Diseño e Instalación de Sistemas Fotovoltaicos Solares
La sociedad moderna depende de la energía para necesidades diarias como la industria, el calefacción, el transporte y la agricultura, que se satisfacen principalmente con fuentes no renovables (carbón, petróleo, gas). Sin embargo, estas causan daños ambientales, están distribuidas de manera desigual y enfrentan volatilidad en los precios debido a reservas limitadas, lo que impulsa la demanda de energías renovables.
La energía solar, abundante y capaz de satisfacer las necesidades globales, destaca. Los sistemas fotovoltaicos autónomos (Fig. 1) ofrecen independencia energética de las empresas de servicios públicos. A continuación, se presenta un resumen de su planificación, diseño e instalación para la generación de electricidad.
Planificación de un Sistema Fotovoltaico Autónomo
Evaluación y Estudio del Sitio:
Minimización de la Sombra: Asegúrese de que el sitio de instalación (techo o suelo) esté libre de estructuras que proyecten sombra y de que no haya construcciones futuras que bloqueen la radiación solar.
Área de Superficie: Determine el área del sitio para estimar el número/tamaño de paneles fotovoltaicos y planifique la colocación de inversores, convertidores y bancos de baterías.
Consideraciones del Techo: Para techos inclinados, anote el ángulo de inclinación y utilice montajes adecuados para maximizar la incidencia solar (idealmente perpendicular a los paneles).
Ruteo de Cables: Planifique las rutas para los cables (que conectan el inversor, el banco de baterías, el controlador de carga y el arreglo fotovoltaico) para minimizar el uso de cables y la caída de tensión, equilibrando eficiencia y costos.
Evaluación de Recursos de Energía Solar:
Datos de Insolación: Mida u obtenga (de estaciones meteorológicas) la energía solar recibida, utilizando kilovatios-hora por metro cuadrado por día (kWh/m²/día) o Horas Pico Solares Diarias (HPS, horas con irradiancia promedio de 1000 W/m²).
Métrica Clave: Use HPS para cálculos simplificados (distinga de "horas de sol promedio", que refleja duración más que energía). Adopte la insolación mensual media más baja para garantizar la confiabilidad del sistema durante períodos de bajo sol.
Consideraciones para Sistemas Fotovoltaicos Autónomos
1. Cálculo de la Demanda de Energía
El tamaño del sistema depende de la demanda de carga, calculada como:
Demanda de energía diaria (Wh) = Suma de (potencia nominal del electrodoméstico en vatios × horas de operación diarias).
Use la demanda diaria más alta para equilibrar confiabilidad y costos (asegura la operación durante el uso pico, aunque esto aumenta el costo del sistema).
2. Dimensionamiento del Inversor y Controlador de Carga
Inversor: Calificado 25% más alto que la carga total (para tener en cuenta las pérdidas).
Ejemplo: Para una carga de 2400W, se necesita un inversor de 3000W (2400W × 1.25).
Controlador de Carga: Corriente nominal = 125% de la corriente de cortocircuito del panel fotovoltaico (factor de seguridad).
Ejemplo: 4 paneles con 10A de corriente de cortocircuito requieren un controlador de 50A (4×10A ×1.25).
Nota: Los controladores MPPT siguen las especificaciones del fabricante.
3. Energía Diaria al Inversor
Tenga en cuenta la eficiencia del inversor (por ejemplo, 90%):
4. Voltaje del Sistema
Determinado por el voltaje de la batería (típicamente 12V, 24V, etc.), con voltajes más altos que reducen la pérdida de cable. Ejemplo: sistema de 24V.
5. Dimensionamiento de la Batería
Parámetros clave: profundidad de descarga (DOD), días de autonomía y voltaje del sistema.
Capacidad utilizable = Ah de la batería × DOD.
Capacidad de carga requerida = Energía de la batería / voltaje del sistema.
Ejemplo: 3000Wh de la batería en un sistema de 24V → 125Ah requeridos.
Para baterías de 12V, 100Ah (70% DOD):
Por lo tanto, en total habrá cuatro baterías de 12 V, 100 Ah. Dos conectadas en serie y dos en paralelo. También, la capacidad requerida de las baterías puede encontrarse mediante la siguiente fórmula.
Dimensionamiento del Arreglo Fotovoltaico
Capacidad total del arreglo fotovoltaico (W): Calculada usando las horas pico solares diarias más bajas (o Factor de Generación del Panel, FGP) y la demanda de energía diaria:
Wₚₑₐₖ total = (Demanda de energía diaria (Wh) / FGP) × 1.25 (factor de escala para pérdidas).
Número de módulos: Divida el Wₚₑₐₖ total por la potencia nominal de un solo panel (por ejemplo, 160W).
Ejemplo: Para una demanda diaria de 3000Wh y FGP = 3.2, Wₚₑₐₖ total = 3000 / 3.2 ≈ 931W. Con paneles de 160W, se necesitan 6 módulos (931 / 160 ≈ 5.8, redondeado hacia arriba).
Factores de pérdida (para ajustar el FGP): Incluyen ángulo de luz solar (5%), punto de máxima potencia no alcanzado (10%, excluido para MPPT), suciedad (5%), envejecimiento (10%) y temperatura alta (>25°C, 15%).
Dimensionamiento de los Cables
Consideraciones clave: Capacidad de corriente, caída de tensión mínima (<2%), pérdidas resistivas, resistencia climática (a prueba de agua/rayos UV).
Fórmula de área transversal:
A = (ρ × Iₘ × L / VD) × 2
(ρ = resistividad, Iₘ = corriente máxima, L = longitud del cable, VD = caída de tensión permitida).
Equilibrio: Evite subdimensionar (pérdida de energía/accidentes) o sobredimensionar (ineficiencia de costos). Utilice interruptores de circuito y conectores apropiados.
