.58 = 131.54Ah
Asumimos 4 horas pico de sol durante diciembre en México:
131.54Ah / 4 horas de sol = 32.88A
Para garantizar la carga adecuada del banco de baterías, el panel solar debe estar sobredimensionado al menos en un 10%:
32.88A + 10% = 36.17A Es la corriente de salida PV requerida.
La reducción de eficiencia por temperatura del módulo FV, debe considerarse en el cálculo anterior.
Número de módulos requeridos:
Para determinar el número de paneles por serie, tenemos que considerar que un sistema de 24 V necesita al menos paneles de 24 V o más. La mayoría de los paneles de 60 celdas tienen un voltaje nominal de más de 30 V y son una buena opción. Usamos un panel de 240W en este caso.
En segundo lugar, para determina el número de strings en paralelo, la corriente de salida del arreglo FV requerida (en Aperes) se divide por la corriente de salida de cada módulo (en Amperes).
Utilizamos un módulo de 240 W de 60 celdas con una corriente de salida de 8 A.
Entonces: 36.17A/ 8A = 4.52 Módulos
¿Redondeamos hacia arriba o hacia abajo? Si quieres ser conservador, se redondea hacia arriba.
Esto se necesita determinar para cada sistema.
Entonces necesitaríamos 1 Módulo en serie con 30V y 5 en paralelo. 5 paneles de 240W = clasificación máxima: 1200 Wp de paneles.
SELECCION INVERSOR
TAMAÑO DEL INVERSOR Solar
El inversor seleccionado debe ser capaz de suministrar energía continua a todas las cargas de CA
Y proporcionar suficiente capacidad de sobre voltaje (pico) para iniciar cualquier carga que pueda surgir cuando se enciende y particularmente si encienden al mismo tiempo.
CONTROLADORES de carga
Controlador conmutado estándar
A menos que el controlador sea un modelo actualmente limitado, estos deben ser dimensionados para que sean capaces de llevar el 125% de la corriente de cortocircuito del conjunto y soportar el voltaje de circuito abierto del conjunto.