Diseño Instalación Solar Fotovoltaica aislada de Red (parte 2)

Bienvenidos al blog,

seguiremos con el diseño de nuestra instalación solar fotovoltaica aislada de la red.

A continuación calcularemos nuestra potencia pico mínima de los módulos fotovoltaicos.

El dimensionado mínimo del generador fotovoltaico, se realizará de acuerdo con los datos que ya tenemos, y según la expresión que ya hemos citado en la anterior publicación:

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red formula potencia pico pag 9

GCEM  = 1 kW/m

Pmp,min : Potencia pico mínima del generador (kWp)

ED: Consumo expresado en kWh/día.  Nuestra demanda es 4,8kWh/día

Gdm(α,β): valores obtenidos en PVGIS, valor medio mensual de la irradiación diaria sobre el plano del generador orientado de forma optima (α,β), en kWh/m2 al día. Se considera orientación óptima aquella que hace que la energía colectada sea máxima en el periodo seleccionado.

Para el cálculo, se utilizarán los valores de PR especificados en el punto 2.8 del pliego de condiciones técnicas de IDAE, y que anteriormente ya hemos citado de PR=0,6.

Nuestros cálculos serán:

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red formula potencia pico 2 pag 9

La potencia máxima del generador fotovoltaico, según pliego de condiciones técnicas de IDAE, cita que el instalador podrá elegir el tamaño del generador y del acumulador en función de las necesidades de autonomía del sistema, de la probabilidad de pérdida de carga requerida y de cualquier otro factor que quiera considerar.

El tamaño del generador será, como máximo, un 20% superior al Pmp,min  que ya hemos calculado anteriormente.

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red formula potencia pico 3 pag 9

Así seleccionaremos módulos fotovoltaicos que generen una potencia pico que esté comprendida entre 2.022-1.685 W.

Ahora que ya sabemos la potencia que necesitamos, vamos al mercado a ver qué módulos fotovoltaicos coger.

Acudimos al mercado para ver que módulos nos pueden ofrecer esta potencia pico, teniendo en cuenta que la potencia nominal de nuestras baterías no podrá exceder en 25 veces la corriente de cortocircuito de nuestro conjunto de generador fotovoltaico.

Del fabricante “Atersa” tenemos el módulo fotovoltaico A-315M con las siguientes especificaciones técnicas:

Potencia nominal:  315 W

Eficiencia:  16,19%

Corriente cortocircuito Isc :  9,00 A

Tensión circuito abierto Voc :  45,41 V

Corriente punto máxima potencia Impp :  8,49 A

Tensión punto máxima potencia Vmpp :  37,10 V

Cogemos 6 módulos conectados en paralelo de 315 W cada uno, resultando: 6×315=1.890 W

1.685 W < 1.890 W < 2.022 W   OK!!!

Estos módulos fotovoltaicos son a 37,1V  de tensión en punto de máxima potencia, si instalamos dos módulos en serie, tendremos una tensión de salida de 37,1 x 2 = 74,2V.

Seguidamente definimos nuestro regulador de carga, que tendrá de tensión de entrada los 74,2V y que su tensión de salida será la tensión de entrada para el inversor y baterías, con una tensión nominal de 24 Voltios.

Cogemos regulador de carga marca SMA, modelo Sunny Island Charger 40 (SIC 40-MPT) que tiene las características siguientes en la entrada del regulador:

Potencia fotovoltaica máxima:  1250 W

Tensión máxima:  140 V

Corriente máxima:  40 A

Rango optimo de tensión Vmpp:  40 – 80V

El valor de potencia fotovoltaica máxima de 1.250W, muy inferior a los 1.890W que suministra los módulos, nos determina que tendremos que instalar dos reguladores de carga, que cada uno estará alimentado por tres módulos fotovoltaicos en paralelo, pues 315×3=945W < 1250W, que si es compatible.

Nunca olvidar de comprobar la corriente de cortocircuito de nuestros módulos, que será 9×3=27A que es inferior a los 40 A que tiene como corriente máxima de entrada el regulador de carga. Siendo compatible.

También debemos comprobar el rango óptimo de tensión, para nuestro regulador está comprendido entre 40V y 80V, que es compatible con la tensión que generan nuestros módulos fotovoltaicos, pues tenemos una tensión de entrada al regulador de 74,2V.

Este regulador de carga marca SMA modelo Sunny Island Charger 40 (SIC 40-MPT) tiene una eficiencia de 97,3%.

Así pues nuestros módulos fotovoltaicas tendrán la siguiente configuración, un regulador de carga vendrá alimentado por 3 módulos en paralelo, formando una rama, que estará en serie con otra rama de 3 módulos en paralelo. Como resultado final con los dos reguladores de carga tendremos 4 ramas en paralelo con dos módulos en serie por cada rama.

Si clicáis el enlace anterior, podréis ver el esquema de principio de la configuración, que ayuda mucho a la interpretación del párrafo anterior.

Seguidamente calculamos las distancias mínimas que debemos respetar al instalar las filas de los módulos.

La distancia mínima entre filas de módulos, viene determinada el proceso de cálculo en el pliego de condiciones técnicas de instalaciones conectadas a red del IDAE, en su anexo III pagina 44.

La distancia “d” entre filas de módulos debe ser como mínimo igual a “h ∙ k”, siendo “k” un factor adimensional en función de la latitud de la ubicación. Que viene determinado por la expresión:

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red formula distancia entre filas pag 11

Para nuestra ubicación de la instalación a latitud 38° tenemos que nuestra k = 2,356
Nuestros módulos según el fabricante “Atersa”, tienen unas dimensiones de 1965 x 990 mm, e instalados con un ángulo de inclinación de 50°, según muestra la siguiente grafica:

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red dibujo distancia entre filas pag 11

h = sen 50° ∙ 1965 = 1505,3mm

b = cos 50° ∙ 1965 = 1263,1mm

d ≥ h ∙ k = 1505,3 ∙ 2,356 = 3546,5mm

dtotal = d + b = 3546,5 + 1263,1 = 4809,6mm

Tenemos que dejar una distancia mínima entre filas de módulos de 481 cm, por lo que cogeremos para nuestra instalación una distancia entre filas de 4,85 m.

Ahora ya tenemos establecido qué módulos coger y su configuración, así como las distancias entre filas. A continuación determinaremos la capacidad de las baterías (acumulador) que necesitamos.

Necesitamos una autonomía de 4 días, según las condiciones de diseño de lunes a jueves.

Debemos tener presente las siguientes limitaciones, como estipula el pliego de condiciones técnicas del IDAE:

– La potencia nominal del generador fotovoltaico será, como máximo, un 20 % superior al valor  Pmp,min  para el caso general (ver el punto 4.2.4 de este Pliego del IDAE).

– La autonomía mínima del sistema será de tres días.

– Como caso general, la capacidad nominal de la batería no excederá en 25 veces la corriente de cortocircuito en Condiciones Estándar del generador fotovoltaico (ver punto 5.4.2 del pliego del IDAE).

La autonomía del sistema se calculará mediante la expresión:

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red formula autonomia pag 12

Donde:

A = Autonomía del sistema en días

C20  = Capacidad del acumulador en Ah

PDmax  = Profundidad de descarga máxima

ηinv  = Rendimiento energético del inversor

ηrb  = Rendimiento energético del acumulador + regulador

LD  = Consumo diario medio de la carga en Ah

Siendo LD = ED / Vnom

ED es nuestro consumo en Wh/día = 4.794 Wh/día

Vnom es nuestra tensión nominal del sistema de regulador y baterías = 24 V

LD = 4794 / 24 = 199,75 A ≈ 200 A

PDmax  viene determinada en el pliego de condiciones técnicas IDAE en el apartado 5.4 Acumuladores de plomo-acido, en el punto 5.4.3.

Citando que la máxima profundidad de descarga (referida a la capacidad nominal del acumulador) no excederá el 80% en instalaciones donde no es frecuente descargas tan profundas. Por ello hemos optado por una profundidad de descarga máxima del 70%.

El rendimiento energético del inversor fabricante SMA modelo Sunny Island 2224 es ηinv =93,6%  y el rendimiento energético del regulador fabricante SMA modelo Sunny Island Charger 40 es ηrb = 97,3%.

Ahora ya podemos despejar nuestra capacidad del acumulador para 20 horas C20 :

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red formula acumulador pag 13

Necesitamos un acumulador con una capacidad a 20 horas de C20 = 1.255 Ah.

También debemos cumplir con la condición expuesta en el pliego de condiciones técnicas del IDAE en su apartado 5.4 Acumuladores de plomo-acido, en su punto 5.4.2, que cita:

Para asegurar una adecuada recarga de las baterías, la capacidad nominal del acumulador (Ah) no excederá en 25 veces la corriente de cortocircuito en condiciones estándar de medida del generador fotovoltaico, 6modulos x 9A = 54A.

diseño instalacion fotovoltaica aislada de red formula acumulador compatibilidad cortocircuito pag 13

Y por ultimo determinamos la configuración de nuestro acumuladores, o sea las características de las baterías.

El tamaño del grupo de baterías tiene una recomendación según la potencia fotovoltaica conectada.

Para nuestra instalación de 24 V de tensión nominal  en la batería, se recomienda un tamaño de la batería por cada kWp de módulos fotovoltaicos, de un mínimo de 200 Ah.

Así pues cogeremos baterías cuya capacidad nominal sea superior a 200 Ah, pues nuestra potencia pico de los módulos es superior a 1kW.

Nuestra instalación tiene conectado los dos reguladores de carga SIC 40-MPT a nuestro inversor Sunny Island 2224 mediante un bus de comunicación, lo cual permite que el inversor Sunny Island controla toda la gestión de carga de las baterías, incluida la regulación de carga.

El inversor monitoriza la temperatura de la batería por medio de un sensor de temperatura, el cual actuaria en caso de sobrepasar la temperatura máxima admisible de la batería, desconectando el inversor Sunny Island.

La temperatura de la batería es monitorizada por el inversor, para el cálculo de la tensión de carga en la baterías.

El inversor Sunny Island monitoriza también las corrientes que entran y salen de la batería, y las sumara y comparara con su capacidad nominal, para asi evitar errores de autodescarga.

El fabricante de baterías “Mastervolt” modelos AGM, y tiene baterías con capacidad C20  de 225Ah y 270Ah.

Hay disponibles baterías con menor capacidad, pero como ya hemos citado anteriormente los motivos, acudimos a baterías con capacidad superior a 200Ah.

Necesitamos una capacidad de acumulación mínima a 20 horas de C20 = 1.255 Ah

Lo que se traduce que necesitaríamos:

6 x 225 Ah = 1.350 Ah

5 x 270 Ah = 1.350 Ah

Podemos elegir  poner en paralelo 5 baterías de 270 Ah o en paralelo 6 baterías de 225 Ah, cogemos la opción más económica dentro de las dos posibles técnicamente.

Nuestra tensión nominal es 24 V, con lo que deberemos instalar 2 baterías en serie, pues la tensión nominal de las baterías es 12 V, resultado 12 x 2 = 24 V.

Y el resultado final son 5 baterías en paralelo, las cuales formaran 2 líneas de baterías en serie, siendo un total de10 baterías de 270 Ah.

Espero que os haya parecido interesante la publicación del diseño de una instalación solar fotovoltaica aislada de la red.

Mencionar que los cálculos de la sección de los cables correspondería a otra publicación, que podría ser muy interesante, pues tiene cálculos de sección de cable para corriente continua y corriente alterna.

Muchas gracias por vuestra atención.

Saludos.

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