profesor ingeniero germán hoernig appelius abril 2011 · ☼- el mantenimiento es sencillo y de...

G.Hoernig A. 1

Dimensionamiento de Instalaciones Fotovoltaicas

Profesor Ingeniero

Germán Hoernig Appelius

Abril 2011

V 7.0

G.Hoernig A. 2

Bienvenidos

al curso

G.Hoernig A.

Ventajas de la Energía Solar

☼- Es una fuente de energía renovable, sus recursos son ilimitados.

☼- Es una fuente de energía muy amigable con el medio ambiente, su

producción no produce ninguna emisión.

☼- Los costos de operación son muy bajos.

☼- El mantenimiento es sencillo y de bajo costo.

☼- Los módulos tienen un periodo de vida hasta de 20 años.

☼- Se puede integrar en las estructuras de construcciones nuevas o existentes

☼- Se pueden hacer módulos de todos los tamaños.

☼- El transporte de todo el material es práctico.

☼- El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando.

☼- Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde no

llega la electricidad.

☼- Los paneles fotovoltaicos son limpios y silenciosos.

3

G.Hoernig A.

Desventajas de la Energía Solar

☼-- Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión inicial.

☼- Los lugares donde hay mayor radiación solar, son lugares desérticos y

alejados de las ciudades.

☼- Para recolectar energía solar a gran escala se requieren grandes

extensiones de terreno.

☼- Falta de elementos almacenadores de energía económicos y fiables.

☼- Es una fuente de energía difusa, la luz solar es una energía relativamente de

baja densidad.

☼- Posee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya que no puede

utilizarse más energía de la acumulada en períodos en donde no haya sol.

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G.Hoernig A.

Referencias Bibliográficas

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G.Hoernig A.6

G.Hoernig A. 7

G.Hoernig A.

Registro Solarimétrico

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G.Hoernig A.

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G.Hoernig A.

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G.Hoernig A.

11

G.Hoernig A.

12

G.Hoernig A.

Generalidades

13

G.Hoernig A.

Instrumentos

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G.Hoernig A.

Pirheliógrafo

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G.Hoernig A.

Solarímetro

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G.Hoernig A.

Piranómetro de Radiación Difusa

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G.Hoernig A.

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Equivalencia

La irradiación solar anual por m2

equivale al contenido energéticode casi un barril de petróleo.

G.Hoernig A. 19

Producción Mundial Anual de Celdas Fotovoltaicas 1985 - 2009

G.Hoernig A.

Plantas Proyectadas o en Construcción

20

G.Hoernig A. 21

Instalaciones Fotovoltaicas Mundiales acumuladas 1998 - 2009

G.Hoernig A.

Conceptos Básicos

22

22

G.Hoernig A.

Como se produce la Electricidad Fotovoltaica

23

Los fotones separan las cargas en y+ ―

G.Hoernig A.

Como se produce la Electricidad Fotovoltaica

24

Al puentear externamente las capas se produce una circulación de corriente

G.Hoernig A.

Esquema de la Celda Solar

25

G.Hoernig A. 26

G.Hoernig A.

Tipos de Instalaciones I

Se obtiene directamente 12 V de corriente continua

27

G.Hoernig A.

Tipos de Instalaciones II

Se obtiene directamente 220 V de corriente alterna

28

G.Hoernig A.

Conceptos de Seguridad Eléctricos

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G.Hoernig A.

Voltaje de Seguridad

☼Según normas nacionales

☼Ambiente húmedo máx: 24 V

☼Ambiente seco máx: 50 V

☼Se considera baja tensión hasta: 400 V

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G.Hoernig A.

Protección Eléctrica

☼Protector Diferencial

☼Tierra de protección

☼Fusibles

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G.Hoernig A.

Protección ante Fallas Comunes

Cortocircuitos : Disyuntor termomagnético

Sobrecarga: Disyuntor termomagnético

Aislación: Protector diferencial

En instalaciones fotovoltaicas: fusibles

Siempre se debe instalar:

Primero el protector termomagnético

Segundo el protector diferencial

32

G.Hoernig A.

33

Térmicos

Diferenciales

Fusibles

G.Hoernig A.

Conexión correcta

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MEDIDORDISYUNTOR

TERMOMAGNÉTICOPROTECTOR

DIFERENCIALF

F

F

N

N

Tierra de Protección

Tierra de

Servicio

G.Hoernig A.

Puede ser la misma tierra, pero es de mala calidad

35

G.Hoernig A.

Sección de los conductores

36

Inversor

¿Qué corriente pasa por los conductores?

G.Hoernig A.

Ejemplo para transmitir 800 W

37

P

V I

Recordemos que:

G.Hoernig A.

Las Corrientes son muy Diferentes

38

G.Hoernig A.

Selección de los Cables o Alambres para las conexiones.

39

G.Hoernig A.

Tipos de Alambres y Cables

40

G.Hoernig A. 41

Tipos de Alambres y Cables

G.Hoernig A.

Corriente según Sección

42

G.Hoernig A. 43

Corriente según Sección

G.Hoernig A. 44

G.Hoernig A.

Corrección por Temperatura

45

G.Hoernig A. 46

Sección (mm2) 35 25 16 10 6 4 2,5 1,5

Corriente (A)

1 540 389 246 156 93 62 39 22

2 270 194 123 78 46 31 19 11

3 180 130 82 52 31 20 13 7

4 135 97 62 39 23 15 10 5

5 108 78 49 31 18 12 8 4

6 90 65 41 26 15 10 6 3

7 77 55 35 22 13 9 5 2,8

8 67 49 31 19 12 8 4,5 2,5

9 60 43 27 17 10 7 4 2

10 54,0 39,0 25,0 16,0 9,0 6,0 3,5 1,8

12 45,0 32,0 20,0 13,0 8,0 5,0 3,0 1,5

15 36,0 26,0 16,0 10,0 6,0 4,0 2,0 1,0

18 30,0 22,0 14,0 9,0 5,0 3,0 1,8 0,8

21 26,0 18,0 12,0 7,0 4,0 3,0 1,6 0,7

24 22,0 16,0 10,0 6,5 3,5 2,5 1,5 0,5

27 20,0 14,0 9,0 5,5 3,0 2,0 1,0 -

30 18,0 13,0 8,0 5,0 2,5 1,5 0,8 -

Distancia máxima en metros para una caída de tensión de 5% en sistemas de 12 Volt

G.Hoernig A.

El Panel Fotovoltaico

47

G.Hoernig A.

Tipos de Celdas

48

Eficiencia de Celdas %

Monocristalina 12-15

Policristalina 11-14

Amorfa 6-7

Teluro de Cadmio 7-8

GaInP/GaAs/Ge 31% 31

G.Hoernig A.

Tipos de Celdas

49

Monocristalinas

Policristalinas

Amorfas

G.Hoernig A.

Silicio Policristalino

50

G.Hoernig A. 51

Etapas en producción de CFV

G.Hoernig A.

La más Importante es el Desarrollo del Proyecto

52

G.Hoernig A.

Celda-Módulo-Paneles

53

G.Hoernig A.

La duración garantizada

es de 20 años, puede

durar 40

54

G.Hoernig A.

Detalles Constructivos

55

G.Hoernig A.

Celdas Flexibles

56

G.Hoernig A.

Celdas Transparentes

57

G.Hoernig A.

Paneles Transparentes

58

G.Hoernig A.

Tejas Solares

59

G.Hoernig A. 60

Láminas FV impermeabilizantes

Tejas FV

Paneles FV con concentradores

G.Hoernig A.

Intensidad de Cortocircuito

• Es la máxima corriente que se puede

obtener sin cargas externas

61

G.Hoernig A.

Tensión de Circuito Abierto

•Máxima tensión sin tener nada conectado e

intensidad de corriente nula.

62

G.Hoernig A.

Potencia Máxima

Pmáx = Imáx x Vmáx

63

G.Hoernig A.

Orientación del Panel

Si el panel tiene la capacidad de orientarse

durante el día y según las estaciones, puede

captar 43 % más de energía.

64

G.Hoernig A.

Orientadores

65

De un eje

De dos ejes

G.Hoernig A. 66

Condiciones de Irradiación en Valparaíso

Depende de la orientación del panel al Norte

geográfico

Inclinación del panel

G.Hoernig A. 67

Orientación

G.Hoernig A. 68

Inclinación

horizontal

23º

33º

43º

90º

G.Hoernig A. 69

Puede ser más importante el aspecto de arquitectura, para que

se integre armónicamente a la casa

G.Hoernig A.

Integración con Arquitectura

70

G.Hoernig A.

Integración con Arquitectura

71

G.Hoernig A. 72

Orientación e Inclinación más Recomendable

•Dependerá en que época del año

necesitamos generar electricidad

G.Hoernig A. 73

Valores en Valparaíso con diferentes inclinaciones y épocas

Irradiación en W/m2/día

mes horizontal 23º 33º 43º 90º

enero 6.074 5.871 5.592 5.220 2.555

julio 1.765 1.644 1.854 1.821 1.340

Tabla D6A y D6B

G.Hoernig A. 74

mes horizontal 23º 33º 43º 90º

enero 6.074 5.871 5.592 5.220 2.555

julio 1.765 1.644 1.854 1.821 1.340

Conclusiones

Ideal enero : horizontal

Ideal julio : 33º

Práctico enero : 33º

Práctico julio : 33º

G.Hoernig A. 75

Tipos de Radiación sobre la Tierra

G.Hoernig A. 76

Tipos de Radiación sobre la Tierra

G.Hoernig A. 77

El Panel Fotovoltaico Elegido

G.Hoernig A. 78

Características

☼Potencia eléctrica : 75 W

☼Corriente máxima de prueba : 4,35 A

☼Corriente de cortocircuito : 4,8 A

☼Tensión de prueba : 17,3 V

☼Tensión de circuito abierto : 21,7 V

SW 75 mono/R5A

G.Hoernig A. 79

Información en Condiciones Standard

G.Hoernig A. 80

Información en Condiciones más Reales

G.Hoernig A. 81

Otras Características

G.Hoernig A. 82

Otras Características

G.Hoernig A. 83

Otras Características

G.Hoernig A. 84

Otras Características

G.Hoernig A. 85

Es bueno que tengan alguna Certificación

85

G.Hoernig A. 86

Área Real del Panel

A = largo x ancho

1,229 x 0,556 = 0,683 m2

G.Hoernig A. 87

Letra Chica

G.Hoernig A. 88

Determinación del Rendimiento

Condiciones son con irradiación de 1.000 W/m2

Temperatura 25 ºC

Solamente son 0,683 m2

G.Hoernig A. 89

Rendimiento

η = 75 W

1.000 W/m2 x 0,683 m2

η % = 10,98 = 11 %

G.Hoernig A. 90

Rendimiento

•De cada 1.000 W/m2 de irradiación

•Se obtienen solamente 110 W/m2

G.Hoernig A.

Cálculo de la Instalación de una Casa en la Zona de Valparaíso

91

G.Hoernig A. 92

G.Hoernig A. 93

¿Qué necesito saber para

hacer mi instalación

fotovoltaica?

Cuántos paneles

Cuántas baterías

Que regulador

Qué inversor

G.Hoernig A. 94

Condiciones Supuestas

Dependencia 100 % de Energía Solar

Se necesita 365 días al año

Por seguridad debe abastecer 3 días sin

sol

2,385 kW de consumo diario

Todo con 12 VCC o 220 VCA

Uso de paneles de 75 Watt

G.Hoernig A.

Componentes Necesarios

95

G.Hoernig A. 96

Otros Datos

Conexión en //: (V = constante; i = variable)

En serie sería: (V = variable; i = constante)

Sobredimensionar la instalación

Latitud de Valparaíso: 33 º Sur

G.Hoernig A. 97

¿Cuántos Paneles Necesito?

G.Hoernig A. 98

G.Hoernig A. 99

Consumidor Cantidad Potencia

c/u W

Potencia

W

Horas

uso

Consumo

Wh/día

Ampolleta 5 15 75 5 375PC 1 90 90 6 540TV 1 80 80 4 320

Lavadora 1 300 300 1 300Microondas 1 700 700 1 700Licuadora 1 150 150 1 150

Total 1.395 2.385

Ej. Demanda de Consumo Diario

G.Hoernig A. 100

Promedio

•Se consumirán 2.385 Wh/día

G.Hoernig A.

Determinación de Superficie Necesaria I

101

Considerar el mes de mayor

consumo con el de menor radiación (julio-agosto)

G.Hoernig A.

Determinación de Superficie Necesaria II

102

Superficie =Consumo Wh/día

Radiación Wh/m2/día

S = = 1,193 m2

G.Hoernig A.

Determinación de Superficie Necesaria II

103

Superficie =Consumo Wh/día

Radiación Wh/m2/día

S = = 1,193 m2

G.Hoernig A.

Tabla B32Irradiancia Solar en Territorios

de la República de Chile

104

G.Hoernig A.

Suponemos 33 ° de Inclinación al Norte y el Peor Mes del Año

105

G.Hoernig A. 106

G.Hoernig A.

Conversión de Unidades

107

215,9 MJ/m2 x 277,7 Wh / 30 días = 1.999Wh/m2/día

G.Hoernig A. 108

= 1,193 m2S1

• Pero sería con un rendimiento de 100 %• En realidad en nuestro caso es de 11 %

Determinación de Superficie Necesaria II

G.Hoernig A. 109

=S21,193 m2

0,11= 9,1 m2

Determinación de Superficie Necesaria III

G.Hoernig A.

Nr.Paneles Según el Tamaño de Nuestro Panel

110

Panel necesario m2

Panel disponible m2=

9,1 m2

0,683 m2= 13,3

G.Hoernig A.

Número de Paneles Finales

111

13,3 unidades de 75 W

Se aproxima a 14 paneles

G.Hoernig A.

Recomendación

• Colocar los paneles en 2 grupos en paralelo

para reducir el daño ante algún defecto.

112

G.Hoernig A.

Recordemos

•Baterías en Serie

•Baterías en Paralelo

113

G.Hoernig A.

Baterías en Serie: Aumenta la Tensión o Voltaje

114

En la salida:12 V10 A

6 baterías de 2 V y 10 A

G.Hoernig A.

Baterías en Paralelo: Aumenta la Corriente o Amperaje

115

6 baterías de 2 V y 10 AEn la salida:

2 V60 A

2 V

G.Hoernig A.

Conexiones Mixtas en Serie y Paralelo

116

6 baterías de 2 V y 10 A

6 V20 A

En la salida:

6 V

G.Hoernig A.

Paneles en Paralelo de 2 Filas de 4 Módulos en Serie

117

G.Hoernig A.

Baterías

118

G.Hoernig A.

Selección

Por capacidad de carga en A/h

Profundidad de descarga:

Automotrices permiten 10 % a 25 % de

descarga

Las de uso solar hasta 80 %

119

G.Hoernig A.

Selección de Baterías I

120

Ibatería =Consumo/día

Tensión batería

2.385 W/día=

12 V= 198,8 A

Se selecciona una batería de 200 A

G.Hoernig A.

Selección de Baterías II

121

Ibatería 3 días = Ibat. x 3 días = 200 A x 3

Se selecciona una batería de 600 A

Considerando una autonomía de 3

días(telecomunicaciones 6 días)

= 600 A

G.Hoernig A.

Selección de Baterías III

122

Ibatería 50% = Ibat. x 1,5

Se selecciona una batería de 900 A

Considerando que la batería no debe

descargarse más de 50%

= 900 A

122

G.Hoernig A.

Selección de Baterías IV

123

N baterías =Inecesaria

Se seleccionan 5 baterías de 200 A

Si usamos baterías de 200 A

900 A

200 Ac/u 200 A= 4,5 unidades=

G.Hoernig A.

Buena Instalación

124

G.Hoernig A.

Selección de Regulador de Carga I

125

Podría ser conveniente colocar uno para cada circuitoTrabajaremos con 12 VHay también para 24 V y/o 12 V

G.Hoernig A.

Selección de Regulador de Carga II

126

Usaremos 2 circuitos con 7 paneles cada uno y su correspondiente regulador

G.Hoernig A.

Selección de Regulador de Carga III

127

Cada panel tiene una corriente de cortocircuito de 4,8 A

G.Hoernig A.

Selección de Regulador de Carga IV

128

Para los 7 paneles de cada circuito necesitamos:

Ireg = 4,8 A x 7 paneles = 33,6 A

G.Hoernig A.

Selección de Regulador de Carga V

129

Van escalonados en 5 ASe seleccionan 2 reguladores de 35 A

G.Hoernig A.

Selección de Regulador de Carga VI

130

La tensión de prueba es de 17,3 V

G.Hoernig A.

Selección de Regulador de Carga VI

131

La tensión de prueba es de 17,3 V Debe ser mayor a la de la batería que

es de 14 V Esto permite que fluya la corriente Normalmente traen también

indicadores de carga/descarga Evitan la descarga total de la batería

G.Hoernig A.

Inversor

12 VCC 220 VCA

132

G.Hoernig A.

Inversor I

Se elige según el consumo máximo en Watt

de todos los elementos que podrían estar

funcionando juntos.

En nuestro caso serían 1.395 W

133

G.Hoernig A.

Nuestro caso

134

Consumidor Cantidad Potencia

c/u W

Potencia

W

Horas

uso

Consumo

Wh/día

Ampolleta 5 15 75 5 375PC 1 90 90 6 540TV 1 80 80 4 320

Lavadora 1 300 300 1 300Microondas 1 700 700 1 700Licuadora 1 150 150 1 150

Total 1.395 2.385

G.Hoernig A.

Inversor II

Sería recomendable un inversor de 1.500 W

Podría ser de 2.000 W también.

Si se trabaja con motores eléctricos se debe

considerar las sobrecargas de la partida

135

G.Hoernig A.

Tipos de Ondas

136

G.Hoernig A.

Tipos de Inversores

Onda cuadrada: uso general, motores, iluminación; barato

Onda rectificada: NO en equipo electrónico, leds si pueden usarlos

Onda sinusoidal pura: electrónica, comunicaciones

137

G.Hoernig A.

Una Buena Instalación

138

G.Hoernig A. 139

G.Hoernig A.

Consideraciones de Montaje

Cuando fallan celdas, aumenta su

temperatura (medición láser)

Durante el montaje cubrir los paneles

Sacarse anillos, relojes objetos metálicos

1º conectar las baterías, luego los paneles

Si falla el vacío de las celdas aparecen

manchas.

140

G.Hoernig A.

Considerar las Posibles Sombras

141

G.Hoernig A.

Sombras de los paneles

142

G.Hoernig A.

Sombras

143

El ángulo alfa debe ser menor de 20º, para que otro objeto no produzca una sombra sobre él.

G.Hoernig A.

Distancia entre Paneles

144

G.Hoernig A.

Geometría de las Sombras

145

H = L x senß 1,3 x sen33° = 0,7 m

A = H/ tg (61 -33 ) 0,7/ tg 28 = 1,3 m

B = L x cosß 1,3 x cos 33 = 1,09 m

A + B = 2,4 m

Para nuestro panel FV:

G.Hoernig A.

Uso de Diodos

• Protegen de

descargas sin sol

• Protegen baterías

individuales en

serie

• No son necesarios

bajo 24 VCC

146

G.Hoernig A.

Montaje por Estructuras

147

G.Hoernig A.

Montaje por Estructuras

148

G.Hoernig A.

Algunos Precios en Chile

149

G.Hoernig A.

Precios en Chile

150

G.Hoernig A.

Precios en Chile

151

G.Hoernig A.

Precios en Chile

152

G.Hoernig A.

Precios en Chile

153

G.Hoernig A.

Precios en Chile

154

G.Hoernig A.

Precios en Chile

155

INSIX Ltda

Venta de celdas fotovoltaicas monocristalinas y policristalinas pais de origen CHINA

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Celdas monocristalinas 4,6 dólar el Watt

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Módulos fotovoltaicos en silicio monocristalino y policristalino

G.Hoernig A.

Comparación

156

Caso Tendido eléctrico Foto voltaico

Cabaña

alejada

$ 2.000.000 a

$ 8.000.000

$ 350.000 a

$ 1.200.000

Caracterís-

ticas

Costo según

consumo

Costo 0

Restric-

ciones

Sin Componentes de

bajo consumo

G.Hoernig A.

Variación de los precios en €/Watt

157

1 € ≈ $ 700

G.Hoernig A.

Variación de los precios en €/Watt

158

1 € ≈ $ 700

G.Hoernig A.

Aplicaciones Fotovoltaicas

159

G.Hoernig A. 160

G.Hoernig A.

Suministro eléctrico para 20 familias en Empedrado VII R

161

G.Hoernig A. 162

G.Hoernig A. 1633,5 MW

G.Hoernig A. 164

G.Hoernig A.

165

G.Hoernig A. 166

G.Hoernig A. 167

G.Hoernig A. 168

G.Hoernig A. 169

G.Hoernig A. 170

G.Hoernig A. 171

G.Hoernig A.

Ladrillos de Sol

172

G.Hoernig A. 173

Aíslan el sol

Producen

alrededor de 70 W/ m2

Valen U$ 1.900/m2

G.Hoernig A. 174

G.Hoernig A. 175

G.Hoernig A. 176

G.Hoernig A. 177

G.Hoernig A. 178

G.Hoernig A. 179

G.Hoernig A. 180

G.Hoernig A. 181

G.Hoernig A. 182

G.Hoernig A. 183

G.Hoernig A. 184

La paneles solares generarán para Google 2.611.719 KWh por año, lo que significará un ahorro de energía de U$S 393.000. A un costo total de U$S 15 millones, la mayor instalación de paneles solares que se haya realizado en la historia en un campus corporativo, recuperará su inversión en 7,5 años (!).

G.Hoernig A. 185

Son las 4:37:17 p.m.

Hasta aquí llegamos. Muchas gracias