aplicativo para diseÑo de sistemas fotovoltaicos
TRANSCRIPT
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
JUAN PABLO SILVA SARASTY
UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA
FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ndash INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA Pereira 2015
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
PROYECTO DE GRADO
JUAN PABLO SILVA SARASTY
DIRECTOR
ING ALEXANDER MOLINA CABRERA
UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA
FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ndash INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA Pereira 2015
Nota de aceptacioacuten
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Firma del presidente del jurado
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Firma del jurado
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Firma del jurado
Dedicatoria
A todas la personas que de una u otra forma me acompantildearon en este proceso
Juan Pablo Silva Sarasty
AGRADECIMIENTOS
A la empresa Colombian solar Systems SAS y a Julio Ceacutesar Montero por la
oportunidad de desempentildear esta praacutectica conducente en su empresa y por todo la
experiencia adquirida
Al ingeniero Alexander Molina Cabrera por hacer el acompantildeamiento como
profesor guiacutea y que a pesar de sus compromisos laborales en su doctorado
siempre estuvo dispuesto a compartir sus conocimientos
INTRODUCCIOacuteN
Los sistemas fotovoltaicos son una alternativa amigable con el medio ambiente
para producir electricidad a partir de la energiacutea proveniente del Sol Los sistemas
fotovoltaicos pueden ser interconectados a red el sistema produce parte de la
energiacutea que el usuario demande y se toma como respaldo la energiacutea proveniente
de la red y sistemas fotovoltaicos autoacutenomos en donde el arreglo fotovoltaico
(grupo de paneles solares) debe producir la energiacutea necesaria para el consumo
en el diacutea almacenar otra parte para el consumo en las noches y servir de
respaldo para casos en donde la radiacioacuten solar se vea afectada por fenoacutemenos
ambientales involucrando entonces dos fuentes de energiacutea que deberaacuten ser
modeladas en conjunto
En la actualidad existen diversas herramientas que son capaces de modelar un
sistema fotovoltaico arrojando datos de cargabilidad y eficiencia respecto a los
elementos que lo componen es el caso del software especializado PVSOLreg el
cual utiliza bases de datos de irradiacioacuten solar y posee la capacidad de realizar
simulacioacuten de sombras Sin embargo es necesario realizar un aplicativo capaz de
incorporar toda la teoriacutea y conceptos de que consta el disentildeo y caacutelculo de un
sistema fotovoltaico para Colombia con el fin de comparar ambas metodologiacuteas
de disentildeo y asiacute poder obtener un sistema mejor dimensionado
La Universidad Tecnoloacutegica de Pereira se ha caracterizado por el protagonismo de
sus estudiantes y de la Institucioacuten en la innovacioacuten de los diferentes campos de las
ciencias que le competen pero hasta el momento no se han presentado aportes a
el aacuterea de software especializados en sistemas fotovoltaicos es por esto que se
hace necesaria la creacioacuten de un aplicativo con la capacidad de disentildear sistemas
fotovoltaicos que no solo sirva como un referente regional para la implementacioacuten
de este tipo de sistemas de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica si no tambieacuten que
cumpla la tarea de realizar una comparacioacuten de metodologiacuteas entre el algoritmo
propuesto en el proyecto y el software PVSOLreg uno de los maacutes utilizados hasta el
momento por la industria por su novedoso meacutetodo para modelar sombras
En el primer capiacutetulo se abordan los principios del efecto fotoeleacutectrico y
fotovoltaico como conceptos principales de la conversioacuten de energiacutea proveniente
del espectro solar en energiacutea eleacutectrica que puede ser aprovechada para el uso
residencial y comercial En el capiacutetulo 2 se estudian los sistemas aislados su
funcionamiento disentildeo y dimensionamiento En el capiacutetulo 3 se tratan los
sistemas interconectados a red su clasificacioacuten componentes disentildeo y
moldeamiento En el capiacutetulo 4 se explica el funcionamiento del aplicativo
propuesto para este trabajo su entorno graacutefico y expresiones matemaacuteticas tanto
para sistemas interconectados a la red como para los autoacutenomos El capiacutetulo 5
expone las caracteriacutesticas de los pilotos con los cuales se pretende hacer las
comparaciones con las dos metodologiacuteas los resultados obtenidos y las
recomendaciones
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un aplicativo para el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos y
compararlo con el software PVSOLreg
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Alcanzar el estado del arte en el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos
a partir de software y aplicativos especializados
Plantear un aplicativo capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector
residencial y rural (cargas de baja inductancia) para el territorio
colombiano
Modelar el sistema fotovoltaico base en el software especializado
PVSOLreg
9
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIOacuteN
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
TABLA DE CONTENIDOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
CAPIacuteTULO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
11 ANTECEDENTEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
131 Conductores semiconductores y aislanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
132 Unioacuten p-nhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
133 La ceacutelula fotovoltaicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
134 Silicio monocristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
135 Silicio policristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
136 Silicio amorfohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
14 RECURSO SOLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34 141 Factores externos a la superficie de la Tierrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
142 Factores climaacuteticoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
143 Componentes de la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
15 DESARROLLOS EN COLOMBIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
161 Declinacioacuten Magneacuteticahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
162 Trayectoria solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
163 Acimuthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
164 Inclinacioacuten del arreglohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Objetos que crean sombrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
CAPIacuteTULO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
211 El panel fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
2111 Estructura de los paneles solareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21111 La cubierta frontalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
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21112 El material encapsulantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
21113 La cubierta posteriorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21114 El marco metaacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21116 Diodos de bypass helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21117 Diodos de bloqueohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
212 Bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
2121 Tipos de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abiertohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
21212 Bateriacuteas alcalinashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
2122 Especificaciones de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21221 Capacidad de la bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21222 Ritmo y profundidad de descargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
21223 Condiciones ambientaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
213 Regulador de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
2131 Reguladores PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
2132 Reguladores MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
214 Inversores autoacutenomoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 70
2141 Clasificacioacuten de inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21411 Inversores de onda cuadradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21412 Inversores de onda cuadrada modificadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21413 Inversores de onda sinusoidalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
2142 Caracteriacutesticas de los inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72 22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
221 Estimacioacuten del consumo y cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
222 Recurso solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphellip 78
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 81
CAPIacuteTULO 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 85
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 85
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA 90
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INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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322 Estudio del consumo anualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solarhelliphelliphelliphellip 91
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblicohelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
331 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
CAPIacuteTULO 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 96
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 97
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 100
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuestohelliphelliphelliphellip 100
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWMhelliphellip 107
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 109
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphellip 110
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 119
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPThelliphelliphelliphelliphelliphellip 120 42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador MPPT 121
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas con aplicativo propuestohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
CAPIacuteTULO 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASEhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
521 Piloto sistema aislado 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
522 Piloto sistema aislado 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
523 Piloto sistema aislado 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
524 Piloto sistema aislado 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
54 Sistemas fotovoltaicos interconectados a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
541 Piloto sistema interconectado a red 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
542 Piloto sistema interconectado a red 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 144
543 Piloto sistema interconectado a red 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 147
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 148
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 149
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
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56 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
57 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 152
BIBLIOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 153
13
IacuteNDICE DE FIGURAS Figura 11 Primera celda solar 17
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico 19
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 23
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 23
Figura 15 Efecto fotovoltaico 29
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino 31
Figura 17 Panel solar silicio policristalino 32
Figura 18 Panel de silicio amorfo 33
Figura 19 Espectro solar 35
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten 37
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica 42
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira 43
Figura 21 Componentes de un panel solar 48
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica 50
Figura 23 Modelo eleacutectrico de un panel solar 51
Figura 24 Modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra 52
Figura 25 Funcionamiento de diodo de bypass 52
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo 53
Figura 27 Curva caracteriacutestica de una celda solar 54
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar 55
Figura 29 Efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar 55
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto 58
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA 59
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM 60
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea 63
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar 66
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT 70
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida 72
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor 73
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el aplicativo 99
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico 100
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo 101
Figura 44 Informacioacuten de consumo 101
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo 102
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico 103
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria 104
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas 105
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga 106
Figura 410 Regulador PWM 107
Figura 411 Verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM 110
Figura 412 Tensioacuten de la bateriacutea VS Estado de carga 111
14
Figura 413 Regulador MPPT 117
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT 120
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
122
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel 123
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab 124
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada 125
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica 127
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red 128
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red 129
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
132
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
134
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
137
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
139
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
143
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
144
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
145
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto (Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
147
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
148
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
149
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
150
15
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas fotovoltaicas comerciales
33
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar
36
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente
36
Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia 41
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
45
Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira 45
Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea 64
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1 132
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
133
Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1 134
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
135
Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2 136
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3 136
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
138
Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3 138
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4 138
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
140
Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4 140
Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
141
Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
142
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980 kWhantildeo
143
16
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996 kWhantildeo
145
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360 kWhantildeo
146
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red 148
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red 149
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red 150
17
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
Capiacutetulo 1 REFERENTE TEOacuteRICO 11 ANTECEDENTES El intereacutes en el estudio del aprovechamiento de la energiacutea solar tuvo su origen en
1839 cuando el fiacutesico franceacutes Alexandre Edmond Becquerel analizoacute a profundidad
el fenoacutemeno de la fosforecencia a traveacutes del estudio de cuerpos que tienen la
propiedad de emitir luz propia en la oscuridad despueacutes de haber sido expuestos a
la irradiacioacuten de un foco de luz [1] En 1873 el cientiacutefico britaacutenico Willoughby Smith
estudioacute el comportamiento del selenio bajo la exposicioacuten a la luz y concluyoacute que
este aumenta su capacidad de conducir electricidad a medida que la exposicioacuten a
la luz aumentaba [2] Diez antildeos maacutes tarde Charles Fritts inventor
estadounidense creoacute las primeras celdas solares las cuales usaban uniones
formadas por el recubrimiento de los semiconductores hechos de selenio con una
capa ultra delgada casi transparente de oro ver figura 1 Esta fue muy poco
eficiente transformando menos del 1 de la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica
Sin embargo este descubrimiento demostroacute la viabilidad del uso de la energiacutea
solar para generar electricidad [3]
Figura 11 Primera celda solar tomada de The Encyclopedia OF EARTH Fritts
Charles Edgar 22 de Agosto del 2008 Disponible en
httpwwweoearthorgviewarticle152869
En 1887 Heinrich Hertz descubrioacute por accidente lo que hoy se conoce como
efecto fotoeleacutectrico Hertz generoacute una chispa oscilante mediante una bobina de
induccioacuten entre dos pequentildeas esferas metaacutelicas las cuales el denominoacute el
transmisor induciendo una chispa similar entre dos esferas de metal diferentes
18
conectadas a un aro de alambre que eacutel denominoacute el receptor y que a su vez no
teniacutea conexioacuten eleacutectrica alguna con el transmisor Con este experimento Hertz
estudiaba la teoriacutea de ondas electromagneacuteticas propuesta por Maxwell en donde
una carga acelerada produciriacutea un campo eleacutectrico cambiante de manera no
uniforme que a su vez produciriacutea un campo magneacutetico cambiante y asiacute
sucesivamente Hertz dedujo que el componente de campo eleacutectrico cambiante
causa cargas inducidas en el receptor lo que produce la chispa con las mismas
caracteriacutesticas del transmisor Hertz observoacute que para reproducir fielmente la
chispa inducida la separacioacuten de las esferas del receptor debe ser menor a un
miliacutemetro lo que le dio mucha dificultad al anaacutelisis de este estudio Hertz intento
solucionar este problema encerrando el receptor en un sitio oscuro lo que
facilitaba la visualizacioacuten de la chispa sin embargo descubrioacute que su intensidad
era claramente maacutes deacutebil en estas condiciones al cabo de un tiempo descubrioacute
que podiacutea aumentar la intensidad la de chispa mediante la iluminacioacuten con luz
visible o ultravioleta Estudios realizados en 1897 por JJ Thomson demostraron
que este aumento de la sensibilidad fue el resultado de la luz que empuja a los
electrones [4-7]
Fue entonces en 1905 cuando Albert Einstein con su artiacuteculo sobre el efecto
fotoeleacutectrico llamado On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and
Transformation of Light (ldquoHeuriacutestica de la generacioacuten y conversioacuten de la luzrdquo)
introdujo un cambio fundamental a la teoriacutea existente del efecto fotoeleacutectrico que
en aquel entonces era acogida por la teoriacutea de Maxwell en donde la luz es
modelada como una onda continuacutea y por ende su energiacutea va relacionada
netamente a esta
Einstein proponiacutea que la luz estaacute formada por ldquopaquetes de partiacuteculasrdquo llamados
fotones y que la energiacutea de cada fotoacuten de luz es igual a la frecuencia multiplicada
por una constante De este modo un fotoacuten por encima de un umbral de frecuencia
tiene la energiacutea requerida para expulsar un solo electroacuten justificando asiacute el
fenoacutemeno observado por Hertz al exponer el receptor a luz ultravioleta Asiacute la
energiacutea de electrones expulsados individuales aumenta linealmente con la
frecuencia de la luz
De esta manera los dos factores que afectan a la energiacutea cineacutetica maacutexima de los
fotoelectrones (o electrones liberados) son la frecuencia de la radiacioacuten incidente
y el material de la superficie La energiacutea de los electrones aumenta con la
frecuencia de la luz incidente de una manera lineal con pendiente igual a la
constante de Planck Cada curva tiene un intercepto en el eje de la frecuencia
diferente lo que demuestra que la frecuencia de umbral estaacute en funcioacuten del
material La mayoriacutea de los elementos tienen frecuencias de umbral ultravioleta
pero existen algunos como el potasio que tienen un umbral suficientemente bajo
19
como para ubicarlo entre el amarillo y el verde Los materiales con los valores maacutes
bajos son los que se encuentran bajo el nombre de semiconductores algunos
incluso llegan debajo del infrarrojo cercano [8]
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico imagen tomada de The Physics Hyper Text Book Photoelectric Effect Disponible en httpphysicsinfophotoelectric
El efecto fotoeleacutectrico actualmente se conoce como el hecho de que un material
pueda desprender electrones por un conductor gracias a la energiacutea recibida por
un haz de luz El haz de luz emite fotones que son partiacuteculas portadoras de todas
las formas de radiacioacuten La energiacutea transmitida por el fotoacuten es absorbida por el
electroacuten haciendo que este tenga la energiacutea suficiente para escapar del aacutetomo El
efecto fotoeleacutectrico ha permitido desarrollar ademaacutes del laacuteser sateacutelites de
comunicacioacuten y la energiacutea eleacutectrica a partir de radiacioacuten solar entre otros
Los aportes realizados por Einstein acerca del fenoacutemeno fotoeleacutectrico le hicieron
merecedor del Premio Nobel de Fiacutesica en 1922 [9]
Por otra parte en 1918 el cientiacutefico polaco Ene Czochralski produjo un meacutetodo
para hacer crecer monocristales de metal Lo que inspiroacute los estudios
fotoeleacutectricos con selenio a lo largo de los antildeos 30 a pesar de su baja eficiencia y
sus altos costos Maacutes adelante en 1948 Gordon Teal y John Little adaptaron el
meacutetodo de Czochralski para el crecimiento de los cristales para producir
germanio monocristalino y despueacutes producir silicio
20
En 1950 los laboratorios Bell comenzaron la buacutesqueda de una viacutea confiable para
energizar los sistemas de comunicacioacuten remotos Los cientiacuteficos de Bell
descubrieron que el silicio el segundo elemento maacutes abundante de la Tierra era
sensible a la luz y cuando se le trataba con ciertas impurezas generaba una
tensioacuten eleacutectrica considerable Este fenoacutemeno es causado por la recoleccioacuten de
cargas generadas en el efecto fotoeleacutectrico para generar energiacutea eleacutectrica este
comportamiento se conoce como efecto fotovoltaico y es la base de
funcionamiento de las celdas solares En 1954 Bell desarrollo una celda basada
en silicio que alcanzaba el 6 de eficiencia
Poco despueacutes en 1958 T Mandelkorn creoacute ceacutelulas fotovoltaicas de silicio n-on-P
(laacutemina de silicio dopada tipo n en la parte frontal y tipo p en la parte posterior)
con eficiencias del 9 que son maacutes resistentes al dantildeo por radiacioacuten y son maacutes
adecuadas para actividades espaciales que fueron utilizadas para el Vanguard l
conocido como el primer sateacutelite artificial alimentado con energiacutea solar [10]
En 1963 Sharp logroacute ser la primera compantildeiacutea en producir masivamente celdas
solares marcoacute un paso significativo para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a
partir de energiacutea solar dando su aporte en tiempos de preocupacioacuten internacional
respecto a la conservacioacuten del medioambiente Sin embargo el medio ambiente no
fue el uacutenico campo en el que se expandieron estos estudios la NASA en 1966
lanzo a la oacuterbita un observatorio astronoacutemico con una configuracioacuten fotovoltaica de
1kw y en 1972 la Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japoacuten (NASDA)
autorizoacute a Sharp para equipar con celdas solares el proyecto que pondriacutea en oacuterbita
al sateacutelite ldquoUmerdquo El reto para ese entonces fue soportar los severos cambios de
temperatura y radiacioacuten coacutesmica presentes en el espacio sin embargo el
comportamiento de los sistemas puestos a bordo fueron adecuados lo que
impulsariacutea en el futuro la utilizacioacuten de este tipo de generacioacuten de energiacutea para
usos espaciales debido a su faacutecil autonomiacutea y confiabilidad en este entorno [11
12]
En 1974 Japoacuten lanzoacute un importante proyecto con fines investigativos ldquoSunshine
Projectrdquo el cual fue promovido por el Ministerio de Comercio e Industria de Japoacuten
que teniacutea por objeto el desarrollo de las siguientes fuentes de energiacutea
1 Energiacutea solar
2 Energiacutea geoteacutermica
3 Gasificacioacuten del carboacuten y licuefaccioacuten
4 Energiacutea del hidroacutegeno
21
Este proyecto se promovioacute a escala nacional con la plena cooperacioacuten de las
organizaciones nacionales de institutos de investigacioacuten universidades y
empresas privadas asiacute como mediante la cooperacioacuten internacional El Sunshine
Project teniacutea como fin investigar aspectos importantes de las formas de
generacioacuten mencionadas anteriormente [13]
De manera similar en 1977 se fundoacute el Laboratorio Nacional de Energiacutea
Renovable (NREL por sus siglas en ingleacutes) en Estados Unidos fue denominado
primer laboratorio de energiacutea renovable y la eficiencia energeacutetica de investigacioacuten
y desarrollordquo y se financia a traveacutes del Departamento de Energiacutea de EEUU (DOE
por sus siglas en ingleacutes) El NREL se caracterizoacute por sus estudios en energiacutea
fotovoltaica desarrollando e impulsando este tipo de generacioacuten en Estados
Unidos Las instalaciones del campus del NREL dedicadas a la investigacioacuten
fotovoltaica poseen sistemas fotovoltaicos capaces de satisfacer las necesidades
de los ingenieros investigadores en esta aacuterea Este notable intereacutes en las
universidades y centros de investigacioacuten alrededor de todo el mundo llevoacute a
grandes logros en 1980 respecto a eficiencia de las ceacutelulas el maacutes importante fue
el presentado por la Universidad de Delaware en Estados Unidos que desarrolloacute
la primera ceacutelula solar de peliacutecula delgada que obtiene una eficiencia del 10
utilizando sulfuro de cobre (Cu2S) y sulfuro de cadmio (CdS) Lo que conllevariacutea a
grandes avances en cuestioacuten de produccioacuten de energiacutea fotovoltaica
A lo largo de la deacutecada de los ochentas y gracias a los avances de los 70 parecioacute
aceptarse que el liacutemite praacutectico para la eficiencia de las ceacutelulas de Silicio se
situaba alrededor de un 20 sin embargo los liacutemites teoacutericos suponiacutean un 337
[14] A mediados de los 80 se introducen algunas innovaciones que conducen a un
raacutepido incremento del rendimiento de estos dispositivos Estas mejoras fueron
basadas en reducir las recombinaciones en la estructura de la ceacutelula y en
particular en sus superficies y en sus contactos metaacutelicos Varios hechos
destacables ocurrieron en esta deacutecada tales como el ocurrido en la universidad de
Gales del Sur en donde se fabricoacute una ceacutelula fotovoltaica de silicio que llegoacute al
20 de eficiencia tambieacuten gracias a los avances en nuevos conceptos como
pasivacioacuten de la superficie (formacioacuten de una peliacutecula muy delgada sobre la
superficie de un material que lo enmascara en contra de la accioacuten de agentes
externos) en la universidad de Stanford en 1988 se disentildeoacute una ceacutelula de 851198881198982
que alcanzoacute una eficiencia del 223 en condiciones normales de operacioacuten [15]
En septiembre de 2013 se anuncioacute la obtencioacuten de un nuevo record de eficiencia
de conversioacuten fotovoltaica del 447 Este tipo de ceacutelulas estaacute catalogada como
ldquoceldas taacutendemrdquo o de ldquomultiunionesrdquo que consta de la unioacuten de varias subceldas
fabricadas una encima de la otra de forma tal que se compactan para formar una
sola pieza (monoliacutetico) El record se establecioacute usando sistemas oacutepticos que
22
logran concentrar la radiacioacuten en la superficie de una celda y los materiales
usados son combinaciones de los elementos quiacutemicos del grupo III y V de la tabla
perioacutedica que son Arseacutenico Indio Foacutesforo y Galio entre otros El costo de este tipo
de ceacutelula es elevado (lo que no hace posible su uso de manera comercial) y solo
se justifica su inversioacuten en condiciones en donde la incidencia solar sea en lo
posible ininterrumpida es decir en lugares que no posean muchas nubes como
en los desiertos e implementar un sistema de seguimiento solar de dos ejes lo que
incrementariacutea potencialmente el costo debido al factor mantenimiento que asocia
una estructura en movimiento [16]
Sin embargo se siguen haciendo aportes en la categoriacutea de ceacutelulas comerciales
es el caso de Panasonic al anunciar en febrero de 2013 su reacutecord mundial de
eficiencia de conversioacuten fotovoltaica usando ceacutelulas de silicio cristalino lo que las
hace maacutes econoacutemicas para el mercado a comparacioacuten de las ceacutelulas ldquotaacutendemrdquo
con un 247 de eficiencia superando al impuesto por Sun Power con un 242
en 2012 Este logro fue implementado bajo la utilizacioacuten de silicio monocristalino
lo que la hace mucho maacutes econoacutemica Panasonic uso una tecnologiacutea de
fabricacioacuten de ceacutelulas fotovoltaicas llamadas HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin layer) que se componen de pequentildeas placas hiacutebridas monocristalinas de
silicio que se recubren de una capa delgada de silicio amorfo Este meacutetodo pudo
crear una ceacutelula de tan solo 98 micras de espesor lo que conlleva a usar menos
material por ceacutelula [17]
Simultaacuteneamente a los avances respecto a la eficiencia de las ceacutelulas
fotovoltaicas se realizaron importantes aportes respecto a la capacidad
fotovoltaica instalada desde principios de los antildeos 90 en la figura 13 se observa
el comportamiento de este aspecto en los uacuteltimos antildeos Se asegura que el parque
fotovoltaico aumenta en un 35 por antildeo desde 1998 y la Asociacioacuten Europea de
Energiacutea Fotovoltaica preveacute que el parque instalado podriacutea alcanzar unos 1 800
GW para el 2030 para una produccioacuten que representa el 14 del consumo
mundial de electricidad y capaz de dar suministro a 45 mil millones de personas
[18 19]
23
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Seguacuten el Renewables Global Status Report 2011 Europa concentra maacutes del 75
de capacidad fotovoltaica instalada en el mundo siendo Alemania el paiacutes con
mayor aumento en el 2010 y con mayor capacidad fotovoltaica instalada
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 Tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Aunque la capacidad promedio de los sistemas fotovoltaicos ha aumentado existe
un intereacutes creciente en los sistemas de pequentildea escala particularmente en los
paiacuteses en desarrollo Estos sistemas representan el 5 del mercado global y
desde los antildeos 80 este mercado ha sido creciente en Aacutefrica Asia y Ameacuterica Latina
24
en la medida en que los precios de la generacioacuten con combustibles en las zonas
aisladas son comparables con los de esta nueva tecnologiacutea [20]
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICA
El desarrollo tecnoloacutegico va iacutentimamente ligado con la capacidad de recursos
energeacuteticos que se puedan aprovechar por el ser humano A su vez el crecimiento
tecnoloacutegico es el que determina la utilizacioacuten de ciertos tipos de energiacutea y por
tanto la disponibilidad de este recurso Estos recursos energeacuteticos son usados por
el hombre con el objeto de satisfacer algunas de sus necesidades en el mayor de
los casos en forma de calor y trabajo que son posibles gracias al manejo de
electricidad
Hacia finales del siglo XIX se inventaron las primeras centrales teacutermicas que
requieren para su funcionamiento combustibles como la gasolina el diesel el gas
natural el carboacuten etc Antildeo tras antildeo se fueron sofisticando este tipo de maacutequinas
siendo maacutes econoacutemicas seguras confiables eficientes y abundantes logrando de
esta forma satisfacer demandas eleacutectricas en lugares donde los recursos hiacutedricos
no son eficaces Este tipo de maacutequinas operan bajo el principio de conversioacuten de
energiacutea quiacutemica almacenada en los combustibles en energiacutea eleacutectrica capaz de
ser transmitida y aprovechada por el ser humano Sin embargo la transformacioacuten
de dicha energiacutea genera residuos toacutexicos para el medio ambiente En un principio
la explotacioacuten de estos recursos que son derivados del petroacuteleo se consideraron
ilimitados y su impacto ambiental se consideraba despreciable sin embargo
estudios posteriores evidenciaron alteraciones atmosfeacutericas a nivel mundial como
el aumento en la concentracioacuten de dioacutexido de carbono en la atmoacutesfera
responsable del efecto invernadero lo que generoacute un aumento de temperatura
promedio a nivel mundial logrando asiacute el derretimiento del polo norte y por ende
el crecimiento del nivel de los mar
Es por esto que se hace necesario la buacutesqueda e implementacioacuten de nuevas
formas de generacioacuten de energiacutea amigables con el medio ambiente como la
energiacutea eoacutelica fotovoltaica entre otras La energiacutea fotovoltaica aprovecha la
energiacutea proveniente del Sol captando esta mediante celdas fotoeleacutectricas
capaces de convertir la luz en un potencial eleacutectrico sin que tenga lugar a un
efecto teacutermico es uno de los meacutetodos maacutes limpios y simples de produccioacuten
energeacutetica sin desechos peligrosos para el medio ambiente conocidos por el
hombre Parte de una fuente inagotable la energiacutea que emitida por el Sol y
absorbida por la atmoacutesfera terrestre Los cientiacuteficos consideran que si esta energiacutea
fuese aprovechada en su totalidad solo bastariacutea media hora para abastecer la
demanda energeacutetica mundial durante todo un antildeo Sin embargo esto es a nivel
teoacuterico pues a nivel praacutectico es imposible [15 21]
25
Aun asiacute cada vez es maacutes y mejor aprovechada la energiacutea fotovoltaica abarcando
cada vez maacutes campos de aplicacioacuten que variacutean desde sateacutelites suministro de
electricidad para poblaciones lejanas e incluso vehiacuteculos alimentados por energiacutea
solar
La principal desventaja de esta forma de generacioacuten es su elevado costo aunque
la materia prima con la que se componen los paneles solares sea el silicio que es
el segundo elemento maacutes abundante en la Tierra algunos son fraacutegiles y sensibles
compuestos por semiconductores cristales etc que requieren mantenimiento
constante y a menudo deben ser reemplazados
Los encargados de hacer la conversioacuten de energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica se
llaman moacutedulos fotovoltaicos o paneles solares un solo panel generalmente no
es capaz de suministrar suficiente energiacutea para una carga debido a que en el
mejor de los casos no llegaraacuten ni siquiera a un 40 de eficiencia No obstante
este problema se soluciona agrupando un mayor nuacutemero de paneles que
funcionen conjuntamente para producir mayor energiacutea En este orden de ideas se
busca mayor eficiencia de paneles a menor costo con el fin de usar menos
espacio y que la produccioacuten energeacutetica sea econoacutemicamente sostenible
Los problemas teacutecnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energiacutea
solar son los siguientes
1 Gran dispersioacuten de la energiacutea solar sobre la superficie de la Tierra
2 Caraacutecter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiacioacuten
solar
Se calcula que a grandes rasgos la radiacioacuten que recibe una superficie horizontal
es del orden de 11198961199081198982 al medio diacutea variando ciertas condiciones como latitud
del lugar nubosidad sombras y humedad Esto da como resultado un gran
problema de intermitencia que en muchos casos no obedece al comportamiento
tiacutepico de la demanda es decir que en ocasiones se recibe maacutes energiacutea de la que
se necesita y en otros casos se consume maacutes energiacutea de la que el sistema
fotovoltaico puede suministrar Lo anterior evidencia la importancia de un sistema
de almacenamiento capaz de retener energiacutea cuando esta no sea consumida y
entregue energiacutea a las cargas cuando la radiacioacuten solar no sea suficiente En
algunos casos en donde la demanda sea de suma importancia se puede contar
con un sistema de respaldo o fuentes suplementarias de energiacutea lo que hariacutea que
el sistema sea maacutes confiable
Seguacuten el anterior orden de ideas para el aprovechamiento de la energiacutea solar es
necesario realizar los siguientes procesos
26
1 Captacioacuten y concentracioacuten de la energiacutea solar
2 Transformacioacuten para su utilidad
3 Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo
de autonomiacutea establecido
4 Disposicioacuten de una fuente de energiacutea suplementaria disponible si se supera
el tiempo de autonomiacutea
5 Control de la energiacutea almacenada para que pueda ser utilizada en conjunto
con el sistema de captacioacuten de energiacutea
De esta forma se evidencia que es de vital importancia para el sistema el
correcto dimensionamiento de los diacuteas de autonomiacutea para cada caso en particular
teniendo en cuenta que cuanto mayor y mejor sea el dimensionado del sistema de
almacenamiento menor seraacute la dependencia de fuentes energeacuteticas externas de
apoyo
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICA
131 Conductores semiconductores y aislantes
El modelo moderno del aacutetomo describe las posiciones de los electrones en un
aacutetomo en teacuterminos de probabilidades Un electroacuten se puede encontrar
potencialmente a cualquier distancia del nuacutecleo pero dependiendo de su nivel de
energiacutea tiende a estar con maacutes frecuencia en ciertas regiones alrededor del nuacutecleo
que en otras estas zonas son conocidas como orbitales atoacutemicos [22]
A los electrones de la zona maacutes alejada se les denomina electrones de valencia y
poseen la caracteriacutestica de interactuar con otros electrones de valencia formando
una red cristalina El comportamiento de esta interaccioacuten clasifica materiales en
conductores semiconductores y aislantes La diferencia entre estos tres se basa
en la resistencia que opone el paso de corriente sobre un material La corriente
eleacutectrica se define como la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo
Cuando en los extremos de un material se aplica un voltaje se crea un campo
eleacutectrico dentro del mismo y los electrones pertenecientes a la oacuterbita exterior de un
aacutetomo de este material estaraacuten sometidos a una fuerza dada por
119865 = 119902 lowast 119864 120783 120783
Donde
119902 = 119907119886119897119900119903 119889119890 119897119886 119888119886119903119892119886 119890119899 119888119906119897119900119898119887119894119900119904
119864 = 119881119886119897119900119903 119889119890119897 119888119886119898119901119900 119890119897eacute119888119905119903119894119888119900 119890119899 119881119898
27
En materiales conductores es maacutes faacutecil generar movimiento de electrones en la
banda de valencia bajo la accioacuten de una fuerza generada por el producto entre la
carga y el campo eleacutectrico por esta razoacuten el nivel de conductividad en estos
materiales es grande a comparacioacuten de los materiales aislantes como el vidrio el
diamante y la porcelana que aun con elevados valores de campo eleacutectrico la
fuerza que ejerce este sobre los electrones no es la suficiente para generar
movimiento y por ende conducir electricidad [21]
El silicio cuenta con 14 electrones y a su vez el germanio con 32 electrones de los
cuales 4 son de valencia que se unen con otros 4 electrones de valencia de otros
aacutetomos De esta manera dentro de un cristal de silicio no existiraacuten electrones
libres lo que en esta configuracioacuten (estructura cristalina) se consideran elementos
aislantes
A una configuracioacuten cristalina de silicio o de germanio se le incorporan aacutetomos de
otras sustancias (impurezas) la conductividad de este material va a variar
draacutesticamente convirtieacutendolos en semiconductores de esta forma si algunos
aacutetomos de silicio en la configuracioacuten de cristal se sustituyen por aacutetomos de foacutesforo
el cual tiene 5 electrones en la banda de valencia 4 de estos se uniraacuten
covalentemente a los otros 4 electrones de silicio quedando libre el quinto
electroacuten que se podraacute separar maacutes faacutecilmente del aacutetomo mediante una
estimulacioacuten aportada por una fuente externa de energiacutea A esta nueva
configuracioacuten se la conoce como semiconductor ldquotipo nrdquo en donde predomina el
flujo de electrones De esta misma forma si algunos aacutetomos de silicio en la
configuracioacuten de cristal se sustituyeran por aacutetomos de boro que tienen 3
electrones de valencia se llegariacutea a una situacioacuten en donde seriacutea necesario un
electroacuten adicional para completar los enlaces quiacutemicos con los aacutetomos adyacentes
de silicio Este electroacuten que falta se denomina ldquohuecordquo y a esta configuracioacuten se la
conoce como semiconductor ldquotipo prdquo
El proceso de introduccioacuten de aacutetomos que ceden o toman electrones se ha
convertido en un proceso robotizado en donde los aacutetomos de las substancias
dopantes se introducen usando cantildeones electroacutenicos que bombardean los
cristales (proceso de implantacioacuten) Industrialmente se usa el cristal de silicio
porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio[15
21]
132 Unioacuten p-n
Al juntar una barra de material ldquotipo prdquo con una barra de material ldquotipo nrdquo se
produce una nueva unioacuten conocida como unioacuten p-n
28
Los electrones que se encuentren en estado libre dentro de la zona del material
ldquotipo nrdquo detectaraacuten una regioacuten en donde no existen electrones libres generando un
flujo de estos electrones portadores hacia la otra zona como intento de equilibrio
Del mismo modo los huecos existentes en la ldquozona prdquo detectaraacuten una regioacuten en la
que no existen huecos y se produciraacute por tanto un flujo de cargas positivas en
sentido contrario al flujo de electrones Debido al avance de este proceso de flujo
de electrones y huecos se produce un exceso de cargas con potencial negativo
en la ldquozona prdquo y un exceso de cargas con potencial positivo en la ldquozona nrdquo
Por tanto en el aacuterea de unioacuten de los dos materiales se origina un campo eleacutectrico
que aumenta a medida que los huecos y electrones se siguen difundiendo hacia
lados opuestos Este proceso no terminaraacute hasta que el potencial eleacutectrico de este
campo alcance un valor que impida el posterior flujo de electrones y huecos Una
vez se llega a este punto de equilibrio se habraacute creado en la estructura p-n un
campo eleacutectrico sin la ayuda de campos eleacutectricos externos
Asiacute entonces si la energiacutea que suministra el Sol en forma de fotones al
interactuar con una superficie de silicio tipo p posee la frecuencia miacutenima
necesaria para generar la energiacutea para romper un enlace de la estructura del
silicio (band-gap) seraacute absorbido y con ello se crearaacute una nueva pareja de
electroacuten-hueco el efecto de esta nueva pareja seraacute que el electroacuten liberado se
trasladaraacute hacia la zona n como una accioacuten de recuperar el equilibrio De esta
misma forma si el fotoacuten incide sobre la zona n se generaraacute una nueva pareja
electroacuten-hueco pero en este caso el hueco se traslada a la zona p El resultado
de este flujo es la acumulacioacuten de cargas positivas en la zona p y de cargas
negativas en la zona n dando origen a un campo eleacutectrico opuesto al creado por
el mecanismo de difusioacuten
Al aumentar el nuacutemero de fotones que incide sobre la unioacuten aumenta el campo
que anula el inicial hasta llegar a un valor umbral en el que ya no hayan campos
internos que separen cada pareja de electroacuten-hueco Esta es la condicioacuten que
determina la tensioacuten a circuito abierto de la ceacutelula fotovoltaica Este potencial
eleacutectrico evidencia las causas del efecto fotovoltaico
29
Figura 15 Efecto fotovoltaico tomada de SUSTAINABLE ENERGY SYSTEMS The
Photovoltaic Effect 3 de Enero del 2012 Disponible en httpsustainableenergysystemzcomthe-
photovoltaic-effect172
Al establecer un circuito eleacutectrico externo entre las dos superficies los electrones
acumulados fluiraacuten a traveacutes de eacutel regresando a su posicioacuten inicial Este flujo de
electrones forma lo que se conoce como una corriente fotogenerada o fotovoltaica
133 La ceacutelula fotovoltaica
Las ceacutelulas o celdas solares se fabrican a partir de planchas de silicio el cual es
un elemento muy abundante en el planeta Tierra debido a que es uno de los
componentes que forman la arena (dioacutexido de silicio SiO2) En su forma maacutes
pura el silicio semiconductor se emplea en la industria de la microelectroacutenica
como base para los microchips
Fiacutesicamente una ceacutelula fotovoltaica es un diodo con una superficie muy amplia
generalmente tiene un grosor que variacutea entre los 025 y 035 mm y una forma
generalmente cuadrada con una superficie aproximada de 100cm2 El proceso de
fabricacioacuten variacutea seguacuten las cualidades que se quieran obtener (rendimiento
flexibilidad economiacutea) A maacutes pureza maacutes altos costos para una calidad que no
va a suponer un incremento sustancial de rendimiento
Las ceacutelulas fotovoltaicas de silicio pueden construirse de cristales monocristalinos
policristalinos o de silicio amorfo La diferencia entre ellas radica en la forma como
estaacuten dispuestos los aacutetomos de silicio en la estructura cristalina Esta hace que
tengan eficiencias diferentes La eficiencia de una ceacutelula fotovoltaica es el
porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad Las celdas solares de
silicio monocristalino y policristalino tienen casi la misma eficiencia que supera a
la del amorfo sin embargo este uacuteltimo es el maacutes econoacutemico de ambos [21]
134 Silicio monocristalino
30
Las celdas de Silicio monocristalino representan el estaacutendar de la tecnologiacutea
fotovoltaica comercial Para fabricarlas el silicio es purificado mediante la
introduccioacuten de una varilla de ldquocristal germenrdquo de silicio fundido a unos 1400degC y
cristalizado ya sea en lingotes o en laacuteminas delgadas posteriormente el silicio es
rebanado en obleas delgadas para definir las celdas individuales posteriormente
las obleas se pulen por ambas caras Durante el proceso de corte y pulido se
desperdicia casi la mitad del material Una vez pulidas las celdas se introduce por
difusioacuten a alta temperatura un material dopante tiacutepicamente boro si se desea que
el semiconductor sea tipo p y foacutesforo si se desea que el semiconductor sea tipo
n Esta forma de obtencioacuten del silicio para usos fotovoltaicos se conoce como el
meacutetodo Czochralski
En el anterior meacutetodo la mayoriacutea de veces se hace el dopado con boro con el fin
de caracterizar el semiconductor tipo p Para la unioacuten n-p se difunden aacutetomos de
foacutesforo que se depositan sobre una cara y alcanzan cierta profundidad en
superficie Asiacute se consigue que una de las zonas tenga deficiencia de aacutetomos
(tipo p) y la otra cara exceso de aacutetomos (tipo n) Debido a esta diferencia de carga
eleacutectrica en el material se produce un campo eleacutectrico encargado de empujar a
los electrones a salir de la ceacutelula por la superficie de la capa n lo que conlleva al
establecimiento de una corriente eleacutectrica con la interaccioacuten de la energiacutea
proveniente del Sol en forma de fotones
La ceacutelula que se obtiene ha de estar dotada de unos contactos eleacutectricos para
poder canalizar la energiacutea que produce cuando recibe insolacioacuten Estos contactos
sobre la cara asoleada se reparten en forma ramificada y se unen a dos contactos
principales Es comuacuten para la fabricacioacuten de contactos usar procedimientos
serigraacuteficos dado su bajo costo y la facilidad de automatizacioacuten En la cara
posterior que no recibe el sol el material suele extender a toda la superficie o
formar una malla metaacutelica muy tupida esta se recubre con un tratamiento
antirreflexivo de bioacutexido de titanio o zirconio
La mayoriacutea de las ceacutelulas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente
05v independientemente del aacuterea superficial de la celda sin embargo mientras
mayor sea la superficie mayor seraacute la capacidad en corriente que pueda
suministrar
31
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino
El proceso de construccioacuten de paacuteneles monocristalinos es muy costoso y requiere
mucha energiacutea aunque se obtiene un cristal maacutes eficaz con rendimientos en
laboratorio del 15 al 18 Se distinguen por su color azul homogeacuteneo o negro Los
moacutedulos fabricados con tal material tienen tal calidad que algunos fabricantes los
garantizan por 25 antildeos
135 Silicio policristalino
Las ceacutelulas de silicio policristalino se obtienen de planchas de silicio policristalino
que son maacutes econoacutemicas que las planchas de silicio monocristalino Se obtienen
por un proceso de moldeo a partir de pasta de silicio formado por muacuteltiples
cristales de silicio la cual es fundida y vertida en un molde donde se deja asentar
lentamente con lo cual se obtiene un soacutelido formado por muchos pequentildeos
cristales Una vez listo este material se corta en planchas de menor espesor que
las monocristalinas (solo algunas micras) Estas ceacutelulas son maacutes econoacutemicas que
las ceacutelulas monocristalinas sin embargo no son igual de eficientes debido a sus
imperfecciones en su estructura cristalina Aunque su eficiencia ronda entre el
12 y el 14 su costo ha hecho que sean muy usadas de manera comercial
Su composicioacuten a partir de pequentildeos cristales hace que su color no sea uniforme
como las ceacutelulas monocristalinas esta caracteriacutestica hace que su color tenga
diferentes tonalidades de azul
32
Tanto este proceso como el anterior casi la mitad del silicio se pierde como polvo
durante el cortado La garantiacutea de este producto suele ser de 20 antildeos
dependiendo del fabricante
Figura 17 Panel solar silicio policristalino
136 Silicio amorfo
El silicio amorfo es silicio en una forma cristalina con defectos en sus enlaces
atoacutemicos Sin embargo si el silicio amorfo se deposita de tal manera que contenga
una pequentildea cantidad de hidroacutegeno estos aacutetomos de hidroacutegeno saturan muchos
de los huecos de la red cristalina permitiendo asiacute a los electrones moverse a
traveacutes del silicio tipificaacutendose gracias a la accioacuten del dopaje como un material
tipo p o tipo n En cualquier caso en las regiones p o n obtenidas la vida media de
los portadores de carga es reducida
Se obtiene de un proceso de produccioacuten relativamente simple econoacutemico con
poco gasto de energiacutea lo que hace posible la produccioacuten de ceacutelulas a gran escala
Las ceacutelulas de silicio amorfo se obtienen depositando capas delgadas de silicio
sobre un substrato de bajo costo que puede ser vidrio plaacutestico o similar y son de
color marroacuten homogeacuteneo Tienen dos principales desventajas baja eficiencia
respecto a ceacutelulas monocristalinas y policristalinas (cerca del 10 lo que conlleva
a utilizar mucha maacutes aacuterea) y las ceacutelulas se ven envueltas en un proceso de
degradacioacuten en los primeros meses de funcionamiento reduciendo la eficiencia a
lo largo de su vida uacutetil
Las ceacutelulas amorfas son utilizadas en aplicaciones en donde se demande poca
electricidad por ejemplo Relojes calculadoras luces de prados etc [15 21 23]
33
Figura 18 Panel de silicio amorfo tomada de ENGANGET Xunlight Logra Crear Paneles
Solares Flexibles de Gran Tamantildeo 6 de Junio del 2009 Disponible en
httpesengadgetcom20090605xunlight-logra-crear-paneles-solares-flexibles-de-gran-tamano
CEacuteLULAS RENDIMIENTO LABORAL
RENDIMIENTO DIRECTO
CARACTERIacuteSTICAS FABRICACIOacuteN
Monocristalino
24
15-18
Es tiacutepico los azules homogeacuteneos y la conexioacuten de las ceacutelulas individuales entre si (Czochralsky)
Se obtiene de silicio puro fundido y dopado con fosforo
Policristalino
19-20
12-14
La superficie estaacute estructurada en cristales y contiene distintos tonos azules
Igual que el monocristalino solo que se disminuye el nuacutemero de fases de cristalizacioacuten
Amorfo
16
lt10
Tiene un color homogeacuteneo (marroacuten) no tiene conexioacuten visible entre ceacutelulas
Tiene la ventaja de depositarse en forma de laacutemina delgada y sobre un sustrato como vidrio o plaacutestico
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas
fotovoltaicas comerciales
34
14 RECURSO SOLAR
Seguacuten la explicacioacuten del efecto fotoeleacutectrico propuesta por Albert Einstein la
energiacutea de la luz va ligada netamente a la frecuencia de los fotones que esta
contenga de esta forma se comporta la energiacutea contenida en los rayos del Sol en
donde se puede modelar la siguiente ecuacioacuten llamada ldquoecuacioacuten de Plankrdquo
119864 = ℎ lowast 119881 120783 120784
En donde
119864 Energiacutea de los fotones
ℎ Constante de Planck que equivale a 662510minus34Js
119881 Frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de la luz
De esta manera la energiacutea proveniente del Sol a la Tierra seraacute el resultado del
producto entre la constante de Planck y la suma de las frecuencias que tiene cada
fotoacuten del espectro solar Sin embargo no toda esa energiacutea es aprovechada en la
superficie terrestre debido a que existen fotones con poca frecuencia y por ende
poca energiacutea incapaz de atravesar la atmoacutesfera
La energiacutea que se obtiene en la atmoacutesfera terrestre es una mezcla de radiaciones
de longitudes de onda formada por radiacioacuten ultravioleta luz visible y radiacioacuten
infrarroja Una de las funciones de la capa de ozono es filtrar parte de esta
energiacutea y de esta manera formar el espectro solar terrestre En la siguiente
imagen se puede mostrar la situacioacuten descrita [24]
35
Figura 19 Espectro solar tomada de ADMATNET Espectro Solar Disponible en
httpadmatnetcomwp-contentuploads201310espectro-solar-vs-SC1jpg
En donde la longitud de onda (120574) y la frecuencia (119891) de la ondas
electromagneacuteticas se relacionan mediante la expresioacuten
120574 =119888
119891 120783 120785
En donde
119888 Velocidad de la luz a la cual se desplazan todas las ondas electromagneacuteticas
Asiacute entonces se sabe que seguacuten la Ley de Planck que permite calcular la
radiacioacuten emitida por un cuerpo negro el Sol emite unos 38 lowast 1023kw solo una
pequentildea cantidad es absorbida por la atmoacutesfera y es conocida como la radiacioacuten
terrestre que variacutea de acuerdo a ciertas condiciones geograacuteficas a lo largo del
antildeo
Un paraacutemetro fundamental para comprender el comportamiento de la radiacioacuten
terrestre es la ldquoconstante solarrdquo que es la cantidad de energiacutea que incide
perpendicularmente en 1 1198982 de aacuterea ubicada en la parte exterior de la atmoacutesfera
Su valor es 1338 119908 1198982frasl y variacutea un plusmn3 en el antildeo debido a que la Tierra tiene una
trayectoria eliacuteptica alrededor del Sol [15 21]
La radiacioacuten del Sol no es absorbida en su totalidad por la atmoacutesfera esta se
debilita por accioacuten de la reflexioacuten difusioacuten y absorcioacuten Se dice que en ciertas
36
condiciones tales como diacutea perfectamente claro ausencia de sombras y con los
rayos cayendo perpendicularmente a un plano horizontal casi las tres cuartas
partes de la energiacutea proveniente de Sol alcanzaraacuten dicho plano El resto se refleja
en la atmoacutesfera y se dirige al espacio exterior La atmoacutesfera juega un papel de
filtro sobre la radiacioacuten ultravioleta y gran parte de la infrarroja siendo estas
absorbidas por el ozono Asiacute entonces la constante solar ya no es vaacutelida en ninguacuten
nivel terrestre donde bajo las condiciones nombradas anteriormente se dice que
en 11198982 de superficie a nivel del mar con los rayos llegando de forma
perpendicular cerca de 1000 119908 1198982frasl seraacuten disponibles
La anterior situacioacuten puede variar considerablemente dependiendo de las
condiciones encontradas en el ambiente Algunas de estas son momento del diacutea
variacutea de un lugar a otro especialmente en lugares montantildeosos la elevacioacuten solar
(posicioacuten relativa del Sol en el cielo) que depende de la latitud del lugar la altitud
donde se sabe que a mayor altura existiraacute menor espesor de atmoacutesfera y por ende
mayor energiacutea disponible en forma de radiacioacuten solar
En la tabla 12 se puede observar a grandes rasgos como variacutea la intensidad de la
radiacioacuten en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar y coacutemo influyen ciertas
condiciones climatoloacutegicas
VARIACIOacuteN DE LA RADIACIOacuteN INCIDENTE CON LA ALTITUD
ALTITUD SOBRE EL NIVEL DEL MAR
0 900 1500 2250 3000
INTENSIDAD DE LA RADIACIOacuteN
(w119950120784)
950 1050 1100 1150 1190
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del
mar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y
Cualificacioacuten Meacutexico 2008
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS EN LA RADIACIOacuteN INCIDENTE
CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS
RADIACIOacuteN
GLOBAL(w119950120784)
PORCENTAJE DE RADIACIOacuteN DIFUSA
CIELO DESPEJADO 750-1000 10-20
CIELO PARCIALMENTE NUBOSO
200-500 20-90
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente tomada de
Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
37
De esta manera existen entonces dos factores fundamentales que hacen que la
radiacioacuten solar sea de caraacutecter intermitente Se nombran a continuacioacuten
141 Factores externos a la superficie de la Tierra
Son los de caraacutecter dependiente a la posicioacuten de la Tierra respecto al Sol como
bien se sabe la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol es eliacuteptica por lo que la
energiacutea proveniente del Sol no seraacute constante a lo largo del antildeo debido a que en
ciertas eacutepocas esta deberaacute atravesar mayor distancia y por tanto mayor masa lo
que en este caso disminuiraacute la energiacutea proveniente del Sol Tambieacuten involucran
las coordenadas geograacuteficas del lugar considerando latitud y longitud que
condicionan baacutesicamente el recorrido de la radiacioacuten a traveacutes de la atmoacutesfera y el
aacutengulo de incidencia de los rayos solares Son funcioacuten pues de la altura solar en
cada instante
142 Factores climaacuteticos
Estos factores involucran la atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por parte de agentes
internos al ambiente terrestre tales como nubes cantidad de vapor de agua
contaminacioacuten ozono etc Contenidos en la atmoacutesfera y que fundamentalmente
atenuacutean la radiacioacuten solar por concepto de absorcioacuten reflexioacuten y difusioacuten de la
radiacioacuten [15 21 25]
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten tomada de HERNANDEZ PEDRO J Efectos Teacutermicos de Los Materiales Disponible en httppedrojhernandezcomtagconceptos-2
143 Componentes de la radiacioacuten solar Seguacuten la forma como llegue la luz solar a la superficie de la Tierra se pueden clasificar en tres formas diferentes Radiacioacuten solar directa es captada desde una superficie terrestre que posee un uacutenico aacutengulo de incidencia Es decir es la que viaja en liacutenea recta desde la atmoacutesfera hasta la superficie terrestre
38
Radiacioacuten solar dispersa o difusa es la energiacutea que ha sido desviada por accioacuten de los gases disponibles en el ozono esto explica que una superficie con sombra o sin luz solar se encuentre iluminada incluso a pesar de su condicioacuten Radiacioacuten solar albedo es la radiacioacuten reflejada por el suelo o alguna otra superficie Cuando la fuente de luz es el Sol se usa el teacutermino albedo en lugar de reflectancia Esta es variable de un lugar a otro por ejemplo la superficie de un cuerpo negro tendraacute un albedo de cero sin embargo una superficie cubierta de nieve tendraacute un albedo de aproximadamente 09 y para el suelo mojado tendraacute un albedo de 018 (la superficie de un cuerpo negro es un elemento ideal y netamente teoacuterico por ende inexistente)
En teacuterminos generales se define al albedo como
120566 =119877119903
119877119894 120783 120786
En donde
119877119903 es la radiacioacuten reflejada por la superficie
119877119894 es la radiacioacuten incidente en la superficie
La radiacioacuten incidente puede tener entonces dos componentes radiacioacuten directa y
radiacioacuten difusa [21]
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solar
Se pueden destacar los siguientes
Datos de estaciones cercanas
Los valores arrojados por este meacutetodo podraacuten ser acertados si solamente se trata
de un lugar llano y la distancia entre la estacioacuten y el lugar que se planea energizar
es menor a 10 km Sin embargo en la ausencia de alguna otra opcioacuten esta podriacutea
ser una opcioacuten previa donde se podriacutea dar una idea de coacutemo puede ser la
radiacioacuten en un lugar en especiacutefico
Interpolar valores a partir de medidas de la radiacioacuten solar en otras estaciones
La informacioacuten acerca de la radiacioacuten entregada por este meacutetodo puede llegar a
ser confiable si el nuacutemero de estaciones en un lugar es considerable y
dependiendo del tipo de terreno es decir que la interpolacioacuten puede verse
afectada si entre estaciones no tienen en cuenta terrenos en donde la altura
humedad y nubes puedan afectar el resultado
39
Modelos de interpolacioacuten que tienen en cuenta la topografiacutea
Este meacutetodo puede llegar a ser efectivo debido a que tienen en cuenta la
desventaja del iacutetem anterior sin embargo es escaso tener acceso a esta
informacioacuten debido a la complejidad que involucrariacutea tener en cuenta toda la
topologiacutea geograacutefica de un paiacutes como Colombia
Meacutetodo de tratamiento de imaacutegenes de sateacutelites
Es el meacutetodo maacutes exacto para encontrar la radiacioacuten solar en un sitio determinado
Es el resultado de la reflexioacuten de los rayos solares en la superficie de la Tierra
Este meacutetodo se caracteriza por llevar impliacutecito los factores externos a la superficie
de la Tierra y los factores climaacuteticos y topograacuteficos [25 26]
15 DESARROLLOS EN COLOMBIA
Colombia es un paiacutes que produce en su gran mayoriacutea energiacutea eleacutectrica a partir de
la energiacutea potencial almacenada por embalses (centrales hidroeleacutectricas) Este
tipo de generacioacuten aprovecha el movimiento del agua para convertirlo en corriente
eleacutectrica comercial su impacto ambiental es mucho menor que en las energiacuteas
foacutesiles (no produce gases de efecto invernadero ni contamina a la atmoacutesfera) su
explotacioacuten apenas requiere mantenimiento y el almacenamiento de agua tambieacuten
se puede utilizar para plantaciones Sin embargo su construccioacuten implica un gran
impacto ambiental al ser necesaria la inundacioacuten de valles y desplazamiento de
poblacioacuten constituyen una de las principales causas directas e indirectas de
peacuterdida de millones de hectaacutereas de bosques muchas de ellas abandonadas bajo
el agua y en descomposicioacuten Se modifican las condiciones fiacutesicas y quiacutemicas del
riacuteo como salinidad temperatura y nutrientes debido a que el agua embalsada
altera las condiciones naturales del riacuteo
La produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en Colombia empleando sistemas fotovoltaicos
ha tenido un enfoque en el sector rural en donde el gran costo de generacioacuten
provocados por los altos precios en los combustibles y los costos de operacioacuten y
mantenimiento hace que la generacioacuten fotovoltaica sea una opcioacuten adecuada y
confiable a largo plazo Estos sistemas empezaron en Colombia con la empresa
Telecom a comienzos de los antildeos 80s con el apoyo de la Universidad Nacional
Se desarrollaron proyectos con pequentildeos generadores fotovoltaicos de 60 Wp
con los cuales energizaron radioteleacutefonos y algunos sistemas de comunicacioacuten
adicionales en 1983 ya se habiacutean instalado 2950 de este tipo de sistemas y
alcanzaron una potencia instalada entre 3 a 4 kWp para antenas satelitales
terrenales
40
Muchas empresas optaron por instalar sistemas fotovoltaicos para energizar sus
sistemas de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas fotovoltaicos
para alimentar repetidoras de microondas boyas estaciones remotas bases
militares y algunas viviendas en las zonas rurales Seguacuten estudios realizados en
1983 y 1994 se importaron 48499 moacutedulos solares para una potencia de 205
MWp de estos el 411 para proyectos de telecomunicaciones el 465 para
electrificacioacuten rural y el 124 para otras operaciones El mismo estudio determino
que para 248 sistemas fotovoltaicos equivalentes a 419 moacutedulos el 56 de los
sistemas funcionaban correctamente mientras que el 37 funcionaban con
problemas y el 8 estaban fuera de servicio Como fuente principal de problemas
encontraron la falta de miacutenimo mantenimiento componentes dantildeados partes sin
reemplazo y sistemas subestimados Esto evidencia que los dimensionamientos
no son adecuados para estos sistemas al igual que un olvido teacutecnico para estos
usuarios con respecto a mantenimiento y ajustes al sistema En los uacuteltimos 10
antildeos tampoco se ha evidenciado estudios similares a este en donde se muestre
el estado real de dichos sistemas [28]
En promedio los sistemas para electrificacioacuten rural constan de un panel entre 50 y
70 Wp una bateriacutea entre 60 y 120 Ah y un regulador Lo que producen una
energiacutea miacutenima para satisfacer las necesidades maacutes baacutesicas del sector rural El
costo actual de estos pequentildeos sistemas oscila entre US$ 1200 a 1500 afectando
principalmente los altos costos de instalacioacuten en las zonas remotas
Durante los uacuteltimos antildeos se han instalado muchos maacutes sistemas en los programas de electrificacioacuten rural con fuerte financiacioacuten del Estado haciendo uso actualmente de recursos como el FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energizacioacuten de las Zonas No Interconectadas) El IPSE (Instituto para la Promocioacuten de Soluciones Energeacuteticas) es en la actualidad la institucioacuten que lidera las acciones del Estado en la energizacioacuten del campo colombiano Seguacuten esta institucioacuten hay en la actualidad maacutes de 15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones Pero ademaacutes el IPSE tiene en desarrollo soluciones innovadoras como sistemas hiacutebridos en donde se combinan por ejemplo la energiacutea solar fotovoltaica y las plantas diesel para reducir los costos de generacioacuten del diesel y emplear el generador como respaldo [29] El Estado tambieacuten cuenta con una institucioacuten encargada de recopilar la informacioacuten de la energiacutea solar disponible en el territorio colombiano el IDEAM (Instituto de Estudios Ambientales) es la entidad encargada de cumplir con esa tarea empleando la informacioacuten de 383 estaciones de brillo solar medido con helioacutegrafos Campebell-Stokes 32 estaciones de referencia y 39 estaciones radiomeacutetricas unas con actinoacutegrafo Fuess y otras con piranoacutemetros Eppley Blanco y negro y PSP Con esta informacioacuten recopilada mes a mes se corrioacute el modelo de Angstrom modificado dando como resultado los mapas de radiacioacuten solar para superficies horizontales publicados en el 2005 expuestos en el anexo 1
41
Como conclusioacuten al anterior estudio se presenta la tabla 14 en donde se muestra la energiacutea sobre metro cuadrado a lo largo del antildeo para las regiones del paiacutes
REGIOacuteN kWh119950120784antildeo
GUAJIRA 2190
COSTA ATLAacuteNTICA 1825
ORINOQUIA 1643
AMAZONIA 1551
ANDINA 1643
COSTA PACIacuteFICA 1278 Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia
Sin embargo este estudio presenta deficiencias para ser considerado adecuado a la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico debido a la poca confiabilidad de los resultados entregados para el dimensionamiento en las diferentes zonas del paiacutes ya que la densidad de estaciones climatoloacutegicas es insuficiente para el caacutelculo adecuado del modelo Angstrom modificado El caacutelculo maacutes confiable se presenta en la zona Andina debido a que en esta regioacuten la maacutes elevada del paiacutes
se tiene la mayor densidad de estaciones climatoloacutegicas por 1198961198982 mientras que en la zona paciacutefica existe la menor densidad de las mismas Adicional a esto no resulta muy uacutetil tener los mapas de radiacioacuten solar promedio mes a mes debido a que solo es informacioacuten indicativa y carece de informacioacuten maacutes detallada como radiacioacuten en un lugar especiacutefico radiacioacuten sobre un plano inclinado e incluso recomendaciones sobre una mejor inclinacioacuten y orientacioacuten del generador fotovoltaico Sin embargo existen herramientas capaces de recopilar informacioacuten de las estaciones meteoroloacutegicas existentes en una regioacuten y correr un sistema de interpolacioacuten un poco maacutes preciso con respecto a una ubicacioacuten inclinacioacuten y orientacioacuten detallada Es el caso de la base de datos llamada Meteonorm y el modelo usado por MeteoSyn para generar datos de radiacioacuten solar en un sitio determinado Ambos son usados por distintos software como es el caso de PVSOLreg que es capaz de calcular y disentildear sistemas fotovoltaicos [20] 16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA EL DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 161 Declinacioacuten Magneacutetica Se conoce como declinacioacuten magneacutetica a la diferencia entre el norte o sur magneacutetico comprendido por una bruacutejula y el verdadero o geograacutefico punto cardinal La bruacutejula se orienta con el campo magneacutetico de la Tierra que no siempre estaacute alineado con el eje de rotacioacuten por lo que la orientacioacuten de los moacutedulos
42
fotovoltaicos se debe trabajar con el norte geograacutefico y no con el magneacutetico Se presenta la figura 111 en donde se observa que para Colombia la declinacioacuten magneacutetica esta en unos 8ordm grados al Este
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica tomada de Global Top Variacioacuten Magneacutetica Disponible en httpwwwgtop-techcomesproductVariacin-magnticaSoftware_Services_16htmlprettyPhoto[rm-prd-photoshow]0
De esta manera se debe ajustar la orientacioacuten entregada con la bruacutejula con unos 8ordm al Este para aplicaciones fotovoltaicas en Colombia [10 29] 162 Trayectoria solar La posicioacuten del Sol variacutea diariamente desde el amanecer hasta el ocaso dependiendo de la latitud del lugar asiacute por ejemplo para lugares ubicados en el hemisferio Norte de la Tierra el Sol sale por el Este se desplaza en direccioacuten Sur y se pone en el Oeste Se debe aclarar que es la Tierra la que cada diacutea hace una rotacioacuten completa alrededor de su eje lo que crea una sensacioacuten estaacutetica en el observador por tanto es costumbre decir que ldquoel Sol realiza un recorrido ldquo aunque en realidad es la Tierra la que hace el recorrido alrededor del Sol se seguiraacute manejando con fines praacutecticos el termino trayectoria solar La Tierra tiene dos movimientos la rotacioacuten sobre su eje y la traslacioacuten alrededor del sol esta uacuteltima sigue una trayectoria eliacuteptica que da lugar a las estaciones del antildeo La combinacioacuten de ambos movimientos genera que se observe una variacioacuten de la trayectoria solar a lo largo del antildeo Este es un factor de intereacutes para la ubicacioacuten orientacioacuten e inclinacioacuten de los moacutedulos fotovoltaicos debido a que se intenta que esteacuten plenamente orientados hacia el Sol con el fin de que la incidencia de la luz en el panel sea siempre plena
43
Se presenta la figura 112 donde se observa dicha variacioacuten a lo largo del antildeo para la ciudad de Pereira [30]
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira disponible en SUN EARTH TOOLS Ubicador Geograacutefico Solar Disponible en httpwwwsunearthtoolscomdptoolspos_sunphplang=es
En figura 112 se muestran tres trayectorias solares la superior representa el solsticio de verano o solsticio de Junio la del medio representa una fecha de ejemplo y la inferior representa el solsticio de invierno o solsticio de Diciembre Asiacute entonces se definen dos paraacutemetros fundamentales 163 Acimut Es la localizacioacuten aparente del Sol al Este u Oeste del sur verdadero se mide en grados al Este u Oeste Se puede optimizar el rendimiento diario de los colectores si estos se fijan frente al sur geograacutefico es decir acimut 0deg 164 Inclinacioacuten del arreglo Es el aacutengulo que forma el arreglo de paneles con el plano horizontal Se intenta que este sea adecuado para que la incidencia de los rayos solares sea perpendicular a la superficie captadora [10 21] Seguacuten la imagen para que los paneles esteacuten en todo momento perfectamente inclinados hacia el sol se deberaacute estar dispuesto sobre un mecanismo de anclaje que permita la movilidad tanto en su eje horizontal como en su eje vertical Sin
44
embargo para paiacuteses cercanos a la liacutenea ecuatorial no es necesario dicho mecanismo debido a que las variaciones no son muy bruscas a diferencia de paiacuteses muy alejados de la liacutenea ecuatorial en donde si no se dispone de un sistema mecaacutenico para dicha aplicacioacuten se intenta fijar la inclinacioacuten de acuerdo a la eacutepoca del antildeo en donde se desee utilizar el sistema de captacioacuten solar asiacute entonces algunos autores especifican que para el hemisferio norte de la Tierra en eacutepocas de invierno se inclinan los paneles 20deg mayor que la latitud para primavera y verano se fijan en 10deg menor que la latitud y la utilizacioacuten para todo el antildeo 10deg mayor que la latitud La altura del Sol por encima del horizonte se llama altitud la cual se mide en grados por encima del horizonte De esta forma al amanecer y al ocaso la altitud seraacute de cero grados Para el hemisferio Norte de la Tierra cuando el Sol estaacute sobre el sur verdadero (acimut 0ordm) estaraacute en su altitud maacutexima para ese diacutea Esta hora se conoce como medio diacutea solar y variacutea a causa de la rotacioacuten de la Tierra sobre su eje inclinado Para el caso de Colombia existen maacutes cantidad de diacuteas en donde el Sol posee una trayectoria hacia el sur que hacia el norte lo que convendriacutea inclinar los paneles hacia el sur (acimut=0deg) sin embargo existen otras opciones para mejorar la captacioacuten a partir de estructuras fijas que posean la manera de variar la inclinacioacuten Asiacute entonces el usuario podraacute variar la inclinacioacuten en dos o maacutes puntos dependiendo de la estructura fijada en los paneles de tal forma que para eacutepocas del antildeo en donde sean predominantes las trayectorias solares en direccioacuten norte el arreglo pueda tener la opcioacuten de adaptarse De acuerdo a la experiencia aportada por la empresa Colombian Solar Systems sitio en donde se llevoacute a cabo este proyecto se recomienda que la inclinacioacuten de los paneles no sea menor de 10deg debido a que es la inclinacioacuten necesaria para que el agua de la lluvia y los residuos del ambiente resbalen y no sean inconvenientes para la captacioacuten solar [10 21] En la tabla 15 se da a conocer el comportamiento de la radiacioacuten en la ciudad de Pereira (estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea) con distintas inclinaciones
45
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
De la tabla 15 se observa que la radiacioacuten en los meses de Mayo Junio Julio y Agosto es mayor para inclinaciones hacia el Norte sin embargo para el resto del antildeo la radiacioacuten es mayor para inclinaciones hacia el Sur En la tabla 16 se resume el comportamiento de la radiacioacuten solar anual en la ciudad de Pereira seguacuten el software PVSOLreg
Acimut Inclinacioacuten Radiacioacuten acumulada anual en [kWhmsup2]
Descripcioacuten
180deg 30deg 1373 Cara al Norte
180deg 15deg 1505 Cara al Norte
180deg 10deg 1535 Cara al Norte
180deg 5deg 1557 Cara al Norte
0deg 0deg 1570 Horizontal
0deg 5deg 1576 Cara al Sur
0deg 10deg 1574 Cara al Sur
0deg 15deg 1563 Cara al Sur
0deg 30deg 1485 Cara al Sur Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira
EneroFebre
roMarz
oAbril Mayo Junio Julio
Agosto
Septiembr
e
Octubre
Noviembre
Diciembre
Acimut 180deg inclinacioacuten 30deg 10683 10448 12242 11513 12025 12145 12896 13125 11767 10942 9472 10036
Acimut 180deg inclinacioacuten 15deg 13369 12342 13376 12123 12182 12125 12992 13563 1263 12445 11064 12318
Acimut 180deg inclinacioacuten 10deg 14143 12849 13626 12205 12111 11992 12887 1357 12795 12829 11508 1297
Acimut 180deg inclinacioacuten 5deg 14839 13288 13809 12225 11979 11797 12716 13509 12895 13149 11899 13557
Acimut 0deg inclinacioacuten 0deg 15454 13654 13923 12182 11787 11542 12478 13378 12931 13404 12234 14075
Acimut 0deg inclinacioacuten 5deg 15981 13945 13967 12078 11536 11228 12176 13178 12901 1359 12509 14521
Acimut 0deg inclinacioacuten 10deg 16417 14159 13941 11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 12723 14889
Acimut 0deg inclinacioacuten 15deg 16759 14294 13845 11687 10867 10435 1139 12582 12648 13752 12873 15179
Acimut 0deg inclinacioacuten 30deg 17197 1422 13148 1067 952 8949 9823 11232 11802 13467 12939 15553
020406080
100120140160180200
kWhm
sup2
Radiacioacuten Aeropuerto Matecantildea para distintos planos
46
165 Objetos que crean sombra Este paraacutemetro es de suma importancia para el disentildeo de cualquier sistema fotovoltaico debido a que afecta netamente el rendimiento de los paneles Este factor es muy variable de acuerdo a la ubicacioacuten del lugar Se pretende que las sombras sean reducidas lo maacuteximo posible sin embargo estas suelen aparecer con mayor persistencia en eacutepocas del antildeo donde la altitud del Sol es menor Un meacutetodo para evaluar sombras en Colombia constariacutea del anaacutelisis de los diacuteas en donde la altitud del Sol es menor asiacute entonces tendriacutea en cuenta los diacuteas de solsticio de Junio (21 de Junio) y el solsticio de Diciembre (21 de Diciembre) para hacer un anaacutelisis visual de sombras que intervienen en el arreglo y evaluar si estas pueden ser retiradas para mejorar la captacioacuten o por el contrario no es posible retirarlas lo que conlleva a un menor rendimiento [10]
47
Capiacutetulo 2
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Los sistemas autoacutenomos o independientes de la red son una buena opcioacuten para
abastecer de energiacutea eleacutectrica zonas de difiacutecil acceso constan de un arreglo
fotovoltaico encargado de transformar la energiacutea proveniente del Sol en energiacutea
eleacutectrica un banco de bateriacuteas que se encargaraacute de suministrar energiacutea en horas
del diacutea en donde la radiacioacuten sea miacutenima o nula un regulador encargado de
adecuar la tensioacuten y la corriente para cargar el banco de bateriacuteas y protegerlo de
sobrecargas y descargas profundas y un inversor que convierte la corriente
continua en corriente alterna adecuada para suministrar las cargas
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTOacuteNOMO
Para entender el funcionamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo se necesita
comprender el funcionamiento de cada uno de los elementos que lo componen
para posteriormente entrar en detalles en el modelamiento del sistema fotovoltaico
como tal
211 El panel fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos tienen como misioacuten captar la energiacutea en forma de
fotones provenientes del Sol para generar corriente eleacutectrica capaz de ser
almacenada y aprovechada para cualquier uso
Estaacuten compuestos de ceacutelulas solares que al ser tratadas individualmente no seriacutean
capaces de proporcionar niveles de tensioacuten y corriente adecuados para el
consumo Son fraacutegiles eleacutectricamente no aisladas y carecen de soporte mecaacutenico
es por estas razones que es necesario ensamblarlas de una manera adecuada
para constituir una estructura uacutenica riacutegida y hermeacutetica
En el conjunto del panel FV las ceacutelulas o celdas solares deben ser iguales de lo
contrario se presentaraacuten sectores en el panel fotovoltaico con altas temperaturas
Estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute en serie yo en paralelo de forma que la
tensioacuten y corriente alcancen valores adecuados Es frecuente que primero se
conecten ceacutelulas en serie hasta ajustar un nivel de tensioacuten y posteriormente
asociar en paralelo varias cadenas de esta serie para alcanzar niveles de corriente
deseados [21]
2111 Estructura de los paneles solares
48
Aunque cada empaquetadura puede variar entre distintos fabricantes existen
varias caracteriacutesticas comunes entre ellos como el uso de una estructura de
ldquoSaacutendwichrdquo donde ambos lados de las ceacutelulas quedan mecaacutenicamente protegidos
Los paneles solares estaacuten formados por los siguientes elementos cubierta frontal
material encapsulante ceacutelulas o celdas solares y sus conexiones eleacutectricas
cubierta posterior y arco metaacutelico Otros elementos que pueden llegar a ser parte
del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores [21]
Figura 21 Componentes de un panel solar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar
Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
21111 La cubierta frontal
Sirve para proteger las ceacutelulas contra las inclemencias del tiempo e impactos Es
vidrio templado de 3 a 4mm de espesor y al que se le ha dado una textura que
minimiza la reflexioacuten de la luz y favorece la transmisioacuten hacia el material
semiconductor en algunos casos de hasta el 91 Tambieacuten los hay en materiales
orgaacutenicos y plaacutesticos de alta resistencia [15 21]
21112 El material encapsulante
Se encuentra entre el vidrio y las ceacutelulas y tambieacuten las recubre en la parte
posterior Se intenta que sea un material con iacutendice de refraccioacuten parecido al del
vidrio utilizado en la cubierta frontal con el fin de evitar peacuterdidas producidas por el
traspaso de la radiacioacuten entre el aire encapsulado por la cubierta frontal y la ceacutelula
49
Tiene la funcioacuten de proteger la ceacutelula de la entrada de polvo impurezas agua y
acumulacioacuten de humedad ademaacutes de proporcionar amortiguamiento de impactos
y absorber tensiones debido a sus caracteriacutesticas elaacutesticas Es usual que este
material sea un copoliacutemero denominado EVA (etileno-vinil-acetato) este no se
degrada faacutecilmente solo a temperaturas y niveles de iluminacioacuten muy elevados
Los paneles que usan laacuteminas plaacutesticas en la superficie colectora suelen perder
hasta un 20 del valor inicial de transmisividad despueacutes de muchos antildeos de uso
(aproximadamente 20 antildeos) mientras que los que usan vidrio templado pierden
alrededor de 5 debido a que este material resiste la accioacuten deteriorante de los
rayos ultravioleta [21]
21113 La cubierta posterior
Sirve de proteccioacuten y cerramiento al moacutedulo fundamentalmente contra los agentes
atmosfeacutericos ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad Estaacute
formada por varias capas de un aislante eleacutectrico llamado Tedlar que al ser
opacas y de color blanco reflejan la luz que ha logrado pasar por las ceacutelulas
haciendo que vuelva a la parte frontal donde puede ser reflejada e incidir de
nuevo en las ceacutelulas En otros casos la cubierta posterior puede ser de aluminio
con lo que mejora la disipacioacuten de calor al exterior lo cual es un factor muy
importante para determinar la potencia de salida de un panel FV [21]
21114 El marco metaacutelico
Es la parte que le da rigidez y permite que se pueda formar montando estructuras
Es de Aluminio anodizado acero inoxidable o similar con soporte para poder
empotrar al moacutedulo en una estructura Este debe estar conectado a un conductor
de toma a Tierra [21]
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica
Las cajas de conexioacuten se encuentran situadas en la parte inferior del panel y
tienen acceso a los bornes del panel (terminal positivo y negativo del panel)
Deben ser lo suficientemente aisladas para que no exista presencia de humedad y
por tanto oxidacioacuten y aumento de resistencia que generen puntos calientes en el
moacutedulo FV Tambieacuten es el lugar en donde se encuentran los diodos de by-pass y
diodos de bloqueo [10]
21116 Diodos de by-pass
Para entender el funcionamiento de los diodos de bypass es necesario hacer un
breve eacutenfasis en el circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
Circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
50
El circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica se representa en la siguiente
figura
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira
I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
V es la tensioacuten en el maacuteximo punto potencia de la ceacutelula fotovoltaica
IL es la corriente fotogenerada por la ceacutelula fotovoltaica
D es un diodo en paralelo que simula la unioacuten p-n
Rs es la resistencia serie de la ceacutelula originada por la oposicioacuten a la corriente en
el emisor la base los electrodos de la ceacutelula solar y los contactos o uniones entre
estos y el semiconductor Se busca disminuir la magnitud de esta resistencia para
volver la ceacutelula maacutes eficiente y para esto es clave que los fabricantes de ceacutelulas o
celdas realicen un buen disentildeo de la ceacutelula solar en el que los contactos
metaacutelicos frontales sean oacuteptimos
Rp es la resistencia paralelo que ofrece un camino alternativo para la corriente
fotogenerada En lugar de fluir a traveacutes de la unioacuten p-n fluye a traveacutes de la
resistencia paralelo de modo que se reduce el voltaje de la ceacutelula Cuanto menor
sea la resistencia paralelo maacutes corriente podraacute desviarse por ella afectando su
eficiencia El impacto de esta resistencia paralelo es elevado sobre todo cuando la
ceacutelula trabaja a baja irradiancia La resistencia paralelo suele ser baja debido a
defectos de fabricacioacuten por lo que para maximizarla es necesario mantener un
buen control del proceso productivo
La unioacuten de varias ceacutelulas fotovoltaicas crean un moacutedulo o panel solar asiacute
entonces eleacutectricamente se puede representar de la siguiente manera
51
Figura 23 modelo eleacutectrico de un panel solar tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira I
Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La anterior imagen muestra una cadena de 5 ceacutelulas fotovoltaicas expuestas a una
radiacioacuten de 1000wm2 y 25degc
Sus caracteriacutesticas eleacutectricas son
IL = 51A (corriente que la ceacutelula transforma de la radiacioacuten bajo esas
condiciones)
V = 051 (Tensioacuten alcanzada por la ceacutelula bajo dichas condiciones)
Al analizar el conjunto de las 5 ceacutelulas tenemos
Iconjunto = 51A
Vmaacutex= 255A
Cuando una ceacutelula fotovoltaica se ve afectada por una sombra esta ya no puede
producir corriente convirtiendo la fuente de corriente en un circuito abierto A
continuacioacuten se muestra la representacioacuten eleacutectrica de dicho suceso
52
Figura 24 modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute
Universitat Rovira I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico
Disponible en httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La trayectoria azul muestra el camino que tomariacutea la corriente con la ceacutelula 3
afectada por una sombra Esta condicioacuten hace que la ceacutelula 3 se convierta en una
carga resistiva haciendo que pueda sufrir dantildeos por recalentamiento y que toda la
cadena de ceacutelulas disminuya su tensioacuten
Explicado el anterior fenoacutemeno los diodos de by-pass tienen como principal
funcioacuten proteger las ceacutelulas parcialmente sombreadas ofreciendo un camino con
menor impedancia a la corriente y asiacute evitando que eacutesta dantildee teacutermicamente las
ceacutelulas parcialmente sombreadas La siguiente imagen muestra el camino de la
corriente cuando hay una ceacutelula bajo sombra y con presencia de diodos de by-
pass [2131-33]
Figura 25 funcionamiento de diodo de bypass tomada de Energeacutetica Futura iquestQueacute es el problema del Punto Caliente en moacutedulos fotovoltaicos Disponible en
53
httpenergeticafuturacomblogC2BFque-es-el-problema-del-punto-caliente-en-modulos-fotovoltaicos
21117 Diodos de bloqueo
Para sistemas aislados es comuacuten acoplar a un arreglo fotovoltaico un conjunto de
bateriacuteas estas pueden dantildear los moacutedulos cuando exista poca o nula radiacioacuten
(horas de la noche) descargaacutendose energiacutea acumulada sobre los paneles
dantildeando teacutermicamente las ceacutelulas fotovoltaicas Los diodos de bloqueo evitan que
las bateriacuteas se descarguen sobre el arreglo proporcionando un camino de muy alta
impedancia Tambieacuten evitan que el flujo de corriente se invierta entre bloques de
paneles conectados en paralelo cuando en uno o varios de ellos se produce una
sombra Estos diodos de bloqueo deben ser capaces de soportar la corriente de
cortocircuito y el voltaje de circuito abierto del campo completo como norma se
toma que puedan soportar dos veces la corriente de cortocircuito y la tensioacuten de
circuito abierto del arreglo fotovoltaico [21]
La siguiente imagen resume la conexioacuten de diodos de by-pass y diodos de
bloqueo con un arreglo de paneles y una bateriacutea
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar
Las caracteriacutesticas de salida de un moacutedulo o panel solar se representan en la
curva I-V que muestra la relacioacuten de salida entre la corriente y la tensioacuten La
mayoriacutea de estas curvas las proporciona el fabricante del panel y estaacuten estudiadas
bajo condiciones normalizadas de pruebas conocidas como STC (Standard Test
Conditions) [10]
Estas pruebas constan de
Irradiancia 1000wm2
54
Temperatura 25degc (77degF)
Espectro luminoso = 15 masa de aire
La corriente de salida variacutea en funcioacuten del voltaje en la carga y su temperatura de
trabajo La siguiente figura muestra en forma graacutefica dicha relacioacuten cuando el
nivel de radiacioacuten permanece constante para un panel en particular
Figura 27 curva caracteriacutestica de una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV) Cells
Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Si bien la anterior imagen muestra la salida de un panel en particular se podriacutea
decir que los demaacutes paneles de silicio del mercado van a tener un comportamiento
similar Se puede observar que el valor maacuteximo para la tensioacuten de salida es
cuando la corriente es nula a este punto se le llama tensioacuten de circuito abierto
(Voc) mientras que la corriente llega a su valor maacuteximo cuando la tensioacuten es nula
a este punto se lo conoce como corriente de corto-circuito (I119888119888) Tambieacuten se puede
observar el punto de maacutexima potencia este es el valor donde el aacuterea bajo la curva
I-V es maacutexima cada panel solar suele especificar este valor con Vmp (Maximun
point voltage)
La salida del panel solar depende baacutesicamente de dos factores fundamentales la
temperatura y la radiacioacuten solar A continuacioacuten se muestran dos imaacutegenes en
donde se observa la influencia en la salida de una celda al variar estos dos
paraacutemetros
55
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV)
Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Figura 29 efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar tomada de ITACA Photovoltaic
(PV) Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-
cells
De la figura 29 se puede resaltar que la corriente que genera el panel depende de
la radiacioacuten solar permaneciendo la tensioacuten aproximadamente constante
De acuerdo a lo anterior tiene mucha importancia la orientacioacuten y la inclinacioacuten
respecto a la horizontal debido a que la radiacioacuten variacutea a lo largo del diacutea en
funcioacuten de la inclinacioacuten del Sol respecto al horizonte
56
De la figura 28 se puede resaltar que el aumento de la temperatura en las ceacutelulas
genera una disminucioacuten de la tensioacuten del panel permaneciendo casi constante la
corriente Asiacute entonces la ventilacioacuten adecuada del panel fotovoltaico va a jugar un
papel importante respecto a la tensioacuten de salida del mismo
El efecto global del aumento de la temperatura de trabajo del panel es que la
potencia del panel disminuya lo que generariacutea la necesidad de instalar maacutes
paneles para una aplicacioacuten y una temperatura baja podriacutea aumentar
draacutesticamente la tensioacuten poniendo en riesgo los elementos que completan el
sistema fotovoltaico [10 15 21 35]
212 Bateriacuteas
Se intenta que un sistema fotovoltaico aislado cubra todas las necesidades de
consumo sin importar la hora del diacutea o las inclemencias del clima Las bateriacuteas
almacenan la energiacutea eleacutectrica de la corriente directa en forma quiacutemica para su
uso posterior Como la cantidad de energiacutea que brinda un arreglo fotovoltaico variacutea
de acuerdo a la alteracioacuten de las condiciones climaacuteticas un sistema de
almacenaje puede brindar una fuente de energiacutea relativamente constante cuando
el sistema fotovoltaico produce una energiacutea pequentildea siempre y cuando este
mismo sistema haya producido la energiacutea necesaria para cargar el sistema de
almacenaje
Los elementos que componen un sistema fotovoltaico no son 100 eficientes y las
bateriacuteas no son la excepcioacuten en las bateriacuteas cierta cantidad de energiacutea se pierde
como el calor y las reacciones quiacutemicas durante la carga y la descarga por ende
el sistema fotovoltaico ademaacutes de prever la carga de estaacute sistema tambieacuten debe
tener en cuenta este hecho
Aunque se generaliza que un sistema fotovoltaico aislado posea un sistema de
almacenamiento para ciertas aplicaciones no son necesarias es el caso de
sistemas de bombeo de agua durante el diacutea a tanques de almacenamiento
motores de ventilacioacuten de invernaderos que solo funcionen en el diacutea ventiladores
para usos en donde solo el Sol brilla entre otros
Los sistemas interconectados a la red no necesariamente necesitan bateriacuteas
aunque ellas pueden ser usadas como fuente de respaldo cuando la energiacutea
convencional falle involucrarlas significa un inversor maacutes sofisticado mayores
costos y un sistema menos eficiente
Existen muchos tamantildeos de bateriacuteas Las maacutes pequentildeas comuacutenmente utilizadas
en linternas y radios estaacuten catalogadas como bateriacuteas ldquodesechablesrdquo o ldquoprimariasrdquo
las bateriacuteas para estos mismos usos pero recargables se las denomina
57
ldquosecundariasrdquo Las bateriacuteas recargables de niacutequel cadmio (nicad o NICd) se usan
comuacutenmente para grandes cargas estacionarias tales como aplicaciones
industriales cargas diarias en el sector rural y residencial y pequentildeos aparatos
portaacutetiles
Los fabricantes de bateriacuteas garantizan el funcionamiento de las bateriacuteas en
funcioacuten de ciclos estos ciclos son la secuencia de cargar y descargar una bateriacutea
esta accioacuten puede ocurrir varias veces al diacutea dependiendo de la aplicacioacuten asiacute
entonces si se desea preservar la vida del banco de bateriacuteas es necesario
dimensionar de manera adecuada el nuacutemero de bateriacuteas con el fin de no
descargar tan frecuentemente el sistema [10 15 21]
2121 Tipos de bateriacuteas
Los siguientes tipos de bateriacuteas se usan comuacutenmente para aplicaciones
fotovoltaicas
Bateriacuteas de plomo-aacutecido
- De liacutequido ventilada (vaso abierto)
- Selladas (plomo aacutecido de vaacutelvula regulada)
Bateriacuteas alcalinas
- Niacutequel cadmio
- Niacutequel hierro
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecido
En algunos paiacuteses es muy comuacuten usar este tipo de bateriacuteas para aplicaciones
fotovoltaicas a escala residencial debido a que son recargables ampliamente
accesibles relativamente baratas y disponibles en distintos tamantildeos de
almacenamiento nominal son de faacutecil mantenimiento y vida relativamente alta son
bateriacuteas muy similares a las usadas por los automoacuteviles convencionales sin
embargo las diferencia su construccioacuten y su aplicacioacuten las bateriacuteas para
automoacuteviles no son recomendadas para usos fotovoltaicos debido a que ellas no
estaacuten disentildeadas para ldquociclos profundosrdquo estas estaacuten disentildeadas para descargar
grandes cantidades de corriente durante cortos intervalos de tiempo para despueacutes
ser inmediatamente cargada por el alternador o generador del vehiacuteculo
Los sistemas fotovoltaicos a menudo necesitan descargar pocas cantidades de
corriente durante largos periodos de tiempo y ser cargadas en condiciones
irregulares Una bateriacutea para ldquociclo profundordquo puede ser descargada hasta el 80
de su capacidad nominal Una bateriacutea de vehiacuteculo solo puede durar unos pocos
58
ciclos bajo tales condiciones mientras que un banco de bateriacuteas para uso
fotovoltaico puede durar de 3 a 10 antildeos e incluso maacutes
Este tipo de bateriacuteas se pueden subdividir en bateriacuteas de plomo-aacutecido de
electrolito liacutequido conocidas como ldquovaso abiertordquo y de plomo-aacutecido selladas
conocidas como ldquoVRLArdquo [10 15]
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abierto
Estas bateriacuteas tienen una construccioacuten muy similar a la que se utiliza en los
automoacuteviles con placas positivas y negativas hechas de plomo y aleaciones de
plomo sumergidas en una solucioacuten electroliacutetica de aacutecido sulfuacuterico y agua A
medida que esta se descarga a niveles muy altos esta produce hidroacutegeno gaseoso
y es expulsado de la bateriacutea este desecho es altamente explosivo esta situacioacuten
obliga a que el ambiente en donde se instalen estas bateriacuteas sea lo maacutes aislado
posible evitando chispas de calentadores de gas arranques de motores etc Asiacute
entonces el uso de estas bateriacuteas obliga al uso de alguacuten sistema de control de
tensioacuten eleacutectrica para regular el voltaje de la bateriacutea y evitar descargas peligrosas
Cuando las aberturas de salida de bateriacutea eliminan gases se pierde agua por lo
que debe rellenarse perioacutedicamente Algunas bateriacuteas estaacuten equipadas con tapas
recombinatorias que capturan los gases y los devuelven a la bateriacutea en forma de
agua Las bateriacuteas de ciclo profundo duraraacuten maacutes si se protege de descargas
completas Los controladores con desconexioacuten de bajo voltaje (LVD por sus siglas
en ingleacutes) protegen a la bateriacutea de descargas completas Estas bateriacuteas al igual
que las de los automoacuteviles tienen mayor eficiencia a temperaturas altas sin
embargo en estas condiciones las bateriacuteas duraraacuten menos ciclos [10 15]
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto tomada de AMB Green Power BATERIAS
SOLARES TROJAN Disponibles en httpwwwambgreenpowercombaterias_solares_trojanaspx
59
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA
Al contrario de las bateriacuteas con vasos abiertos las bateriacuteas reguladas por vaacutelvulas
VRLA no tienen tapa y por tanto no tienen acceso al electrolito sin embargo no
estaacuten totalmente selladas una vaacutelvula permite que el exceso de presioacuten escape
en caso de sobrecarga Este tipo de bateriacuteas son libres de mantenimiento
Los dos tipos de bateriacuteas selladas usadas comuacutenmente en los sistemas
fotovoltaicos son la celda de gel y de lana de vidrio absorbente (AGM por sus
siglas en ingles) En las bateriacuteas tradicionales de celda de gel el electrolito se
lleva a estado coloidal o se gelifica por la adicioacuten de un material llamado siacutelica gel
que convierte el liacutequido en una masa coloidal Las bateriacuteas AGM usan una tela de
vidrio de un material siacutelice fibrosa para mantener el electrolito Esta tela o malla
suministra depoacutesitos o bolsillos que ayudan en la recombinacioacuten de gases
generados durante la carga y limita la cantidad de hidroacutegeno gaseoso producido
Este tipo de bateriacuteas son a prueba de derrame El electrolito gelificado no puede
derramarse ni aun en caso de rotura Esto les permite ser transportadas y
manipuladas con seguridad otra gran ventaja de estas bateriacuteas respecto a las
bateriacuteas de plomo acido de vaso abierto es que eacutestas se pueden enviar por avioacuten
sin necesidad de ser transportadas secas como es el caso de las bateriacuteas de vaso
abierto que es necesario que sean activadas en el sitio con la adicioacuten del
electrolito sin embargo las bateriacuteas de celdas de gel cuestan maacutes por unidad de
capacidad [10 15]
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA tomada de MTEK Bateriacutea GEL
100Ah Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID44CatID11Defaultaspx
60
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM tomada de MTEK Bateriacutea AGM 12volts 150Ah
Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID53CatID10Defaultaspx
21212 Bateriacuteas alcalinas
Las bateriacuteas alcalinas como las bateriacuteas de niacutequel cadmio y niacutequel hierro tambieacuten
tienen placas negativas y positivas sumergidas en un electrolito que usualmente
es de hidroacutexido de potasio Cada celda de la bateriacutea tiene una tensioacuten nominal de
12 volts y el punto de terminacioacuten de carga es entre 165v y 18v por celda
Tienen una gran ventaja respecto a las bateriacuteas de plomo aacutecido y es su
independencia respecto a la temperatura lo que las hace ideales para trabajar a
temperaturas extremadamente friacuteas como -45ordmc o menos sin embargo son mucho
maacutes costosas (de 6 a 8 veces) que las de plomo aacutecido lo que las vuelve poco
viables para esta aplicacioacuten
A pesar que son bateriacuteas maacutes costosas que las bateriacuteas de plomo-aacutecido estas
pueden tener un costo operacional maacutes bajo debido a su larga vida uacutetil y al poco
mantenimiento que necesitan Sus caracteriacutesticas maacutes sobresalientes son su
capacidad para soportar sin dantildeo cargas y descargas excesivas asiacute como una
mayor profundidad de descarga (cerca del 100) tienen una mayor eficiencia con
baja temperatura ambiente y altas humedades y evitan problemas de sulfatacioacuten
de las placas o congelacioacuten del electrolito [10 15]
2122 Especificaciones de las bateriacuteas
Las bateriacuteas poseen especificaciones de placa que deben ser tenidas en cuenta
para el uso en aplicaciones fotovoltaicas Las maacutes importantes se explican a
continuacioacuten
21221 Capacidad de la bateriacutea
La capacidad de la bateriacutea es sin duda un aspecto importante de las bateriacuteas esta
se valora en los amperios hora que puedan almacenar Una manera anaacuteloga muy
faacutecil de explicar este paraacutemetro es comparaacutendolo con un balde con agua en
61
donde el agua es anaacuteloga a la energiacutea y la capacidad en Ah se representa con la
capacidad de almacenamiento de agua del balde
En teoriacutea los amperios hora son la capacidad para que una bateriacutea entregue (o
almacene) cierta cantidad de amperios en un tiempo especiacutefico Asiacute entonces una
bateriacutea de 100Ah puede suministrar 100 amperios en 1 hora o 50 amperios en 2
horas etc Antes de que la bateriacutea se considere descargada sin embargo muchos
factores pueden afectar la capacidad de la bateriacutea como el ritmo de descarga la
temperatura la eficiencia del inversor la eficiencia del regulador el tiempo de uso
de la bateriacutea entre otros
Es comuacuten que para un sistema fotovoltaico las cargas necesiten maacutes de una
bateriacutea para su funcionamiento a este conjunto de bateriacuteas se le conoce como
ldquobanco de bateriacuteasrdquo y la capacidad de este se deberaacute calcular en funcioacuten de las
cargas a alimentar y de los diacuteas de autonomiacuteas o diacuteas de respaldo en caso de
radiacioacuten miacutenima
Sobredimensionar el banco de bateriacuteas por conexioacuten de nuevas bateriacuteas para
aumentar la capacidad de almacenamiento del banco puede generar varios
problemas entre ellos el que las viejas bateriacuteas degraden el comportamiento de
las nuevas bateriacuteas a causa de que la resistencia interna de las celdas de las
bateriacuteas nuevas es mayor que el de las bateriacuteas viejas ademaacutes al conectar
muchas bateriacuteas aumenta la probabilidad de fallas debido a celdas defectuosas y
al sobredimensionar el arreglo de bateriacuteas respecto al arreglo fotovoltaico se
genera un estado de carga parcial entre las bateriacuteas que causa acortamiento de
vida uacutetil del banco reduccioacuten de la capacidad y aumento en la sulfatacioacuten Es por
estas razones que los fabricantes de bateriacuteas prohiacuteben antildeadir nuevas bateriacuteas a
un banco ya existente [15]
21222 Ritmo y profundidad de descarga
El ritmo a la que se descarga la bateriacutea afecta directamente su capacidad Si la
bateriacutea se descarga raacutepidamente hay menos capacidad disponible y si por el
contrario una bateriacutea se descarga lentamente tendraacute maacutes capacidad para
entregar Asiacute por ejemplo una bateriacutea de 2 voltios con una capacidad de 2500Ah
puede entregar 131A en 20 horas lo que seriacutea equivalente a 2620Ah y 446A en 5
horas lo equivalente a 2230Ah (Ver anexo 2 Especificaciones de fabricante
MTEK para bateriacutea modelo MT225000D Constant Current Discharge
Characteristics) Asiacute entonces se especifican bateriacuteas con la capacidad de la
bateriacutea respecto al nuacutemero de horas en que se descarga De esta forma si una
bateriacutea entrega una capacidad de almacenamiento debe especificar tambieacuten el
nuacutemero de horas en que se descarga Es comuacuten que los fabricantes valoren este
62
dato en 20 horas y lo especifiquen con un C20 sin embargo hay fabricantes que
especifican este dato en un C10
Teniendo en cuenta lo anterior existe un tiempo involucrado en la carga de las
bateriacuteas que debe ser tenido en cuenta por el arreglo fotovoltaico y es que si se
necesita con urgencia cargar el banco de bateriacuteas se necesitaran maacutes paneles
que puedan generar dicha energiacutea o si por el contrario existe una mayor tolerancia
en el tiempo de carga de la bateriacutea el arreglo no necesita mucha energiacutea extra a la
de las cargas para cargar el banco de bateriacuteas Esta variable se llama Tiempo de
recuperacioacuten del sistema y se trataraacute en la seccioacuten de ldquoparaacutemetros necesarios
para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomordquo
La profundidad de descarga (PDD por sus siglas en ingleacutes) se refiere a la
capacidad que puede obtenerse de una bateriacutea La mayoriacutea de los sistemas
fotovoltaicos estaacuten disentildeados para descargas regulares del 40 y 80 La vida
de la bateriacutea estaacute relacionada directamente con la profundidad del ciclo de la
bateriacutea Por ejemplo si una bateriacutea se descarga 50 cada diacutea esta duraraacute
alrededor del doble que si se descargara el 80 Las bateriacuteas de plomo aacutecido
nunca deben descargarse completamente aunque algunas bateriacuteas de ciclo
profundo pueden sobrevivir bajo estas condiciones su tensioacuten decreceraacute
continuamente Sin embargo las bateriacuteas de NiCd pueden descargarse totalmente
sin sufrir dantildeos y manteniendo su tensioacuten
Los bancos de bateriacuteas de poca profundidad que descargan bateriacuteas solo entre el
10 y el 20 tienen dos ventajas diferentes Primero es que se preserva la
duracioacuten de la bateriacutea como se muestra en la figura siguiente en donde a menor
profundidad de descarga mayor nuacutemero de ciclos la bateriacutea puede resistir y
segundo es que el sistema puede llegar a ser maacutes confiable debido a que se crea
una reserva de energiacutea que se puede usar en situaciones de clima criacuteticas Sin
embargo crear un banco con estas especificaciones puede ser demasiado
costoso debido a que involucrariacutea mayor nuacutemero de bateriacuteas asiacute entonces se
debe buscar una buena relacioacuten de costo- confiabilidad Es usual encontrar un alto
nuacutemero de ciclos y un banco relativamente econoacutemico trabajando a un 50 de
PDD
A continuacioacuten se muestra la relacioacuten PDD vs ciclos para una bateriacutea promedio
63
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea
Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
Los fabricantes de bateriacuteas especifican que la esperanza de vida de una bateriacutea
se mide en nuacutemero de ciclos Las bateriacuteas pierden capacidad con el tiempo y se
considera que han llegado al final de su vida uacutetil cuando han perdido el 20 de su
capacidad nominal
La anterior imagen muestra la relacioacuten existente entre el porcentaje de descarga
promedio y el nuacutemero de ciclos para una bateriacutea sellada de bajo costo Asiacute
entonces una bateriacutea de estas caracteriacutesticas con un uso de poca profundidad de
solo el 25 de PDD podriacutea durar cerca de unos 4000 ciclos mientras que una
bateriacutea con un uso de 80 de PDD solo podraacute durar unos 1500 ciclos
Los Ah de una bateriacutea se miden de acuerdo a la tensioacuten que esta tiene en sus
bornes es decir que si esta descargada mediraacute una tensioacuten por debajo de su
tensioacuten nominal y cuando es cargada por completo tendraacute una tensioacuten superior
Esta es la manera de medir el estado de carga de las bateriacuteas por parte de los
instrumentos de control de un sistema fotovoltaico de esta forma se logra
controlar el PDD para evitar descargas profundas y disminuir la esperanza de vida
de la bateriacutea [10 15]
21223 Condiciones ambientales
Las bateriacuteas son sensibles a la temperatura del entorno que las rodea y por tanto
es necesario tener en cuenta este factor La temperatura afecta la capacidad de
Ah que esta puede dar en general los fabricantes entregan la capacidad de la
bateriacutea a 25degc sin embargo la capacidad de esta decreceraacute a menores
temperaturas y aumentaraacute a mayores temperaturas Lo anterior respecto a la
capacidad de la bateriacutea lo contrario ocurre para la esperanza de vida o el nuacutemero
de ciclos que esta puede soportar en donde a temperaturas por encima de 25degc la
64
esperanza de vida disminuye y por debajo de los 25degc la esperanza de vida
aumenta La mayoriacutea de los fabricantes aseguran que hay una peacuterdida de vida del
50 por cada 15degF (83degc) que se incrementen por encima de los 77degF (25degc) de
temperatura estaacutendar de la bateriacutea
De esta forma se intenta que el banco de bateriacuteas sea ubicado en un lugar
ventilado y aislado por el peligro de explosioacuten que existe cuando las reacciones
quiacutemicas desechan hidroacutegeno pues este es explosivo y nocivo para la salud [10]
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacutea
Para medir un estado de carga de una bateriacutea es usual utilizar un voltiacutemetro
aunque tambieacuten se puede medir con un densiacutemetro midiendo la densidad del
electrolito este meacutetodo no es tan comuacuten por el costo del aparato de medicioacuten y
porque seriacutea imposible medir de esta forma la carga de una bateriacutea sellada tipo
GMA o tipo GEL asiacute entonces se adopta con mucha maacutes frecuencia medir la
tensioacuten en los bornes de las bateriacuteas en reposo es decir desconectarlas de las
fuentes y de las cargas por unas horas La tensioacuten obtenida por este meacutetodo
puede ser consultada con tablas anexas a los manuales de las bateriacuteas
suministradas por el fabricante aunque es comuacuten adoptar los siguientes valores
[10 36]
ESTADO DE CARGA TENSIOacuteN BATERIacuteAS TIPO VASO ABIERTO
100 128
75 125
50 122
25 119
0 116 Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea
213 Regulador de carga
La energiacutea solar tiene una naturaleza muy variable lo que causariacutea problemas a la
hora de disponer de ella directamente mediante un arreglo fotovoltaico para
suministrar energiacutea a equipos sensibles de tensioacuten y corriente es por esto que se
han desarrollado dispositivos que controlan en cierta forma la conversioacuten de
energiacutea solar a eleacutectrica Bajo esta premisa se han desarrollado los reguladores de
carga o controladores solares que para un sistema aislado intentan acoplar el
arreglo fotovoltaico con el banco de bateriacuteas adecuando de cierta forma la tensioacuten
y la corriente al banco de bateriacuteas para el correcto funcionamiento de este
evitando primordialmente sobrecargas y descargas profundas que pueden acortar
la esperanza de vida de las bateriacuteas La mayoriacutea de reguladores disponibles en el
65
mercado se instalan entre el arreglo fotovoltaico y las bateriacuteas tomando de estas
la energiacutea para su funcionamiento
Los reguladores de carga actuales poseen varios microcontroladores programados
para analizar el estado de carga de las bateriacuteas tensioacuten y corriente del arreglo con
el fin de tomar decisiones adecuadas para cargar las bateriacuteas de forma adecuada
algunos de estos poseen un bus de datos para proporcionar dicha informacioacuten al
usuario dando a conocer posibles problemas en el sistema
Asiacute entonces las prestaciones maacutes habituales de los reguladores de carga que se
usan en instalaciones solares autoacutenomas son las siguientes
Proteccioacuten contra sobrecarga del banco de bateriacuteas es la funcioacuten maacutes baacutesica del
regulador con la cual evita que la bateriacutea se caliente pierda agua el electrolito
(para bateriacuteas plomo-acido vaso abierto) y que las placas se oxiden
Alarma por tensioacuten de bateriacutea baja cuando la tensioacuten del banco de bateriacuteas
alcanza niveles bajos (especificados por el fabricante) significa que esta
descargado y corre peligro en caer en una descarga profunda Esta alarma
informa a los usuarios de este problema con el fin de que estos regulen su
consumo de energiacutea sin embargo esta no siempre es la solucioacuten lo que obliga al
regulador a desconectar las cargas mediante relees electromecaacutenicos
incorporados en el dispositivo con el fin de concentrar toda la energiacutea en el banco
de bateriacuteas y restablecer el suministro una vez superado el inconveniente [10]
Existen dos tipos de reguladores de carga para uso fotovoltaico reguladores con
modulacioacuten de ancho de pulso conocidos como reguladores PWM (Pulse Width
Modulation) y reguladores con seguimiento del maacuteximo punto de potencia
conocidos como reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking)
2131 Reguladores PWM
Los reguladores de carga solares PWM facilitan una conexioacuten directa desde el
panel solar hacia el banco de bateriacuteas proporcionando la tensioacuten necesaria para
que este se cargue siempre y cuando el arreglo fotovoltaico lo facilite Asiacute
entonces un regulador PWM ajusta niveles de tensioacuten de acuerdo a la tensioacuten
necesitada por el banco de bateriacuteas y este va a disminuyendo su tensioacuten de
acuerdo a la energiacutea que vaya almacenando esta condicioacuten genera que el arreglo
fotovoltaico no aproveche toda la potencia que puede generar y ser aprovechada
por las cargas es decir que este tipo de reguladores no garantiza operar en el
punto donde el arreglo fotovoltaico proporciona mayor cantidad de potencia este
punto se lo conoce con las siglas MPP (Maximun Power Point)
66
Un ejemplo tiacutepico es un sistema a 12V en donde se tiene una sola bateriacutea de
plomo aacutecido AGM que opera en un rango aproximado entre 10V y 15V
dependiendo del estado de carga un moacutedulo tiacutepico para cargar esta bateriacutea tiene
una tensioacuten Vmp = 17V asiacute entonces el regulador PWM se ve obligado a reducir
esta tensioacuten a un valor entre 10V y 15V para cargar la bateriacutea haciendo que el
panel no pueda aprovechar toda su capacidad
La siguiente imagen ilustra dicho comportamiento
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar tomada de MORNINGSTAR
Traditional PWM vs Morningstarrsquos TrakStartrade MPPT Technology Disponible en
httpwwwmorningstarcorpcomwp-contentuploads201404Morningstar-Corporation-Traditional-
PWM-vs-TrakStar-MPPT-Whitepaper-April-2013pdf
De esta forma se observa que con reguladores PWM entre mayor sea la diferencia
de la tensioacuten del arreglo fotovoltaico a la del banco de bateriacuteas menor seraacute el
aprovechamiento de energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico es decir que hay
energiacutea que se desperdicia bajo estas condiciones Esto puede ser aun peor
cuando la temperatura disminuye debido a que la tensioacuten aumenta y se
desperdicia auacuten maacutes energiacutea que con un regulador MPPT se podriacutea aprovechar
para cargar de una mejor manera las bateriacuteas y mejor suministro de energiacutea a las
cargas
Para el uso de un regulador PWM se recomienda tener en cuenta varios factores
por parte del arreglo fotovoltaico como verificar que la tensioacuten de circuito abierto a
bajas temperaturas (maacutexima tensioacuten de un arreglo fotovoltaico) del arreglo no
supere la tensioacuten maacutexima del regulador esto debido a que puede estropear su
funcionamiento y en peores casos dantildearlo de forma irreparable debido a que la
corriente generada por el arreglo fotovoltaico seraacute la misma a la salida del
67
regulador PWM es necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico (maacutexima corriente que un arreglo fotovoltaico puede generar) no
supere la corriente maacutexima que los fabricantes recomiendan esto puede generar
recalentamientos frecuente accioacuten de las protecciones y dantildeos en el dispositivo
de manera irreparable la tensioacuten de maacutexima potencia de un arreglo fotovoltaico
tambieacuten debe ser previamente verificada esta debe superar la tensioacuten maacutexima de
carga de las bateriacuteas de tal forma que el arreglo pueda proporcionar una carga
adecuada al banco sin embargo no debe sobrepasar demasiado dicha tensioacuten
debido a que se desperdiciariacutea mucha energiacutea y el sistema no seriacutea eficiente
Seguacuten esto algunos fabricantes recomiendan los siguientes casos
Sistemas de 12V Vmpgt 15V
Sistemas de 24V Vmpgt 30V
Sistemas de 36V Vmpgt 45V
Sistemas de 48V Vmpgt 60V
Con respecto a la magnitud de la tensioacuten Vmp el software PVSol recomienda que
la tensioacuten de la bateriacutea no debe ser menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo fotovoltaico (Vmp) [37 38]
2132 Reguladores MPPT
Los controladores MPPT poseen un algoritmo que busca la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo (Vmp) del arreglo fotovoltaico y asiacute lograr utilizar en casi su
totalidad la potencia que el arreglo fotovoltaico puede suministrar De esta manera
ya no es necesario buscar una configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que se acople
al banco de bateriacuteas ya que este regulador convertiraacute la diferencia de tensioacuten
entre el arreglo fotovoltaico y el banco de bateriacuteas en corriente asiacute entonces es
posible que la corriente que genere el arreglo fotovoltaico ya no sea la misma que
alimenta al banco de bateriacuteas y las cargas si no que sea mayor aprovechando la
potencia que el arreglo fotovoltaico puede generar por tanto la potencia de
entrada del regulador seraacute aproximadamente igual (debido a peacuterdidas normales de
cualquier dispositivo) a la salida de este
Los reguladores MPPT entonces pueden aprovechar la potencia extra (puede
llegar a ser mayor que en condiciones STC) del arreglo fotovoltaico cuando las
ceacutelulas alcancen temperaturas bajas (aumenta la tensioacuten y por tanto aumenta la
potencia)
Al igual que en los reguladores PWM los reguladores MPPT necesitan que el
arreglo fotovoltaico esteacute bien dimensionado para garantizar un ambiente adecuado
68
para el funcionamiento del regulador Como principal preocupacioacuten se debe tener
en cuenta la tensioacuten en circuito abierto del arreglo fotovoltaico a temperaturas
bajas debido a que eacutesta es la condicioacuten para la cual se logra la mayor tensioacuten que
el arreglo fotovoltaico puede alcanzar esta no debe ser mayor a la tensioacuten
maacutexima especificada por el fabricante del regulador No cumplir con la anterior
condicioacuten puede dantildear el regulador por efecto de una sobretensioacuten tambieacuten es
necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo fotovoltaico no sea
mayor a la que el fabricante entrega esta condicioacuten puede dantildear por efectos de
sobrecorriente el dispositivo Por uacuteltimo los fabricantes de reguladores MPPT
entregan un dato que especifica cuanta potencia el regulador puede transmitir al
banco de bateriacuteas y a las cargas se recomienda entonces que la potencia
fotovoltaica instalada del arreglo no sea mayor que la maacutexima potencia del
dispositivo No acatar dicho paraacutemetro no significa poner en riesgo el regulador
MPPT si no que eacuteste en esas condiciones no podraacute entregar toda la potencia
proporcionada por el arreglo fotovoltaico de esta forma el sistema perderaacute
eficiencia por tanto se evita esta situacioacuten en la etapa de disentildeo del arreglo
fotovoltaico
En la seccioacuten 2112 (Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar) se explica el
comportamiento que tiene la temperatura respecto la tensioacuten de un panel solar la
manera de relacionar estos dos paraacutemetros estaacute dada por el coeficiente de
temperatura especificado por el fabricante del moacutedulo (coefficient Temperature
Voc y comuacutenmente se expresa en K) este paraacutemetro entrega la informacioacuten
necesaria de coacutemo seraacute la tensioacuten del moacutedulo fotovoltaico bajo influencia de la
temperatura A continuacioacuten se explica coacutemo se debe calcular la maacutexima tensioacuten
de un arreglo fotovoltaico y un rango de tensioacuten de operacioacuten (Vmp) que es muy
uacutetil cuando se desea utilizar un regulador MPPT
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119900119888) 119875119904119890119903119894119890 120784 120783
119881119898iacute119899119898119901 = ((119879119898aacute119909 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120784
119881119898aacute119909119898119901 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120785
En donde
69
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119898iacute119899119898119901 tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura alta promedio
119881119898aacute119909119898119901 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura baja promedio
119879119898iacute119899 temperatura promedio miacutenima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119879119898aacute119909 temperatura promedio maacutexima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119862119900119890119891119905119890119898119901 coeficiente de temperatura en K especificado por el fabricante
119881119900119888 tensioacuten de circuito abierto especificada por el fabricante del moacutedulo
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia especificado por el fabricante
119875119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie
Los reguladores MPPT tienen un rango de seguimiento de tensioacuten donde el
regulador buscaraacute la tensioacuten de maacutexima potencia es decir que si el arreglo tiene
una tensioacuten que se encuentra dentro de este rango el regulador garantizara la
maacutexima potencia del arreglo es por esta razoacuten que es necesario conocer un
rango de tensioacuten de operacioacuten del arreglo en funcioacuten de la temperatura promedio
miacutenima y maacutexima de la zona donde se quiere instalar esto con el fin de buscar en
el mercado un regulador con rango de seguimiento que abarque el rango de
tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo (limitados por 119881119898119894119899119898119901 y 119881119898119886119909119898119901)
Aunque todo apunta a que son mayores las ventajas que entrega el regulador
MPPT respecto al regulador PWM no siempre es asiacute la principal desventaja que
tiene un regulador MPPT respecto a un regulador PWM es su costo y es que
resulta en promedio de tres a cuatro veces maacutes econoacutemico un regulador PWM
adicional a esto en ciertas aplicaciones las ventajas estudiadas anteriormente
pueden ser anuladas por el regulador PWM asiacute entonces en ocasiones resulta
maacutes conveniente un regulador PWM A continuacioacuten se nombran algunos casos
Aplicaciones de baja potencia (consumo de corriente baja) la mayoriacutea de
reguladores MPPT poseen una baja eficiencia a comparacioacuten de los reguladores
PWM cuando la carga es baja Esto podriacutea empeorar cuando este tipo de cargas
70
es de uso continuo Muchos fabricantes especifican las curvas de eficiencia de sus
dispositivos para informar al disentildeador acerca de la eficiencia
A continuacioacuten se muestra una curva caracteriacutestica de eficiencia de un regulador
MPPT
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT tomada de MORNINGSTAR Solar
Controller with Maximum Power Point Tracking Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Altas temperaturas Como se explicoacute anteriormente se observa un mejor
comportamiento de reguladores MPPT en temperaturas bajas debido al aumento
de la tensioacuten de maacutexima potencia (Vmp) Por el contrario cuando hay temperatura
media suficientemente alta la tensioacuten Vmp decrece ajustando sin necesidad de
seguimiento de punto de maacutexima potencia el arreglo fotovoltaico al banco de
bateriacuteas (disminuye la diferencia entre el Vmp del arreglo fv y del banco de
bateriacuteas) No seriacutea necesario utilizar un regulador MPPT en estas aplicaciones
Sistemas fotovoltaicos para consumo en el diacutea para cargas de uso en horas del
diacutea es comuacuten que la energiacutea del arreglo fotovoltaico se use directamente sin
necesidad de almacenarlas en bateriacuteas Esta situacioacuten hace que la energiacutea de las
bateriacuteas no sea comuacutenmente usada y por tanto que el banco de bateriacuteas no sea
muy frecuentemente cargado haciendo que la ventaja de recoleccioacuten de energiacutea
proporcionada por un regulador MPPT no sea necesaria [37]
214 Inversores autoacutenomos
Los inversores autoacutenomos se encargan de convertir la corriente continua del
arreglo fotovoltaico en corriente alterna que es maacutes faacutecil de transportar y se ha
convertido en el estaacutendar para los fabricantes de aparatos electroacutenicos comunes
71
Es por esto que los inversores juegan un gran papel en instalaciones fotovoltaicas
debido a que son el acople directo entre el sistema fotovoltaico y las cargas
adicional a esto las bateriacuteas solo pueden almacenar energiacutea en forma de corriente
directa lo que evidencia auacuten maacutes su importancia
Durante antildeos los constructores han usado diferentes tecnologiacuteas para convertir la
corriente continua de una fuente de baja tensioacuten en corriente alterna de mayor
tensioacuten Los primeros inversores usaban un transistor baacutesico para cambiar la
polaridad de la corriente continua de positivo a negativo cerca de 60 veces por
segundo creando una forma de onda cuadrada con gran cantidad de armoacutenicos
Fue entonces con la llegada de circuitos integrados maacutes sofisticados como
transistores de efecto de campo y transformadores de alta frecuencia que fue
posible la creacioacuten de inversores maacutes eficientes y ligeros que producen una forma
de ondas cercanas a una onda sinusoidal En lugar de convertir corriente directa
en alterna de 120VCA o 240VCA se usa un proceso multipasos digital en donde
se convierte la corriente continua en alterna de tensioacuten baja y alta frecuencia para
despueacutes elevar la tensioacuten con un transformador de alta frecuencia rectificarla en
una nueva etapa y convertirla nuevamente a tensioacuten y frecuencia requeridas [10]
2141 Clasificacioacuten de inversores
Existen tres tipos fundamentales de inversores autoacutenomos que se clasifican
baacutesicamente por su forma de onda Se explican a continuacioacuten
21411 Inversores de onda cuadrada
Estos inversores cambian la entrada de corriente directa en una salida de corriente
en funcioacuten de paso o ldquocuadradardquo alterna Estos brindan poco control de tensioacuten de
salida capacidad de sobretensioacuten limitada y una distorsioacuten armoacutenica considerable
Por tanto los inversores de forma de onda cuadrada son apropiados para
pequentildeas cargas de calentamiento por medio de resistencias algunos aparatos
eleacutectricos de bajo consumo y focos incandescentes Son inversores econoacutemicos y
tienen poco uso en el campo residencial
21412 Inversores de onda cuadrada modificada
Este tipo de inversores utiliza transistores de efecto de campo (FET) o
rectificadores de control de silicio (SCR) para cambiar la entrada de corriente
directa en salida de corriente alterna Este tipo de inversores pueden manejar
grandes sobretensiones y producir salidas con mucha menos distorsioacuten armoacutenica
debido a esto es adecuado para un mayor nuacutemero de cargas como algunos
motores televisores luces equipos de muacutesica etc
72
21413 Inversores de onda sinusoidal
Los inversores de onda sinusoidal se usan para operar aparatos electroacutenicos
sensibles que requieren una forma de onda de alta calidad Ellos son los
inversores maacutes comunes en las aplicaciones residenciales y tienen muchas
ventajas sobre los inversores de onda cuadrada modificada como tener una salida
con muy poca distorsioacuten armoacutenica que permite energizar los maacutes sensibles
aparatos electroacutenicos poseen una mayor capacidad de sobretensioacuten y son
capaces de arrancar muchos tipos de motores faacutecilmente [10 15]
La imagen siguiente muestra la forma de onda de los tres tipos de inversores
autoacutenomos caracteriacutesticos
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2142 Caracteriacutesticas de los inversores
Eficiencia la mayoriacutea de los inversores modernos convierten maacutes del 90 de la
corriente directa en la entrada en corriente alterna de salida Muchos fabricantes
de inversores aseguran una alta eficiencia sin embargo los inversores solo son
altamente eficientes cuando se utilizan en ciertos puntos de operacioacuten por tanto
es necesario saber cuaacutenta carga maacutexima alcanzaraacuten las cargas para escoger un
inversor adecuado La siguiente imagen muestra una curva tiacutepica de un arreglo
fotovoltaico
73
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor tomada de MORNINGSTAR Pure sine wave
inverter Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Peacuterdidas en espera o standby se refiere al consumo de energiacutea que un inversor
posee cuando no hay cargas en operacioacuten los inversores modernos poseen unas
muy bajas peacuterdidas por standby
Regulacioacuten de frecuencia la regulacioacuten de frecuencia de un inversor debe ser
capaz de manejar cualquier condicioacuten de entrada debido a que existen cargas
que son muy sensibles a esto Esta caracteriacutestica depende netamente de la
construccioacuten y la calidad del inversor
Potencia de salida de AC (Watt) los fabricantes de inversores disentildean el
dispositivo para cierta magnitud maacutexima de carga asiacute entonces es importante que
un inversor sea capaz de soportar la potencia pico de la demanda de lo contrario
el inversor puede sufrir recalentamiento y se veraacute obligado a accionar muy
frecuentemente las protecciones internas (si el fabricante las garantiza)
Tensioacuten de entrada DC la entrada de un inversor estaacute suministrada por el arreglo
fotovoltaico y por las bateriacuteas depende de la configuracioacuten del sistema cual es
dicha tensioacuten Es comuacuten que los sistemas fotovoltaicos sean de 12V 24V 36V o
48V y es obligatorio que la entrada a del inversor sea igual a la del sistema
Tensioacuten de salida AC es necesario hacer un estudio previo del tipo de cargas que
se piensan interconectar y saber que tensioacuten nominal manejan de acuerdo a esto
se escoge un inversor con tensioacuten de salida en AC que satisfaga dichas cargas
De lo contrario el suministro de energiacutea no se lograraacute de manera adecuada y el
inversor podriacutea sufrir dantildeos
74
Capacidad de sobretensioacuten la mayoriacutea de inversores son capaces de exceder
mayores cantidades de potencia por corto tiempo Esto puede ser un factor
importante para el arranque de motores que suelen consumir cerca de siete veces
su potencia nominal en el arranque [10 15]
22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
En la seccioacuten 15 se explica [28] y se evidencia que en Colombia existe una gran
necesidad de dimensionar de una manera adecuada los sistemas fotovoltaicos
debido a que cerca del 44 de los sistemas existentes tiene problemas para
funcionar o no funcionan A continuacioacuten se explica los paraacutemetros que se
necesitan conocer para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico
221 Estimacioacuten del consumo y carga
Con frecuencia la carga es el paraacutemetro que maacutes influye en el tamantildeo y costo de
un sistema fotovoltaico por esta razoacuten es necesario hacer un estudio adecuado
para determinar valores adecuados de carga el eacutexito de un disentildeo fotovoltaico
dependeraacute de esta variable
Aunque en teoriacutea se puede alimentar cualquier tipo de carga se intenta no
alimentar muchas resistencias que generen calor sobre todo si eacutestas tienen
mucho tiempo de uso como es el caso de sistemas de calentamiento de agua
calefaccioacuten hornos eleacutectricos etc Lo anterior se intenta evitar debido a la gran
potencia que necesitan para funcionar y por tanto pueden demandar un gran
consumo de energiacutea que puede encarecer el sistema fotovoltaico Sin embargo si
se dispone de los recursos suficientes y no existen otras opciones se puede llevar
a cabo el disentildeo y dimensionamiento
Por otra parte tambieacuten es necesario revisar las caracteriacutesticas eleacutectricas de cada
carga como es el caso de frecuencia nominal tensioacuten nominal potencia nominal
corriente en standby y distorsioacuten armoacutenica Esto con el fin de encontrar un inversor
que sea capaz de alimentar las cargas sin sufrir dantildeo alguno Asiacute mismo es de
suma importancia determinar el tiempo promedio en el cual van a estar en uso las
cargas en el diacutea esto con el fin de estimar un consumo promedio diario este
aspecto junto con la potencia nominal de cada carga determinaraacute el consumo
promedio diario
Asiacute entonces con este estudio se pretende estimar tres vectores
[119873] nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea energizar [119882] potencia en Watt nominal que necesitan los aparatos eleacutectricos que se desean energizar
75
[ℎ] estimacioacuten de tiempo en horas al diacutea que los aparatos eleacutectricos permanecen encendidos Con lo anterior se define un vector de consumo por grupo de aparatos [119862] cuyos elementos estaacuten en Whdia
[119862] = [
1198621
1198622
⋮119862119899
] = [
1198731 lowast 1198821 lowast ℎ1
1198732 lowast 1198822 lowast ℎ2
⋮119873119899 lowast 119882119899 lowast ℎ119899
] 120784 120786
Una vez encontrado [119862] se puede definir el consumo promedio diario y la carga
maacutexima de la siguiente forma
119860119888119879 = sum 119862119896
119899
119896=1
120784 120787
119875119879119860119862 = sum 119873119896 lowast 119882119870 120784 120788
119899
119896=1
En donde
119860119888119879 consumo promedio diario en wh
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda en w Como criterio de disentildeo de este trabajo se asumiraacute que todas las cargas se encuentran encendidas a una hora del diacutea esto con el fin de que el regulador en ninguacuten caso corra peligro de estar subdimensionado [10] 222 Recurso solar Para el disentildeo de un sistema fotovoltaico es necesario tener la estimacioacuten de la radiacioacuten mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior sobre un plano inclinado y orientado en cierta direccioacuten (depende del sitio donde se quiera hacer la instalacioacuten) En la seccioacuten 143 (modelos para estimar la radiacioacuten solar) se explican varios de estos El recurso solar es un factor indispensable para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico aislado en Colombia esta informacioacuten se puede encontrar en estaciones meteoroloacutegicas de aeropuertos o universidades que estudian fenoacutemenos ambientales sin embargo es difiacutecil tener con exactitud la radiacioacuten en un lugar determinado por efecto de topografiacutea y distancia a las estaciones meteoroloacutegicas Existen sitios web y programas que tienen informacioacuten de varias estaciones lo que puede facilitar el meacutetodo de interpolacioacuten y entregar un estimado
76
cercano de recurso solar disponible en el sitio donde se desea instalar el sistema fotovoltaico La importancia de encontrar una buena herramienta que calcule la radiacioacuten es que de esta depende la energiacutea que puede producir un arreglo fotovoltaico al estimar mal la radiacioacuten se corre el riesgo de sobreestimar el arreglo produciendo sistemas maacutes costosos de lo necesario o subestimarlo creando deacuteficit de energiacutea e inconformidad con el usuario Es comuacuten que las herramientas encargadas de calcular el recurso solar entreguen la radiacioacuten adquirida en cada uno de los meses del antildeo sin embargo para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico se necesita la radiacioacuten promedio mensual de cada uno de los meses esta se puede calcular con el producto punto entre la radiacioacuten mensual y el inverso punto a punto de vector de diacuteas en cada mes como se indica a continuacioacuten
= lowast [1
] 120784 120789
En donde
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo (desde enero a diciembre)
(kWhm2d)
radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (kWhm2)
diacuteas de cada mes (desde enero a diciembre) (d)
[1
] representa el resultado de invertir cada componente del vector
Como criterio de disentildeo de este trabajo se recomienda trabajar con la menor radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo estudiado esto con el fin de adoptar el peor escenario ambiental en el cual el sistema fotovoltaico va a generar energiacutea De esta forma se tiene
Γ = miacuten([]) 120784 120790 Donde
Γ radiacioacuten promedio diaria mensual maacutes baja del antildeo (kWhm2d) Para disentildeo de sistemas fotovoltaicos se maneja el concepto de ldquohoras solar picordquo y corresponde al nuacutemero de horas en las que cada metro cuadrado de superficie
captadora obtiene de modo constante 1000 119882 Este paraacutemetro relaciona los datos de placa del panel con el recurso solar disponible en la zona Si se quiere evaluar la energiacutea que el panel fotovoltaico puede producir
diariamente habraacute que conocer cuantas horas diarias con radiacioacuten de 1000wm2 estaraacute expuesto en el diacutea La manera de encontrar las horas solar pico del mes de
77
maacutes baja radiacioacuten consta del cociente entre la radiacioacuten promedio diaria mensual
maacutes baja y 1kWm2 de la siguiente forma
Hspico =Γ
1kWm2 120784 120791
Donde
Hspico horas solar pico del mes de maacutes baja radiacioacuten a lo largo del antildeo en (hd) 223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaico
La autonomiacutea de un sistema fotovoltaico es un paraacutemetro que modelaraacute el banco
de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico se refiere al nuacutemero de diacuteas en que un
sistema de bateriacuteas suministraraacute una carga determinada sin ser recargado por el
arreglo fotovoltaico u otra fuente
Las condiciones generales del clima determinan el nuacutemero de diacuteas con radiacioacuten
nula lo cual es una variable significativa para brindar un tiempo de autonomiacutea Sin
embargo este paraacutemetro es muy difiacutecil de determinar con exactitud en lugares
donde no se lleva un estudio estadiacutestico de la radiacioacuten solar lo que en lugares
alejados de estaciones climatoloacutegicas hace de este un paraacutemetro deductivo
Algunos autores recomiendan estudiar de las cargas si en verdad es criacutetico que la
carga opere en todo momento si la carga podriacutea ser cambiada o reemplazada por
alternativas maacutes eficientes y si la carga es simplemente una conveniencia [10 21]
Seguacuten lo anterior se puede dar un rango de autonomiacutea seguacuten la importancia de la
carga
1 De 2 a 3 diacuteas usos esenciales o sistemas con generador de respaldo
2 De 5 a 7 diacuteas para cargas criacuteticas sin ninguna otra fuente de energiacutea
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistema
Como se explicoacute en la seccioacuten 21221 (Ritmo y profundidad de descarga) se
necesita determinar un paraacutemetro que modele el tiempo que se requiere para
cargar las bateriacuteas despueacutes que se encuentren descargadas es decir con queacute
frecuencia se encontraraacute una serie de diacuteas con nula radiacioacuten en donde se
necesite tener cargado el banco de bateriacuteas
Este paraacutemetro al igual que el tiempo de autonomiacutea se deberiacutea calcular mediante
estudios estadiacutesticos de radiacioacuten solar en la zona donde se desea instalar el
sistema fotovoltaico sin embargo en un entorno como el de Colombia en donde
78
los sistemas fotovoltaicos estaacuten en auge se dificulta encontrar este paraacutemetro con
precisioacuten
El tiempo de recuperacioacuten del sistema relaciona el arreglo fotovoltaico con el
banco de bateriacuteas ya que cuando el banco este descargado el arreglo
fotovoltaico no solamente debe entregar energiacutea a las cargas si no al banco de
bateriacuteas y la energiacutea que invierta este en cargar el banco dependeraacute de cuaacutento
tiempo lo cargue Asiacute entonces por ejemplo el estudio estadiacutestico arroja que en
promedio existe un evento al mes en donde existiraacute una serie de diacuteas con mala
radiacioacuten el arreglo fotovoltaico deberaacute entonces cargar el banco de bateriacuteas
como miacutenimo 15 diacuteas de esta forma el arreglo deberaacute producir aparte de la
energiacutea que consuman las cargas la energiacutea suficiente para cargar el arreglo en
15 diacuteas [38]
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Una vez conocidos los paraacutemetros de disentildeo de un sistema fotovoltaico ya se
puede modelar el sistema A continuacioacuten se presenta el dimensionamiento del
banco de bateriacuteas y del arreglo fotovoltaico
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteas
El tamantildeo del banco de bateriacuteas dependeraacute baacutesicamente de los diacuteas de
autonomiacutea y el consumo promedio diario De la siguiente forma
119862119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120783120782
Donde
119862119887119886119899119888119900 capacidad del banco de bateriacuteas (Wh)
119863119886119900119906119905 diacuteas de autonomiacutea (d)
120578119894119899119907 eficiencia del inversor
120578119887119886119905 eficiencia de la bateriacutea
La eficiencias en el denominador modelan las peacuterdidas del inversor estudiadas en
la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) y la eficiencia de la bateriacutea
modela las peacuterdidas de las reacciones quiacutemicas que se desarrollan en las bateriacuteas
cuando se produce un ciclo de carga y descarga estudiada en la seccioacuten 21222
79
(Ritmo y profundidad de descarga) la eficiencia de bateriacuteas es usualmente
aproximada al 80 y del inversor usualmente se aproxima al 90 sin embargo
como se vio en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y carga) en donde se
especifica que el criterio de disentildeo para escoger el inversor dependeraacute
baacutesicamente de 119875119879119860119862 (Potencia maacutexima de demanda en W) conocido este valor
se puede encontrar la eficiencia especifica seguacuten la curva del fabricante
Ya con la capacidad del banco encontrada hace falta saber cuaacutenta energiacutea es
capaz de suministrar una sola bateriacutea especiacutefica aunque en teoriacutea cualquier
bateriacutea solar serviraacute el nuacutemero de estas dependeraacute de la capacidad de
almacenamiento que a su vez define el precio de la bateriacutea por tanto se intenta
que la energiacutea que suministra el banco de bateriacuteas no tenga valores muy
superiores al 119862119887119886119899119888119900 La ecuacioacuten que modela la capacidad de energiacutea que puede
entregar cada bateriacutea es
119864119887119886119905 = 119862119887119886119905 119897119894119898 119881119887119886119905 120784 120783120783
Donde
119864119887119886119905 energiacutea que puede suministrar una bateriacutea (Wh)
119862119887119886119905 capacidad de la bateriacutea especificada con el fabricante (Ah)
119897119894119898 liacutemite de descarga maacuteximo del banco de bateriacuteas
119881119887119886119905 tensioacuten nominal de la bateriacutea especificada por el fabricante (V)
El nuacutemero de bateriacuteas se define de acuerdo al cociente entre la capacidad del
banco y la energiacutea que puede entregar cada bateriacutea Como se muestra a
continuacioacuten
119873119887119886119905 = 119862119887119886119899119888119900
119864119887119886119905 120784 120783120784
Donde
119873119887119886119905 nuacutemero de bateriacuteas necesarias para la aplicacioacuten
Reemplazando las expresiones 210 y 211 en la 212 se tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120785
80
Sin embargo es muy difiacutecil que 119873119887119886119905 tome valores enteros lo que obliga a trabajar
con el entero maacutes proacuteximo superior debido a que se intenta garantizar como
miacutenimo los diacuteas de autonomiacuteas requeridos y no exceder el liacutemite de descarga
maacuteximo es aquiacute donde la energiacutea que una bateriacutea puede entregar juega un papel
importante debido a que es el uacutenico paraacutemetro ajustable (basta con cambiar la
bateriacutea con mayor o menor capacidad de Ah) esto con el fin de que la parte
decimal se aproxime tanto como se pueda al entero superior
Otra manera sencilla de saber el nuacutemero de bateriacuteas que dimensionan el banco
fotovoltaico es partir de la definicioacuten de cadenas y paralelos A continuacioacuten se
define dicha expresioacuten
119873119887119886119905 = 119861119886119905119904ℎ119906119899119905 119861119886119905119904119905119903119894119899119892 120784 120783120786
Doacutende
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 nuacutemero de cadenas en paralelo
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de bateriacuteas en serie
Analizando cada teacutermino tenemos
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 = 119881119900
119881119887119886119905 120784 120783120787
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119900 120784 120783120788
En donde la expresioacuten nuacutemero 15 muestra la relacioacuten de la tensioacuten con respecto al
nuacutemero de bateriacuteas en serie y la ecuacioacuten 16 muestra el nuacutemero de cadenas
necesarias para abastecer la demanda junto con las eficiencias de los dispositivos
que componen el sistema
Al reemplazar las expresiones 215 y 216 en la 214 y cancelando teacuterminos se
tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120789
En donde se comprueba que la expresioacuten 217 es igual a la expresioacuten 213
81
Aunque este es el nuacutemero de bateriacuteas necesario para satisfacer las necesidades
de la demanda teniendo en cuenta el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y llevando las
bateriacuteas a liacutemites de descarga ajustados previamente no necesariamente es el
nuacutemero definitivo de bateriacuteas debido a que el banco de bateriacuteas define la tensioacuten
del sistema el problema ocurre cuando el nuacutemero de bateriacuteas en serie que a su
vez ajusta la tensioacuten del sistema (comuacutenmente 12v 24v 36v o 48v) no es
divisible exactamente por el nuacutemero de bateriacuteas haciendo obligatorio ajustar
nuevamente el nuacutemero de bateriacuteas Un ejemplo tiacutepico es presentado cuando el
estudio arroja 5 bateriacuteas necesarias de 12 v cada una para trabajar a 24v es
necesario conectar cadenas de dos bateriacuteas en serie sin embargo es imposible
conectar todas estas bateriacuteas para esta configuracioacuten debido a que 5 no es
divisible exactamente entre dos una opcioacuten podriacutea ser usar 4 bateriacuteas sin
embargo esto iriacutea en contra del disentildeo debido a que el banco es maacutes pequentildeo del
nuacutemero calculado esta circunstancia podriacutea violar el liacutemite de descarga y los diacuteas
de autonomiacutea planteados la manera de solucionar este problema es ajustar a 6 el
nuacutemero de bateriacuteas de esta forma no se violan los paraacutemetros del disentildeo y se
genera un sistema auacuten maacutes confiable [10 15 21]
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaico
Es muy comuacuten que se modele el banco de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico como
dos fuentes de energiacutea diferentes en donde el arreglo fotovoltaico se modela de
acuerdo al consumo y recurso solar y el banco de bateriacuteas uacutenicamente al consumo
y tiempo de autonomiacutea sin embargo esta suposicioacuten no es del todo cierta debido
a que se debe tener en cuenta la energiacutea que el arreglo fotovoltaico invierte al
cargar las bateriacuteas y entregar energiacutea a las cargas es por esta razoacuten que en este
proyecto se propone que el arreglo fotovoltaico siacute tenga relacioacuten con el banco de
bateriacuteas y a continuacioacuten se explicaraacute coacutemo hacerlo
Se desea entonces un arreglo fotovoltaico que cargue el banco de bateriacuteas
anteriormente modelado y entregue energiacutea durante el diacutea a las cargas que esteacuten
encendidas La siguiente expresioacuten modela dicha suposicioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119864119888119900119899119904119906119898119900 + 119864119887119886119899119888119900 120784 120783120790
De esta forma se asegura que el modelamiento sea adecuado
Expandiendo cada teacutermino se tiene que
119864119888119900119899119904119906119898119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 120784 120783120791
82
La eficiencia del inversor debe ser tomada en este estudio debido a que modela
las peacuterdidas de operacioacuten de eacuteste y que el arreglo fotovoltaico tambieacuten debe tener
en cuenta
Para modelar la energiacutea que consumen las bateriacuteas se tiene en cuenta la energiacutea
que consume el banco de bateriacuteas involucrando el tiempo de recuperacioacuten del
sistema este deberaacute ser inversamente proporcional a la potencia que suministra el
arreglo fotovoltaico debido a que si este paraacutemetro aumenta el arreglo fotovoltaico
tendraacute maacutes tiempo de recargar las bateriacuteas con lo que probablemente disminuya
su tamantildeo Asiacute entonces se presenta dicha expresioacuten
119864119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
120578119887119886119905 119879119903119890119888 120784 120784120782
Reemplazando la expresioacuten 17 en la 20 tenemos
119864119887119886119899119888119900 = 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
119879119903119890119888
119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120784120782119938
Cancelando teacuterminos 119897119894119898 119862119887119886119905 y 119881119887119886119905 se obtiene
119864119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120783
Asiacute entonces se observa que al aumentar el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea del
sistema aumenta la capacidad de almacenamiento haciendo que tambieacuten exista
un mayor consumo para cargar las bateriacuteas por parte del arreglo fotovoltaico y que
al disminuir el tiempo de recuperacioacuten del sistema se necesitaraacute maacutes potencia
para cargar las bateriacuteas por tanto aumentaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico
De esta forma se pueden reemplazar las expresiones 221 y 219 en la 218
119864119886119903119903119890119892119897119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120784
Esta ecuacioacuten muestra la energiacutea que deberaacute entregar un arreglo fotovoltaico sin
embargo hay que referir esta energiacutea al recurso solar disponible para saber
cuaacutenta potencia fotovoltaica es necesaria Asiacute entonces la energiacutea que puede
83
suministrar un arreglo fotovoltaico seraacute igual al resultado del producto de las horas
solar pico (que en este trabajo seraacute la promedio del peor mes) por la potencia
fotovoltaica necesaria o calculada para la aplicacioacuten
A continuacioacuten se presenta la expresioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 120784 120784120785
119875119865119907119888 potencia fotovoltaica necesaria
Reemplazando la expresioacuten 23 en la 22 tenemos
119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 = 119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120785119938
Despejando potencia fotovoltaica necesaria se tiene
119875119865119907119888 = 119860119888119879
119867119904119901119894119888119900 120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119867119904119901119894119888119900 119879119903119890119888 120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120786
La ecuacioacuten 24 modela la potencia calculada para un sistema fotovoltaico la
manera de encontrar el nuacutemero de paneles especiacuteficos para una aplicacioacuten seraacute el
resultado del cociente entre la potencia fotovoltaica necesaria y la potencia que un
panel fotovoltaico puede entregar bajo las STC como se muestra a continuacioacuten
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120784 120784120787
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Sin embargo se presenta el mismo problema que con el banco de bateriacuteas y es
que 119873119901119886119899119890119897119890119904 tomaraacute valores que muy probablemente no seraacuten enteros por tanto
se debe aproximar este valor siempre al nuacutemero entero maacutes cercano superior
Depende entonces de la potencia del panel solar que se escoja para la aplicacioacuten
el nuacutemero de paneles solares que se necesiten [10 15 21]
De esta forma se ha planteado una manera de dimensionar sistemas fotovoltaicos
relacionando el tiempo de carga de las bateriacuteas y el tiempo de autonomiacutea que
84
seraacuten escogidos de acuerdo a las caracteriacutesticas de las cargas y recurso solar Un
disentildeo que considere estos dos paraacutemetros de manera acertada puede dar como
resultado un sistema fotovoltaico capaz de suministrar energiacutea en ambientes
criacuteticos
85
Capiacutetulo 3
SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Los sistemas fotovoltaicos interactivos con la red de servicio puacuteblico tienen como
propoacutesito suministrar energiacutea a un conjunto de cargas de forma total o parcial con
energiacutea proveniente del sol comuacutenmente son instalados en edificios comerciales o
en casas con acceso al servicio puacuteblico de energiacutea eleacutectrica Los avances
tecnoloacutegicos en los inversores interactivos con la red eleacutectrica han facilitado la
interconexioacuten de arreglos fotovoltaicos a la red haciendo que la energiacutea que
generen sea aprovechada principalmente por las cargas y el excedente de esta
seraacute ldquoempujadardquo a la red puacuteblica aunque en Estados Unidos y algunos paiacuteses de
Europa esta energiacutea empujada es remunerada por parte de las electrificadoras
mediante medidores de energiacutea que permiten el giro inverso en Colombia auacuten no
existe una legislacioacuten que respalde a los sistemas interconectados a la red por
esta razoacuten en un contexto como el de Colombia se intenta que el arreglo
fotovoltaico suministre energiacutea parcialmente a las cargas esto con el intento de no
inyectar energiacutea a la red y evitar sanciones a causa de desequilibrar la red de
distribucioacuten [15]
A continuacioacuten se da a conocer el funcionamiento de un sistema fotovoltaico
interactivo con la red
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Existen dos tipos de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red
1 Sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
2 Sistema interconectado a red con respaldo de bateriacuteas
Los sistemas interactivos con la red de servicio puacuteblico sin respaldo de bateriacuteas
solo constan de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red este
tipo de inversores son disentildeados para interrumpir la conexioacuten a la red del sistema
fotovoltaico cuando el suministro de energiacutea de la red falla esto con el fin de
despejar la falla y evitar problemas operativos en la red de distribucioacuten Los
sistemas fotovoltaicos con respaldo de bateriacuteas constan de un arreglo fotovoltaico
un inversor interactivo con la red capaz de cargar un banco de bateriacuteas este
sistema es capaz de suministrar energiacutea durante el tiempo de autonomiacutea para el
cual el banco fue disentildeado cuando la red de servicio puacuteblico falla sin embargo
para estos sistemas la red de distribucioacuten debe tener un sistema de proteccioacuten
adecuado con el fin de que el banco de bateriacuteas no alimente la falla existente en la
86
red Es por esta razoacuten que en este trabajo de grado se haraacute especial eacutenfasis en
sistemas sin respaldo de bateriacuteas debido a que pueden llegar a ser los maacutes
cercanos a la realidad del entorno Colombiano
A continuacioacuten se analizan las caracteriacutesticas por separado de los sistemas
interconectados a la red con respaldo de bateriacuteas y sin respaldo de bateriacuteas
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
Entre las ventajas y desventajas de un sistema interconectado a red sin respaldo
de bateriacuteas se encuentran disminucioacuten del consumo de energiacutea proveniente del
servicio puacuteblico ausencia de un sistema ininterrumpido de energiacutea en el caso de
falla de la red instalacioacuten simple alta eficiencia y no brindar oportunidades de
administrar la energiacutea
Los sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas constan
de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red El arreglo
fotovoltaico tiene caracteriacutesticas muy similares a un sistema autoacutenomo con la
diferencia de que estos arreglos no van a tener en cuenta la carga de un banco de
bateriacuteas y tienen la posibilidad de suministrar parte del consumo de las cargas A
continuacioacuten se da a conocer las caracteriacutesticas operativas de un inversor
interconectado a la red sin respaldo de bateriacuteas
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteas
La mayoriacutea de los inversores conectados a la red no utilizan un banco de
bateriacuteas por el contrario se conectan directamente con la red de servicio puacuteblico
utilizando esta fuente como un sistema de respaldo Cuando existen condiciones
ambientales para generar energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico el inversor
debe transformar y utilizar esta energiacutea para satisfacer el consumo sin embargo si
la generacioacuten de energiacutea es mayor a la del consumo el inversor suministraraacute la
energiacutea necesaria a las cargas y el exceso lo empujaraacute a la red puacuteblica aunque se
espera que en un futuro Colombia tenga una legislacioacuten que respalde a los
sistemas fotovoltaicos interconectados a la red por el momento no existe por
tanto no es posible vender este exceso de energiacutea lo que afecta netamente el
tiempo de recuperacioacuten de la inversioacuten por esta razoacuten se intenta disentildear un
arreglo fotovoltaico que suministre una parte del consumo para evitar la inyeccioacuten
de energiacutea que no seraacute remunerada El inversor interactivo con la red debe ser
capaz de alimentar las cargas tomando la energiacutea del arreglo fotovoltaico y la
energiacutea de la red puacuteblica a la vez de esta forma se reduce el consumo de energiacutea
por parte de la red puacuteblica produciendo un ahorro en funcioacuten de la energiacutea que es
capaz de suministrar el arreglo Durante la noche o las horas del diacutea donde la
radiacioacuten sea miacutenima toda la energiacutea provendraacute de la red puacuteblica de esta forma
87
el inversor interactivo con la red deberaacute ser capaz de atender cualquiera de los
anteriores casos [1015 21]
A continuacioacuten se daraacute a conocer los paraacutemetros para dimensionar un inversor
adecuado para las necesidades de una instalacioacuten fotovoltaica interconectada a
red sin respaldo de bateriacuteas
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo
de bateriacuteas
Existen varias caracteriacutesticas que los fabricantes de inversores especifican en sus
hojas de datos que es necesario conocer antes de adquirir alguacuten tipo de inversor
A continuacioacuten se dan a conocer varias de estas
Potencia de entrada del inversor al calcular un arreglo fotovoltaico para un
sistema interconectado a la red el tamantildeo del arreglo estaraacute determinado para
que cumpla con el suministro total o parcial del consumo presupuesto del cliente y
limitaciones de espacio Una vez determinado el tamantildeo del arreglo el inversor
deberaacute soportar el paso de potencia del arreglo fotovoltaico por ende se busca
que la potencia fotovoltaica instalada nunca sea mayor a la especificada por el
fabricante del inversor Tambieacuten se debe tener en cuenta que si se desea expandir
en un futuro la capacidad del arreglo el inversor sea capaz de soportar dicha
expansioacuten de potencia fotovoltaica instalada
Seguidor de punto de maacutexima potencia como se analizoacute en la seccioacuten 2132
(Reguladores MPPT para sistemas autoacutenomos) se intenta que el arreglo
fotovoltaico opere siempre en el punto de maacutexima potencia en la actualidad todos
los inversores interconectados a la red tienen esta caracteriacutestica con el fin de
aprovechar la maacutexima potencia que pueda entregar el arreglo fotovoltaico [10]
Tensioacuten de entrada la mayoriacutea de los inversores interconectados a red poseen
una ventana de tensioacuten que especifica el rango de operacioacuten en donde el inversor
funcionaraacute de manera adecuada Para estar dentro de esa ventana el arreglo
fotovoltaico debe estar interconectado de una manera especiacutefica Debido a que
usualmente las ventanas de tensioacuten de los inversores estaacuten entre 75V y 600V la
configuracioacuten deberaacute tener muacuteltiples moacutedulos en serie para alcanzar dicha tensioacuten
(generalmente mayor a la de los sistemas aislados) sin embargo como se estudioacute
en la seccioacuten 2132 (REGULADORES MPPT) en donde se analiza relacioacuten entre
la tensioacuten de los moacutedulos y la temperatura el disentildeo debe tener en cuenta la
temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima con el fin de
evitar que la tensioacuten maacutexima del arreglo (calculada con la temperatura miacutenima
promedio) y la tensioacuten miacutenima del arreglo (calculada con la temperatura maacutexima
promedio) salgan de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante Si el
88
arreglo fotovoltaico alcanza una tensioacuten tan baja que sale de la ventana de tensioacuten
del inversor se apagaraacute por otro lado si un arreglo fotovoltaico alcanza una
tensioacuten tal que supere el maacuteximo de la ventana de tensioacuten del arreglo el inversor
podriacutea estar en peligro potencial de dantildeo Por tanto es importante calcular de una
manera adecuada la tensioacuten maacutexima y miacutenima de un arreglo fotovoltaico que
dependeraacute del nuacutemero de paneles en serie y sus caracteriacutesticas eleacutectricas con el
fin de encontrar un inversor adecuado para la aplicacioacuten [10 36]
Seguacuten lo anterior
119881119898119901119901119905119898119894119899 le 119881119898iacute119899119898119901 120785 120783
119881119898119901119901119905119898119886119909 ge 119881119898aacute119909119898119901 120785 120784
En donde
119881119898119901119901119905119898119894119899 liacutemite inferior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119901119901119905119898119886119909 liacutemite superior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119894119899119898119901 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio maacutexima (ver ecuacioacuten 22)
119881119898119886119909119898119901 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio miacutenima (ver ecuacioacuten 23)
Tensioacuten maacutexima la tensioacuten maacutexima que deberaacute soportar el inversor interactivo
con la red se produce por parte del arreglo fotovoltaico en condiciones de circuito
abierto y temperatura promedio miacutenima
Se debe tener en cuenta dicha tensioacuten en el disentildeo del arreglo fotovoltaico con el
fin de que el inversor no sufra dantildeos por sobretensioacuten bajo estas condiciones
Seguacuten lo anterior se debe garantizar que
119881119894119899119907119898aacute119909 ge 119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 120785 120785
119881119898119886119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119894119899119907119898119886119909 tensioacuten maacutexima del inversor especificada por el fabricante
Tensioacuten de salida la tensioacuten de salida de los inversores es especificada por el
fabricante y su uso dependeraacute netamente de las caracteriacutesticas operativas de la
89
carga Para un entorno como el de Colombia es comuacuten que las cargas esteacuten
alimentadas a 120V (sistema monofaacutesico bifilar o sistema trifaacutesico tetrafilar) 240V
(sistema monofaacutesico trifilar) 208V (sistema trifaacutesico trifilar) y en algunos casos
hasta 480V Por esta razoacuten es necesario que se haga un estudio de tensioacuten
frecuencia y secuencia (en el caso de un sistema trifaacutesico) de la red disponible a la
que se va a interconectar el inversor aunque existen algunos inversores que son
capaces de acoplarse a cualquier tipo de red es recomendable hacer un estudio
previo de la misma y verificar con los datos teacutecnicos del inversor si es posible su
conexioacuten antes de adquirirlo [10 21]
Proteccioacuten de fallo a Tierra la mayoriacutea de fabricantes de inversores especifican la
proteccioacuten del dispositivo que en caso de producirse un cortocircuito parte del
flujo eleacutectrico se derive a Tierra
Proteccioacuten para sobrecorriente en DC y AC algunos inversores traen incorporados
sistemas de proteccioacuten tanto a la entrada (lado de DC) como a la salida (lado de
AC) sin embargo los fabricantes exigen incorporar protecciones externas para
cuando sea necesario desconectar el inversor y como respaldo a las protecciones
internas
Cubierta resistente a la intemperie la mayoriacutea de los inversores interconectados a
red se disentildean para instalaciones al aire libre y por tanto deben tener cubiertas
adecuadas para estos ambientes
Existen varias ventajas con los sistemas interconectados a la red entre ellas
Economiacutea para cargas con consumo grande depender uacutenicamente de sistemas
fotovoltaicos puede llegar a ser muy costoso sobre todo al disentildear un banco de
bateriacuteas capaz de respaldar la carga durante un periodo largo de operacioacuten o para
horas en el diacutea donde la radiacioacuten solar sea miacutenima Para este tipo de sistemas un
sistema interconectado a red puede resultar maacutes econoacutemico debido a que puede
usar como respaldo la red puacuteblica existente
Bajo costo inicial disentildear un sistema fotovoltaico para abastecer la totalidad del
consumo puede llegar a ser muy costoso sin embargo existe la posibilidad de
hacer una inversioacuten pequentildea que conste de un arreglo fotovoltaico pequentildeo y un
solo inversor maacutes adelante se podraacuten agregar maacutes moacutedulos a medida que el
inversor lo permita Algunos fabricantes de inversores fabrican inversores de
cadenas muacuteltiples (multistring) son capaces de interconectar varios arreglos
fotovoltaicos a la vez esta tambieacuten podriacutea ser una buena opcioacuten si lo que se
desea es aumentar la capacidad fotovoltaica instalada en un futuro
90
Incremento de la confiabilidad al tener dos sistemas de generacioacuten de energiacutea
independientes hay una confiabilidad mayor en un sistema interconectado a la red
que en un sistema autoacutenomo Si se antildeade un banco de bateriacuteas la confiabilidad es
auacuten mayor sin embargo la eficiencia del sistema disminuye debido a que las
bateriacuteas involucran peacuterdidas de almacenamiento gracias a las reacciones
quiacutemicas en el almacenamiento de energiacutea
Flexibilidad de disentildeo debido a que el servicio puacuteblico brinda una fuente de
energiacutea permanente el sistema fotovoltaico puede disentildearse seguacuten el
presupuesto y los deseos del propietario
Facilidad de interconexioacuten los avances en la tecnologiacutea de los inversores han
logrado que sea relativamente faacutecil el acoplo de los arreglos fotovoltaicos a la red
puacuteblica estos son capaces de cumplir con el sincronismo de fase secuencia y
frecuencia para que un sistema de generacioacuten pueda interconectarse a la red [10
15]
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS
El sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas es un sistema
relativamente simple debido a que solo consta de dos elementos fundamentales
el arreglo fotovoltaico y el inversor interconectado a red Sin embargo se necesitan
varios paraacutemetros para un correcto dimensionamiento de ambos elementos
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a red En la seccioacuten 222 (Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para
dimensionamiento de un sistema autoacutenomo) se explicoacute la importancia de tener una
informacioacuten acertada acerca de la radiacioacuten solar en el lugar donde se desea
instalar el arreglo fotovoltaico todo lo hablado en esta seccioacuten es totalmente
aplicable a este tema debido a que el arreglo fotovoltaico es muy similar al de este
caso sin embargo los criterios de dimensionamiento cambian draacutesticamente
debido a que para el dimensionamiento se va a necesitar la informacioacuten de
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo es decir el vector resultado del
producto punto entre el vector de radiacioacuten mensual de cada mes durante un antildeo
y el resultado de invertir cada componente del vector de diacuteas de cada mes (ver
ecuacioacuten 120784 120789) asiacute entonces partiendo de esta expresioacuten se obtiene el vector de
horas solar pico de la siguiente forma [10 15]
119919119956119953119946119940119952 =
1kWm2 120785 120786
91
En donde
119919119956119953119946119940119952 vector horas solar pico a lo largo del antildeo (hd)
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo desde enero a diciembre
(kWhm2119889) A diferencia de los sistemas autoacutenomos en donde se usa uacutenicamente la hora solar pico del mes de la radiacioacuten maacutes baja del antildeo el sistema interconectado a red deberaacute trabajar con toda la informacioacuten de radiacioacuten existente mes a mes Por esta razoacuten se trabajaraacute con el vector completo de horas solar pico [10 15 21] 322 Estudio del consumo anual Debido a que se busca disentildear un arreglo fotovoltaico que produzca un porcentaje de la energiacutea necesaria del consumo mes a mes es necesario conocer el consumo mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior al mes en donde se desea hacer la instalacioacuten del sistema fotovoltaico La manera maacutes sencilla de encontrar estos datos es hacer seguimiento mes a mes a las facturas de energiacutea proporcionadas por la electrificadora encargada del suministro de energiacutea en la zona Para tener en cuenta esta informacioacuten es necesario organizar los datos obtenidos en la premisa anterior de enero a diciembre debido a que se busca relacionar el consumo con el recurso solar correspondiente del mes sin importar si no corresponde a un orden cronoloacutegico es decir si se necesita conocer el consumo mensual de abril del 2013 a marzo de 2014 los meses se organizaraacuten iniciando con enero de 2014 lo relevante es el orden de los meses no el antildeo al que estos pertenezcan Para este trabajo se conoceraacute esta informacioacuten previamente organizada con un
vector [10]
consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente 323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Como se explicoacute en la seccioacuten 312 (Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas) el dimensionamiento del arreglo fotovoltaico interconectado a red dependeraacute de cuanta incidencia tenga el sistema fotovoltaico a las cargas Usualmente se caracteriza mediante un porcentaje del consumo dependiendo de queacute tan grande sea este porcentaje y que recurso solar exista en la zona dependeraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico por esta razoacuten este paraacutemetro se ve muy influenciado con el presupuesto del que se disponga para el proyecto fotovoltaico A mayor porcentaje de consumo anual mayor seraacute la potencia fotovoltaica calculada y seraacute maacutes probable la inyeccioacuten de energiacutea a la red que no seraacute remunerada
92
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblico En la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) en donde se habla de la eficiencia de un inversor autoacutenomo se acoge el mismo concepto para los sistemas interconectados a red en donde la eficiencia dependeraacute de la potencia de consumo de las cargas [10] 33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS El meacutetodo para modelamiento de un sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas consta de encontrar la potencia fotovoltaica necesaria para producir el porcentaje de energiacutea requerido partiendo del recurso solar disponible en la zona y del consumo de energiacutea Una vez encontrado este dato se busca un inversor capaz de soportar la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico con el fin de garantizar un funcionamiento adecuado 331 Modelamiento del arreglo fotovoltaico Con el recurso solar disponible consumo de energiacutea durante el uacuteltimo antildeo y el porcentaje de energiacutea de incidencia del arreglo fotovoltaico se calcula el tamantildeo del arreglo fotovoltaico En principio se debe calcular la energiacutea que el sistema fotovoltaico deberaacute suministrar de acuerdo al porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar [10] De la siguiente forma
119916119943119959 = 119864119891119907
100 120785 120787
En donde
119916119943119959 energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes (Kwhmes) consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (kWhmes) 119864119891119907 porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar
Una vez calculada la energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes se calcula el promedio diario en Wh de la energiacutea que el arreglo fotovoltaico deberaacute producir De la siguiente forma [1015 21]
119916119943119959119941119946119938 = (
1000119882ℎ
1119896119882ℎ 119916119943119959 ) lowast [
1
] 120785 120788
93
119916119943119959119941119946119938 energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar (Whd)
diacuteas de cada mes del antildeo Una vez calculada la energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar se calcula el vector de potencia fotovoltaica calculada de la siguiente forma
119927119943119959119914 = (
119916119943119959119941119946119938
120578119894119899119907100) lowast [
1
119919119956119953119946119940119952 ] 120785 120789
119927119943119959119914 potencia fotovoltaica calculada mes a mes
Debido a que no existe relacioacuten alguna entre el consumo de energiacutea y el recurso solar y son dos paraacutemetros netamente variables es imposible suministrar exactamente el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar mes a mes es por esta razoacuten que se busca un arreglo fotovoltaico que al antildeo suministre en promedio este porcentaje De esta forma el promedio de los
componentes de 119927119943119959119914 seraacute la potencia fotovoltaica necesaria para suministrar el
porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Asiacute entonces
119875119891119907119862119886119897119888119906119897119886119889119886 = 119901119903119900119898119927119943119959119914 120785 120790
Ya encontrado dicho paraacutemetro se puede encontrar el nuacutemero de paneles solares teniendo en cuenta la potencia especificada por el fabricante de manera anaacuteloga a la ecuacioacuten 225 del anterior capiacutetulo
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120785 120791
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Debido a que el nuacutemero de paneles de un arreglo fotovoltaico solo podraacute tomar valores enteros usualmente el paraacutemetro 119873119901119886119899119890119897119890119904 de la expresioacuten anterior deberaacute
ser aproximado al entero maacutes proacuteximo superior (solo si la expresioacuten anterior toma un valor no entero) con el fin de que nunca se produzca menor energiacutea de la especificada por el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado anteriormente De esta forma la aproximacioacuten dependeraacute de la
94
potencia en condiciones estaacutendar del moacutedulo a utilizar (STC por sus siglas en ingleacutes) Este nuacutemero de moacutedulos seraacute capaz de suministrar el porcentaje de consumo especificado con el estudio de cargas y con el presupuesto del proyecto con el nuacutemero de paneles especificados se puede conocer la potencia fotovoltaica instalada resultado del producto entre el nuacutemero de paneles y la potencia que cada panel puede suministrar bajo las STC [10] Asiacute entonces la potencia fotovoltaica instalada seraacute
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 = 119875119898119901119901 119873119901119886119899119890119897119890119904 120785 120783120782
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 potencia fotovoltaica instalada 119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Este paraacutemetro puede dar un indicio de la capacidad que debe tomar el inversor interactivo con la red eleacutectrica debido a que seraacute la potencia que en un instante dado bajo condiciones ambientales adecuadas puede suministrar el arreglo fotovoltaico al consumo Asiacute entonces se debe procurar que
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 le 119875119868119899119907 120785 120783120783
119875119868119899119907 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Violar la expresioacuten anterior no afectaraacute la esperanza de vida ni el funcionamiento del inversor debido a que la potencia fotovoltaica nominal del inversor especifica cuanta potencia es capaz de transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y a la red si el arreglo fotovoltaico produce maacutes potencia simplemente el inversor no la aprovecharaacute para el consumo Sin embargo se evita en la etapa de disentildeo este tipo de problemas debido a que produce sistemas poco eficientes Una vez especificado la potencia fotovoltaica instalada del arreglo se puede calcular cuanta energiacutea puede producir dicho arreglo mes a mes Para ello se debe evaluar el comportamiento del arreglo fotovoltaico con el vector de Horas Solar Pico como se muestra en la siguiente expresioacuten [10]
120643119943 119946 = 119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 (120578119894119899119907100) (
1119896119882
1000119882) 119919119956119953119946119940119952 lowast 120785 120783120784
120643119943 119946 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico mes a mes
De esta forma se puede analizar mes a mes la produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico seguacuten el recurso solar disponible La suma de las componentes de
95
este paraacutemetro representaraacute la energiacutea total que se puede producir en un antildeo de operacioacuten del sistema Seguacuten lo anterior se tiene
120585119891119886ntilde119900 = sum 120643119943 119946 120785 120783120785
12
119894=1
120585119891119886ntilde119900 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico anual
Debido a la aproximacioacuten al entero mayor maacutes proacuteximo especificada en la ecuacioacuten 39 se puede esperar que la produccioacuten energeacutetica anual del sistema fotovoltaico sea mayor a la calculada seguacuten el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado al principio de los caacutelculos Cabe aclarar que entre menor sea el ajuste en dicha expresioacuten menor seraacute la diferencia entre la energiacutea anual que el arreglo fotovoltaico puede producir al estimado por el porcentaje de incidencia del sistema especificado en la ecuacioacuten 313 Con esta informacioacuten teoacuterica se puede dimensionar un sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas cabe resaltar que aprovechar la energiacutea que produce el sistema fotovoltaico dependeraacute de si el perfil de carga se adapta a las horas del diacutea en donde el arreglo fotovoltaico produce energiacutea esto debido a que en un entorno como el de Colombia no trae ninguacuten beneficio econoacutemico inyectar energiacutea a la red por tanto los usuarios que deseen adquirir un sistema fotovoltaico de este tipo deberaacuten tener un mayor consumo de energiacutea en la medida de lo posible en horas de la mantildeana o al medio diacutea y no en la noche como es lo usual solo de esta forma se evitara inyectar mucha energiacutea a la red y se aprovecharaacute la producida por el sistema fotovoltaico
96
Capiacutetulo 4
DESARROLLO DE UN APLICATIVO DE DISENtildeO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS PARA LA EMPRESA COLOMBIAN SOLAR SYSTEMS
SAS
En la actualidad es faacutecil encontrar en su totalidad los elementos necesarios para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico La diversidad de fabricantes especializados en la creacioacuten de elementos para este tipo de generacioacuten origina la posibilidad de encontrar en el mercado diferentes elementos de distinta capacidad caracteriacutesticas eleacutectricas y funciones para abastecer el mercado fotovoltaico que cada antildeo crece la situacioacuten que realmente aqueja al campo de la energiacutea solar es por lo tanto no la dificultad para encontrar la diversidad en los elementos si no la exactitud para la escogencia de uno entre varios El modelamiento de cualquier sistema fotovoltaico estaacute dado por dos paraacutemetros
fundamentales los cuales son carga y recurso solar Para poder comprender la
teoriacutea de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos es necesario entrar en
detalle con el consumo de energiacutea eleacutectrica en el recinto rural o residencial donde
se desea disponer de la generacioacuten a partir de energiacutea solar y adicionalmente
tener valores acertados de radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo Un
conjunto de valores acertados de estos dos paraacutemetros fundamentales seraacuten de
gran importancia para un correcto dimensionamiento
Uno de los objetivos especiacuteficos para este proyecto es plantear un aplicativo
capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector residencial y rural para el
territorio colombiano con el fin de garantizar mejores disentildeos para la empresa
Colombian Solar Systems Para desarrollarlo se utilizoacute el ambiente graacutefico
proporcionado por Matlab conocido como Guide Matlab y que permite interactuar
con varias interfaz graacuteficas
El aplicativo consta de 16 interfaces graacuteficas que calculan los distintos paraacutemetros
necesarios para el disentildeo de sistemas fotovoltaicos de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada sobre consumo recurso solar y capacidad nominal de los
dispositivos que componen el sistema fotovoltaico Cada interfaz graacutefica
proporciona la informacioacuten necesaria para que el usuario busque de acuerdo a sus
proveedores los componentes que cumplan con las necesidades del sistema sin
embargo una vez escogido el dispositivo y por tanto sus valores nominales el
aplicativo estaacute programado para verificar que los rangos operativos de potencia
tensioacuten y corriente de los dispositivos sean adecuados respecto a los valores
necesarios del sistema fotovoltaico esto con el fin de que en la etapa de disentildeo se
97
busquen los elementos que mejor se adapten a las condiciones del sistema
fotovoltaico
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMO
El aplicativo posee un algoritmo cuantitativo capaz de interactuar con varias
interfaces graacuteficas guardando la informacioacuten necesaria entre cada una de ellas y
entregando la informacioacuten necesaria al usuario para buscar los dispositivos que
sean maacutes pertinentes El aplicativo inicia con una interfaz graacutefica en donde
pregunta al usuario cuaacutel es el sistema fotovoltaico que desea modelar (sistema
autoacutenomo o sistema interconectado a red) a partir de esta interfaz inicial se
ejecuta el proceso a seguir debido a que son sistemas totalmente distintos Al
final el algoritmo verifica que los datos nominales de los dispositivos sean los
adecuados Cabe aclarar que la certeza de los resultados entregados por el
aplicativo seraacuten proporcionales a la validez de los datos entregados como
entradas tales como recurso solar estudio de cargas y valores nominales de los
dispositivos esta informacioacuten seraacute consultada por el usuario por sus medios de
confianza
A continuacioacuten se presenta el diagrama de flujo del algoritmo desarrollado para el
aplicativo
98
INICIO
Estudio de
cargas
Estudio de consumo y
recurso solar
iquestCONTINUAR
CONTINUAR
Informacioacuten de
carga
Datos de
inversor
Recurso
solar y
estabilidad
CONTINUAR
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada con
peacuterdidas en inv
yo bat
Informacioacuten del panel solar
Potencia fv calculada
Datos de panel solar
Temperatura prom
miacutenima y maacutexima
iquestCONTINUAR
Potencia fv instalada y
configuracioacuten
Escoger opcioacuten
Informacioacuten de tensioacuten
del arreglo
Informacioacuten inversor
interconectado a red
Informacioacuten detallada del
arreglo
CONTINUAR
Tipo de sistemas
fotovoltaicos
NO
SI
NO
SI
SI NO
SI
NO
SI
SI NO
99
Potencia fotovoltaica instalada
iquestCONTINUAR
Informacioacuten sobre bateriacutea
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas Configuracioacuten del banco
de bateriacuteas (sin peacutedidas)
Configuracioacuten del banco de
bateriacuteas (con peacutedidas)
iquestCONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Tipo de regulador
Corriente maacutexima
de carga
Corriente maacutexima de
carga potencia fv
Escoger
configuracioacuten
Escoger
configuracioacuten
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
PWM
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas VERIFICACIOacuteN
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
MPPT
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
VERIFICACIOacuteN
FIN
VERIFICACIOacuteN
INFORME
SI
NO
NO SI
NO
SI
MPP
T PW
M
NO
SI
NO
SI
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el
aplicativo
100
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVO
El diagrama de flujo del algoritmo descrito anteriormente describe el
funcionamiento del aplicativo sin embargo es necesario describir cada interfaz
graacutefica que lo compone y el ambiente graacutefico con el que el usuario va a
interactuar
Al seleccionar el icono que hace el llamado al aplicativo abre la primera interfaz
graacutefica a la que el usuario podraacute acceder Esta permite escoger el tipo de sistema
fotovoltaico que desea desarrollar asiacute el usuario podraacute escoger entre un sistema
aislado o un sistema interconectado a red (sin respaldo de bateriacuteas) Al escoger
una de las dos opciones se empezaraacute con el proceso de dimensionamiento
descrito en el diagrama de flujo del algoritmo
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuesto
Al seleccionar ldquoSISTEMA AISLADOrdquo el aplicativo hace un llamado a la interfaz
graacutefica descrita en la figura 43 que representa la interfaz que permite al usuario
entregar la informacioacuten pertinente al estudio de cargas explicado en la seccioacuten
221 (Estimacioacuten del consumo y carga) Esta contiene una tabla editable por el
usuario en donde se especifica el nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea
energizar su potencia nominal y horas de uso al diacutea que se pretende utilizar dicho
grupo de aparatos Una vez especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute
acceder a la siguiente interfaz graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o podraacute acceder a
la interfaz de la figura 42 en cualquier momento escogiendo el iacutecono ldquoATRAacuteSrdquo
101
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo
La figura 44 representa a una interfaz graacutefica que tiene como objetivo informar el
consumo de energiacutea diaria y anual con el fin de que el usuario se entere de
cuanta energiacutea el arreglo fotovoltaico autoacutenomo deberaacute generar al diacutea y al antildeo
Figura 44 Informacioacuten de consumo
Se puede acceder a esta informacioacuten seleccionando ldquoCALCULARrdquo y una vez
especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute acceder a la siguiente interfaz
graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o si desea hacer alguna modificacioacuten al estudio
de cargas lo podraacute hacer seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo
102
La figura 45 representa la manera coacutemo se modelaraacute el inversor autoacutenomo en el
aplicativo Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se entrega al usuario la informacioacuten acerca
de la carga maacutexima que el sistema fotovoltaico tendraacute que alimentar a una hora
del diacutea esta situacioacuten se presenta cuando se interconectan todas las cargas
descritas en la etapa de estudio de carga (figura 43) El inversor autoacutenomo deberaacute
soportar esta condicioacuten es decir que la capacidad nominal de potencia que el
inversor puede transmitir a las cargas deberaacute de ser mayor que la potencia
maacutexima que estas alcancen Cabe recordar que el inversor autoacutenomo no solo se
escogeraacute de acuerdo a la anterior circunstancia si no a otras caracteriacutesticas
eleacutectricas nominales de las cargas tales como frecuencia tensioacuten tipo de onda y
distorsioacuten armoacutenica total El usuario deberaacute verificar que las caracteriacutesticas
eleacutectricas del inversor cumplan con las caracteriacutesticas nominales de la carga Asiacute
entonces el usuario deberaacute consultar los datos nominales del inversor autoacutenomo
que desea usar y llenar la informacioacuten requerida en los espacios correspondientes
teniendo en cuenta las unidades especificadas en cada espacio hay que tener
presente que la tensioacuten nominal DC del inversor autoacutenomo deberaacute ser la misma
que la tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten del banco de bateriacuteas es
en esta situacioacuten en donde se justifica que el aplicativo verifique las tensiones
nominales del banco de bateriacuteas y el inversor ya que es muy comuacuten que el usuario
olvide dicha circunstancia
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo
103
El usuario podraacute regresar a la interfaz de la informacioacuten de consumo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 46 representa a la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique ciertos factores de estabilidad del sistema fotovoltaico tales como
diacuteas de autonomiacutea (descrito en la seccioacuten 223) tiempo de recuperacioacuten del
sistema (descrito en la seccioacuten 224) horas solar pico promedio del peor mes de
radiacioacuten del antildeo (descrito en la seccioacuten 222) y rango de temperatura
(temperatura promedio miacutenima y maacutexima del antildeo de estudio) Esta informacioacuten
seraacute usada por el algoritmo para determinar la potencia fotovoltaica necesaria para
suplir el consumo el nuacutemero de bateriacuteas necesarias para suministrar energiacutea
durante el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y calcular tanto el rango de tensioacuten de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la tensioacuten maacutexima del arreglo en condiciones
de circuito abierto y temperatura baja
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico
El usuario podraacute regresar a la interfaz del modelamiento del inversor autoacutenomo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 47 representa a la interfaz graacutefica que tiene como objetivo calcular el
nuacutemero de paneles necesarios para la aplicacioacuten de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada por el usuario en las interfaces anteriores
104
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria
En el tablero de ldquoinformacioacutenrdquo se especifica mediante un ldquoradio buttonrdquo si el usuario
desea involucrar en el disentildeo peacuterdidas por parte del inversor yo bateriacuteas Aunque
se recomienda modelar sistemas fotovoltaicos con peacuterdidas debido a que son
modelos maacutes cercanos a la realidad de manera acadeacutemica puede llegar a ser
interesante observar en cuanta potencia fotovoltaica se incrementa el arreglo al
involucrar la eficiencia del inversor yo la eficiencia de las bateriacuteas (usualmente
aceptada en el 80) Cual sea el caso se puede acceder a esta informacioacuten en el
espacio ldquoPotencia fotovoltaica calculadardquo seleccionando en el tablero de
informacioacuten ldquoCALCULARrdquo Este caacutelculo tendraacute en cuenta los diacuteas de recuperacioacuten
del sistema y tiempo de autonomiacutea (explicados en la seccioacuten 22 paraacutemetros
necesarios para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo) de
acuerdo a la ecuacioacuten 224
De acuerdo con la ecuacioacuten 225 en la seccioacuten 232 es necesario especificar la
potencia del panel solar que se desea implementar para saber el nuacutemero de
paneles necesarios Esta informacioacuten se debe entregar en el recuadro
denominado ldquoParaacutemetros panel solarrdquo junto con la informacioacuten acerca del panel
especificada en dicho espacio esta informacioacuten seraacute almacenada y usada en las
proacuteximas interfaces graacuteficas
Una vez especificada toda la informacioacuten se podraacute acceder al nuacutemero de paneles
necesarios para el sistema fotovoltaico seleccionando ldquoCALCULARrdquo en el tablero
llamado ldquoCaacutelculo de potencia fotovoltaica y nuacutemero de moacutedulosrdquo
105
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la estabilidad del sistema
autoacutenomo seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 48 representa a la interfaz graacutefica que permite dar a conocer al usuario
cuantas bateriacuteas se necesitan para abastecer de energiacutea a las cargas de acuerdo
al nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea dato entregado en la interfaz representada en la
figura 46
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas
El usuario deberaacute consultar las caracteriacutesticas teacutecnicas de la bateriacutea y entregarlas
en los espacios especificados de la interfaz graacutefica tal como capacidad de la
bateriacutea tensioacuten de la bateriacutea (ambos paraacutemetros determinan cuanta capacidad de
almacenamiento en Wh posee la bateriacutea) maacutexima tensioacuten de carga (que depende
netamente del tipo de bateriacutea y su construccioacuten) y liacutemite de descarga maacuteximo (que
determinaraacute la esperanza de vida de la bateriacutea cabe recordar que entre menor
sea este liacutemite mayor tiempo de vida tendraacute el banco de bateriacuteas) una vez
especificada esta informacioacuten el usuario podraacute escoger si desea tener en cuenta
en el caacutelculo las peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas al igual que en el caso de
la potencia fotovoltaica calculada suele ser interesante observar el incremento de
la capacidad de almacenamiento calculada o necesaria teniendo en cuenta
peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas sin embargo este trabajo recomienda que
siempre se tengan en cuenta las peacuterdidas debido a que se aproximan a un
sistema mucho maacutes real y mejor dimensionado
106
Con la informacioacuten lista el usuario podraacute calcular el nuacutemero de bateriacuteas
necesarias desplazando el ldquopop-up menuacuterdquo correspondiente a la tensioacuten del
sistema este iacutecono permite escoger entre 12V 24V 36V y 48V de acuerdo a la
explicacioacuten dada en la seccioacuten 231 (Dimensionamiento del banco de bateriacuteas)
esta tensioacuten determina la configuracioacuten del banco de bateriacuteas Debido a que es
muy comuacuten que el nuacutemero de bateriacuteas necesarias no sea divisible exactamente
por el nuacutemero de bateriacuteas en serie (dadas por el cociente entre la tensioacuten del
sistema y la tensioacuten de la bateriacutea) es necesario reajustar el nuacutemero de bateriacuteas
lo que conlleva a reajustar nuevamente el liacutemite de descarga maacuteximo debido a
que con el nuacutemero de bateriacuteas reajustado que siempre seraacute mayor al calculado el
banco de bateriacuteas se descargaraacute menos que lo especificado por el usuario Esta
informacioacuten se encuentra en los espacios correspondientes a bateriacuteas en serie
nuacutemero de bateriacuteas seguacuten configuracioacuten y liacutemite de descarga ajustado al arreglo
de bateriacuteas
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la potencia fotovoltaica calculada
o necesaria seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo
seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 49 representa la interfaz que pretende que el usuario escoja el tipo de
regulador de carga que desea para la aplicacioacuten de acuerdo a la teoriacutea explicada
en las secciones 2131 y 2132 (REGULADORES PWM y REGULADORES
MPPT respectivamente)
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga
107
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del disentildeo del banco de bateriacuteas
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoREGULADOR PWMrdquo o ldquoREGULADOR CON SEGUIMIENTO MPPTrdquo
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWM
La figura 410 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
adquiera la informacioacuten necesaria para encontrar un regulador PWM adecuado
para la aplicacioacuten Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se adquiere la informacioacuten acerca
de Corriente maacutexima de la carga y la informacioacuten pertinente a la configuracioacuten del
arreglo fotovoltaico
Figura 410 Regulador PWM
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Corriente maacutexima de la carga es la corriente a la salida del regulador cuando
todas las cargas esteacuten interconectadas los fabricantes de reguladores PWM
deben especificar dicho paraacutemetro y por tanto se debe tener en cuenta por el
usuario
Dicha corriente se calcula de la siguiente forma
119894119898aacute119909119897119900119886119889 =119875119879119860119862
119907119900 120786 120783
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda
119907119900 tensioacuten del sistema 119894119898119886119909119897119900119886119889 corriente maacutexima de la carga
108
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
Una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a conocer la
informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 del arreglo fotovoltaico corriente de
cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad y corriente mppt en
condiciones STC del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten deberaacute de ser
corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador A
continuacioacuten se explica cada teacutermino
Tensioacuten de operacioacuten del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del nuacutemero de
paneles en serie que el usurario haya escogido en el recuadro de ldquointerconexioacuten
de moacutedulosrdquo y la tensioacuten mpp (119881119898119901) de cada moacutedulo fotovoltaico Cabe resaltar
que esta tensioacuten es calculada bajo las STC (25degc y 1000119882 1198982frasl ) por tanto este
dato no es totalmente real debido a que en algunas aplicaciones discrepan de
dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de la tensioacuten que el arreglo
fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea Se calcula seguacuten la siguiente
expresioacuten
119881119898119901_119886119903119903119886119910 = 119873119901119904119890119903119894119890 119881119898119901 120786 120784
En donde
119881119898119901_119886119903119903119886119910 tensioacuten de operacioacuten o de punto de maacutexima potencia del arreglo
fotovoltaico seguacuten las STC
119873119901119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie escogidos seguacuten configuracioacuten
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia del panel especificado por el fabricante
Corriente de cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad este dato es
funcioacuten del nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la
opcioacuten escogida por el usuario y de la corriente de cortocircuito (119894119888119888) algunos
autores recomiendan aumentar el dato real en un 25 con el fin de que el
regulador de carga pueda soportar esta condicioacuten sin sufrir dantildeos Asiacute entonces el
109
usuario deberaacute escoger un regulador de carga que tenga una capacidad de
corriente mayor o igual a la calculada [10]
Corriente en condiciones STC del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del
nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la opcioacuten
escogida por el usuario y de la corriente de mpp especificada por el fabricante del
moacutedulo Cabe resaltar que esta corriente es calculada bajo las STC (25degC y
1000119882 1198982frasl ) por tanto este dato no es totalmente real debido a que en algunas
aplicaciones discrepan de dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de
la corriente que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a capacidad de corriente de
regulador PWM tensioacuten nominal del regulador y tensioacuten maacutexima admisible por el
regulador PWM Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el regulador es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten tipo de regulador de
carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWM
La figura 411 representa la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
110
Figura 411 verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWM
En la interfaz representada en la figura 46 (Paraacutemetros que definen la estabilidad
del sistema fotovoltaico) se encuentran los espacios para que el usuario
especifique la temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima
que se encuentra en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar esto con el
fin de que el aplicativo calcule los valores de tensioacuten que resulten importantes para
el dimensionamiento tales como tensioacuten maacutexima 119881119898119901 119898aacute119909 del arreglo fotovoltaico
(calculada con la miacutenima temperatura promedio) tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico (calculada con la maacutexima temperatura promedio) y tensioacuten
maacutexima del arreglo fotovoltaico (calculada en condiciones de circuito abierto y
miacutenima temperatura promedio) Todos estos valores se muestran al usuario una
vez escogido el iacutecono ldquoCALCULARrdquo en la interfaz representada en la figura 411
(los caacutelculos obedecen a las ecuaciones 21 22 y 23)
En el recuadro llamado ldquoVerificacioacuten del regulador PWMrdquo se hacen dos
comparaciones una de ellas es acerca del valor de tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico y la tensioacuten 119881119898119894119899119887119886119905 en donde el banco de bateriacuteas estaacute
descargado El software PVSol expert recomienda que la tensioacuten de la bateriacutea no
sea menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo fotovoltaico (119881119898119901)
esto con el fin de evitar que la tensioacuten del arreglo fotovoltaico se aleje mucho de la
tensioacuten de la bateriacutea cabe resaltar que entre mayor sea esta diferencia de
tensiones menor potencia seraacute aprovechada por el sistema fotovoltaico [37 38]
La tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas es funcioacuten del liacutemite de descarga
descrito en la interfaz representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de
111
bateriacuteas) De esta forma es necesario poder calcular la tensioacuten de acuerdo al
liacutemite de descarga Partiendo de la informacioacuten suministrada en la tabla 6 (Estado
de carga de una bateriacutea) se hace una regresioacuten lineal con el fin de poder
encontrar la expresioacuten que involucre la relacioacuten tensioacuten de la bateriacutea vs estado de
descarga de esta forma se tiene lo siguiente
Figura 412 tensioacuten de la bateriacutea VS estado de carga
De la anterior regresioacuten se tiene entonces
119881119898iacute119899119887119886119905 = 0012 119878119900119888 + 116 120786 120785
En donde
119878119900119888 estado de carga de la bateriacutea (State of charge)
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima de la bateriacutea al liacutemite de descarga especificado
El estado de carga de la bateriacutea se puede representar como liacutemite de descarga de
la siguiente manera
119878119900119888 = 100 minus lim 120786 120786
En donde el valor del liacutemite de descarga seraacute el calculado en la interfaz
representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de bateriacuteas) con el nombre de
ldquoliacutemite de descarga adjuntado al arreglordquo
Es usual que la mayoriacutea de bateriacuteas de uso solar trabajen a 12V sin embargo
existen bateriacuteas que tiene valores distintos los maacutes usuales son 2V y 6V a pesar
de esto la construccioacuten de la bateriacutea es la misma por tanto se puede adaptar la
Y = 0012X + 116
114
116
118
12
122
124
126
128
13
0 20 40 60 80 100 120
Tensioacuten de la bateria VS Estado de carga
112
anterior relacioacuten dividiendo entre 2 para el caso de bateriacuteas de 6V y entre 6 para el
caso de bateriacuteas de 2V
Para encontrar entonces la tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas se debe primero
encontrar el nuacutemero de bateriacuteas en serie De la siguiente forma
119873119887119886119905_119904119890119903119894119890 =119881119900
119881119887119886119905 120786 120787
El nuacutemero de bateriacuteas en serie tomaraacute valores enteros siempre y cuando la
bateriacutea tenga tensiones de 12V 6V o 2V En este trabajo se limita el uso de
bateriacuteas con estos tres tipos de tensiones
Una vez encontrado el nuacutemero de bateriacuteas en serie y la tensioacuten miacutenima de la
bateriacutea escogida para la aplicacioacuten se puede encontrar la tensioacuten miacutenima del
banco de bateriacuteas de la siguiente forma
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898119894119899119887119886119905 120786 120788
En donde
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima en funcioacuten del estado de carga de la bateriacutea
Asiacute entonces una vez encontrado el valor de la tensioacuten miacutenima del banco de
bateriacuteas y la tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico el aplicativo verifica los
valores de tensioacuten de la siguiente forma
60 le119881119898iacute119899119887119886119899119888119900 100
119881119898119901 119898iacute119899 120786 120789
En done
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 tensioacuten cuando el banco de bateriacuteas esta descargado
119881119898119901 119898119894119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre menos moacutedulos en serie escoger otro panel con menor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de aumentar el nuacutemero de
bateriacuteas en serie
113
La segunda comparacioacuten que se hace en el recuadro ldquoverificacioacuten de las tensiones
MPPrdquo es acerca de la tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la
maacutexima tensioacuten del banco de bateriacuteas
La tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas seraacute funcioacuten de la tensioacuten maacutexima de
carga de la bateriacutea y el nuacutemero de bateriacuteas en serie
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar al banco de bateriacuteas la tensioacuten necesaria
para cargarlo este dato seraacute funcioacuten de la tensioacuten de carga ciacuteclica (Cyclic
charging voltaje) especificado por el fabricante de la bateriacutea El usuario debe
especificar este dato en la interfaz representada con la figura 48 (Disentildeo del
banco de bateriacuteas)
Una vez especificado la tensioacuten de carga ciacuteclica el aplicativo podraacute calcular la
tensioacuten maacutexima vista desde el arreglo fotovoltaico para cargar el banco de
bateriacuteas a continuacioacuten se muestra coacutemo
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898aacute119909119887119886119905 120786 120790
119873119887119886119905119904119890119903119894119890 nuacutemero de bateriacuteas en serie
119881119898119886119909119887119886119905 tensioacuten maacutexima de la bateriacutea
119881119898119886119909119887119886119899119888119900 tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar la tensioacuten necesaria para que el banco
de bateriacuteas se cargue de manera satisfactoria por tanto en la etapa de disentildeo del
sistema fotovoltaico se debe garantizar que la tensioacuten maacutexima requerida por el
banco de bateriacuteas no sea mayor a la tensioacuten que puede suministrar el arreglo
fotovoltaico de esta forma el aplicativo deberaacute verificar esta situacioacuten
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 lt 119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 120786 120791
En donde
119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo temperatura
promedio miacutenima
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre maacutes moacutedulos en serie escoger otro panel con mayor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de que disminuya el nuacutemero de
bateriacuteas en serie y por tanto la tensioacuten maacutexima de carga del banco
114
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del regulador
El aplicativo propuesto para este trabajo evaluacutea la capacidad de corriente que el
regulador de carga puede transmitir con la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico junto con un factor de seguridad el 25
La corriente de cortocircuito del regulador se calcula seguacuten el nuacutemero de cadenas
en paralelo y la corriente de cortocircuito de cada panel solar De la siguiente
forma
119868119888119888_119886119903119903119886119910 = 119873119904119905119903119894119899119892 119894119888119888 125 120786 120783120782
En donde
119868119888119888_119886119903119903119886119910 corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico
119873119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de cadenas en paralelo seguacuten configuracioacuten escogida
119894119888119888 corriente de cortocircuito del moacutedulo escogido
En la etapa de disentildeo del sistema fotovoltaico este valor de corriente deberaacute ser
menor a la capacidad de corriente maacutexima del regulador de carga con el fin de
que no sufra dantildeos graves bajo esta circunstancia Aunque los valores
especificados por el fabricante del panel solar estaacuten dados bajo las STC es muy
comuacuten que las aplicaciones solares discrepen de dichas condiciones en ciertas
horas del diacutea se puede obtener valores mayores a los 1000119882 1198982frasl lo que
aumentaraacute la produccioacuten de corriente eleacutectrica es por esta razoacuten que se supone
un 25 de factor de seguridad con el fin de darle al regulador un mejor
dimensionamiento en condiciones de mucha radiacioacuten solar
Seguacuten lo anterior el aplicativo deberaacute hacer la siguiente verificacioacuten
119868119888119888_119886119903119903119886119910 lt 119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120783
En donde
119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 corriente maacutexima del regulador PWM especificada por el fabricante
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de cadenas del arreglo yo cambiando el regulador PWM por otro con
mayor capacidad de corriente
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador
115
En la seccioacuten 4221 se hacen las verificaciones pertinentes a las tensiones de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico para este caso se hace algo muy similar solo
que ya no se tienen en cuenta la tensioacuten de operacioacuten del panel solar si no la
tensioacuten de circuito abierto y junto con la temperatura promedio miacutenima producen la
mayor tensioacuten que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar Asiacute entonces se busca
que el regulador de carga sea capaz de soportar dicha condicioacuten y por tanto en la
etapa de disentildeo se necesita que el aplicativo calcule este dato
Asiacute entonces al aplicar la ecuacioacuten 21 se obtiene el valor de la tensioacuten maacutexima
del arreglo fotovoltaico y en la interfaz descrita en la anterior figura el aplicativo
verificaraacute que dicha tensioacuten no sea mayor a la maacutexima que el regulador de carga
PWM pueda soportar De esta forma se tiene
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 lt 119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120784
119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 tensioacuten maacutexima del regulador de carga especificada por el
fabricante
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de paneles en serie del arreglo escogiendo otro panel que tenga menor
tensioacuten de circuito abierto yo cambiando el regulador PWM por otro con mayor
capacidad de tensioacuten
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor
El aplicativo propuesto para este trabajo verifica que los valores de tensioacuten DC y
potencia maacutexima del grupo de cargas del sistema fotovoltaico sean adecuados
con los valores del inversor escogido el usuario tendraacute entonces una valoracioacuten
acerca de si el dispositivo se puede usar para la aplicacioacuten a desarrollar o si por el
contrario es necesario cambiarlo
En la interfaz representada en la figura 45 (Modelamiento del inversor autoacutenomo)
se entrega al usuario la informacioacuten acerca de la potencia maacutexima que el conjunto
de cargas alcanzariacutea si todo estuviese interconectado a la vez Este trabajo
propone que el inversor sea capaz de soportar dicha situacioacuten con el fin de que
116
las personas beneficiadas de la instalacioacuten solar no tengan limitantes respecto al
nuacutemero de aparatos eleacutectricos que quieran interconectar para lograr esto el
aplicativo verificaraacute que la potencia del inversor escogido por el usuario pueda
operar bajo dicho evento De esta forma se tiene
119875119879119860119862 lt 119875119894119899119907119890119903119904119900119903 120786 120783120785
119875119879119860119862 potencia maacutexima de la demanda
119875119894119899119907119890119903119904119900119903 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga el
cambio pertinente del inversor debido a que este no podraacute trabajar bajo esas
circunstancias
La otra verificacioacuten que el aplicativo hace es acerca de la tensioacuten nominal de
entrada al inversor que es de caraacutecter continuo Este valor deberaacute ser igual a la
tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten a la que operaraacute el banco de
bateriacuteas De esta forma se tiene que
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 = 1198810 120786 120783120786
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 tensioacuten nominal a la entrada del inversor
1198810 tensioacuten del sistema
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y cambie
el inversor por uno que se acople a la tensioacuten escogida del sistema a desarrollar
Con esta comparacioacuten termina el modelamiento de un sistema fotovoltaico aislado
con regulador PWM usando el aplicativo propuesto
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPT
La figura 413 representa la interfaz para modelar un sistema fotovoltaico con
regulador MPPT para acceder a esta el usuario deberaacute escoger el iacutecono
ldquoREGULADOR MPPTrdquo en la interfaz representada con la figura 49 (Seleccioacuten tipo
de regulador de carga)
117
Figura 413 Regulador MPPT
En esta interfaz se entrega al usuario informacioacuten necesaria para encontrar un
regulador tipo MPPT que se ajuste al arreglo fotovoltaico dicha informacioacuten
aparece cuando el usuario escoge el iacutecono ldquoCALCULARrdquo y se describe a
continuacioacuten
Corriente maacutexima de la carga al igual que con el regulador PWM el regulador
MPPT tiene un valor maacuteximo de corriente a la salida para el cual fue disentildeado por
tanto se busca que el regulador sea capaz de soportar la corriente maacutexima de la
carga calculada con la expresioacuten 41
Potencia fotovoltaica instalada este dato da al usuario un indicio del regulador
MPPT que debe escoger debido a que es la potencia que debe transmitir a las
cargas Se calcula de la siguiente forma
119875119891119907_119894119899119904119905 = 119873119901119886119899119890119897119890119904 119875119898119901119901 120786 120783120787
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles calculados
119875119898119901119901 potencia del panel en condiciones STC
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
118
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
De manera similar a la interfaz que representa al modelamiento del regulador
PWM una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a
conocer la informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 (punto de maacutexima potencia) del
arreglo fotovoltaico y corriente de cortocircuito del arreglo esta informacioacuten deberaacute
de ser corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Potencia nominal DC del regulador este dato es especificado por el fabricante del
regulador y significa la cantidad de potencia que el regulador MPPT puede
transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y al banco de bateriacuteas En
algunas eacutepocas del antildeo los arreglos fotovoltaicos pueden producir maacutes potencia
de la especificada por el fabricante del regulador este podraacute soportar dicha
situacioacuten pero solo aprovecharaacute la potencia especificada por el fabricante el resto
la desecharaacute
Tensioacuten maacutexima admisible por el regulador como todo dispositivo electroacutenico los
reguladores de carga tipo MPPT poseen un liacutemite de tensioacuten maacutexima este dato es
especificado por el fabricante y depende netamente de su construccioacuten y
componentes operar por encima de dicho liacutemite podraacute dantildear el regulador o reducir
su esperanza de vida Aunque algunos fabricantes de reguladores poseen una
proteccioacuten contra sobretensiones se recomienda instalar protecciones por aparte
tales como DPS (Dispositivo de Proteccioacuten contra Sobretensiones) en la entrada
de regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con el fin de brindarle un mayor
respaldo al regulador
Maacutexima corriente a la entrada del regulador MPPT al igual que en el caso de la
tensioacuten los reguladores de carga MPPT poseen un liacutemite de corriente que
depende netamente de la construccioacuten del dispositivo estos valores son
especificados en las hojas teacutecnicas del regulador facilitadas por el fabricante con
el fin de que el usuario sepa cuanta corriente el arreglo fotovoltaico puede debe
producir para no dantildear el dispositivo Aunque algunos fabricantes de reguladores
poseen una proteccioacuten contra sobre-corrientes se recomienda instalar
protecciones en la entrada del regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con
119
el fin de abrir el circuito del sistema cuando se desea hacer un mantenimiento o
reparar el regulador y brindarle un mayor respaldo contra fallas al regulador
Liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor miacutenimo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por debajo de este liacutemite causaraacute que el regulador se apague por tanto se intenta
que la tensioacuten de operacioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico calculada con la
maacutexima temperatura promedio sea mayor a este valor asiacute se garantiza que el
arreglo fotovoltaico opere en el punto de maacutexima potencia en todo momento
Liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por encima de este liacutemite implica que el regulador no rastrearaacute el punto de maacutexima
potencia y si alcanza valores muy elevados pondraacute en riesgo el funcionamiento del
regulador por tanto se intenta que la tensioacuten de operacioacuten maacutexima del arreglo
fotovoltaico que es calculada con la temperatura promedio miacutenima sea menor a
este valor asiacute se garantiza que el arreglo fotovoltaico opere en el punto de
maacutexima potencia y no se ponga en riesgo el funcionamiento del dispositivo
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a tensioacuten maacutexima admisible por
el regulador potencia nominal DC del regulador maacutexima corriente a la entrada del
regulador MPPT liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante y liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el inversor es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten de tipo de regulador
de carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoVERIFICACIOacuteN DEL SISTEMArdquo
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPT
La figura 414 representa a la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
120
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPT
De manera similar a la seccioacuten 4221 (Verificacioacuten de las tensiones MPP usando
regulador PWM) el aplicativo calcula las tensiones maacuteximas y miacutenimas en funcioacuten
de la temperatura promedio miacutenima y maacutexima respectivamente la gran diferencia
radica en que la verificacioacuten no se hace respecto a las tensiones de carga y
descarga del banco de bateriacuteas si no respecto a la ventana de tensioacuten de
seguimiento de punto de maacutexima potencia del regulador MPPT que es
especificado por el fabricante De esta manera en la etapa de verificacioacuten del
sistema el aplicativo deberaacute hacer las siguientes comparaciones
119881119898119901 119898iacute119899 gt 119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 120786 120783120788
119881119898119901 119898aacute119909 le 119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 120786 120783120789
En donde
119881119898119901 119898iacute119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo miacutenima temperatura
promedio
119881119898119901 119898aacute119909 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 liacutemite de tensioacuten miacutenima de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
121
119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 liacutemite de tensioacuten maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
Si alguna de las anteriores expresiones no se cumplen en el recuadro de
recomendaciones se hace un comentario con el fin de que el usuario se entere de
dicha situacioacuten y haga los cambios pertinentes tales como escoger otra
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que ajuste los niveles de tensioacuten del inversor
escoger otro panel con mejor caracteriacutesticas de tensioacuten o escoger otro inversor
cuya ventana de tensioacuten se ajuste a las caracteriacutesticas del arreglo fotovoltaico
42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador
MPPT
Seguacuten las caracteriacutesticas constructivas del regulador y sus componentes el
regulador podraacute transmitir cierta cantidad de potencia desde el arreglo fotovoltaico
hacia las cargas por tanto en la etapa de disentildeo se intenta que el regulador tipo
MPPT tenga un liacutemite de potencia tal que sea mayor a la potencia del arreglo
fotovoltaico De esta forma el aplicativo deberaacute verificar lo siguiente
119875119891119907_119894119899119904119905 le 119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 120786 120783120790
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada (ver expresioacuten 415)
119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 potencia DC a la entrada del regulador de carga tipo MPPT
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten Se
recomendaraacute cambiar de regulador por otro con mayor capacidad de potencia con
el fin de aprovechar la potencia generada por el arreglo suponiendo las STC cabe
aclarar que hay eacutepocas del antildeo en donde se puede encontrar una irradiancia
mayor a los 1000119882 1198982frasl por tanto el arreglo fotovoltaico podraacute generar mayor
potencia eleacutectrica que la estipulada por la potencia fotovoltaica calculada bajo las
STC (ver expresioacuten 415) esta situacioacuten no pone en riesgo el regulador de carga
debido a que el regulador solo entregaraacute la potencia nominal y el resto no la
aprovecharaacute generando sistemas fotovoltaicos maacutes ineficientes
Las demaacutes verificaciones de caracteriacutesticas eleacutectricas del regulador MPPT y del
inversor tales como corriente maacutexima del regulador tensioacuten maacutexima del regulador
tensioacuten nominal del inversor y potencia AC del inversor seraacuten iguales a las
realizadas en el caso de las secciones 4222 4223 y 4224 (verificacioacuten de la
122
corriente nominal del regulador verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador y
verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor respectivamente)
De esta manera finaliza la descripcioacuten del aplicativo respecto a sistemas
fotovoltaicos aislados o autoacutenomos con esta propuesta se intenta que la empresa
Colombian Solar Systems SAS pueda disentildear sistemas fotovoltaicos de manera
sencilla y raacutepida teniendo en cuenta la teoriacutea respecto a dichos sistemas existente
en el capiacutetulo dos
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de
bateriacuteas con aplicativo propuesto
En la interfaz representada en la figura 42 (seleccioacuten de tipo de sistema
fotovoltaico) al seleccionar ldquoSISTEMA INTERCONECTADO A REDrdquo el aplicativo
hace llamado a la interfaz descrita en la figura 415
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
La figura 415 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique la radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (paraacutemetro en
kWhm2 explicado en la seccioacuten 222 Recurso solar) el consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (paraacutemetro en kWhmes explicado en la seccioacuten 322 Estudio del consumo anual) y el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar (explicado en la seccioacuten 323) El usuario podraacute entregar estos datos llenando la tabla correspondiente sin embargo suele ser arduo digitar todos estos datos por lo que el aplicativo podraacute importar los datos desde una tabla de Excel para esto el usuario debe seleccionar el ldquoradio buttonrdquo llamado ldquoExportar datos de Excelrdquo una vez seleccionado
123
apareceraacute un botoacuten llamado ldquoAbrir formato para importacioacutenrdquo el cual hace un llamado a un archivo Excel con las siguientes caracteriacutesticas mostradas en la figura 416
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel
Las herramientas encargadas de calcular el recurso solar en una superficie inclinada en una zona especiacutefica comuacutenmente tienen la opcioacuten de exportar los datos a una tabla de Excel lo que facilitaraacute que el usuario pueda pegar dichos datos al formato de importacioacuten llamado desde el aplicativo Una vez listos los datos en el formato se debe seleccionar la regioacuten que se desea exportar a Matlab y regresar a la interfaz descrita en la figura 415 en donde aparece un mensaje descrito en la imagen a continuacioacuten
124
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab
Al seleccionar ldquoOKrdquo aparecen los datos correspondientes en la tabla de la interfaz
representada en la figura 415 (paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema
interconectado a red)
Ya con los datos de consumo y recurso solar el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten correspondiente al porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar este dato determinaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico y del
inversor y por tanto dependeraacute del presupuesto que se disponga para la
instalacioacuten solar tambieacuten se recomienda que no sea un valor muy grande debido
a que es muy probable que se ldquoempujerdquo energiacutea a la red cabe recordar que en un
entorno como el de Colombia no generaraacute ninguna ventaja econoacutemica bajo esta
situacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca seleccioacuten tipo de sistema fotovoltaico
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 418 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario se
pueda enterar de lo que seraacute el arreglo fotovoltaico para cumplir con el porcentaje
de consumo que se desea suplir con energiacutea solar seguacuten su consumo a lo largo
de un antildeo proporcionado por la empresa prestadora del servicio y del recurso
solar en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar para esto el usuario
deberaacute escoger en la interfaz graacutefica el botoacuten ldquoCALCULARrdquo Cabe resaltar que el
resultado entregado en este paso es la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
que no siempre seraacute divisible exactamente por la potencia en STC de un panel
fotovoltaico por tanto es necesario que el usuario entregue a continuacioacuten las
125
caracteriacutesticas del panel solar que se desea usar se debe intentar escoger un
moacutedulo tal que al utilizar varios moacutedulos de estos la suma de potencia se aproxime
tanto como sea posible a la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
anteriormente calculada de esto dependeraacute que el arreglo fotovoltaico produzca el
porcentaje de consumo que se requiere suplir con energiacutea solar y no un porcentaje
mucho mayor (debido a que el aplicativo estaacute programado para aproximar el
nuacutemero de paneles al entero mayor maacutes cercano)
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada
Una vez entregada la informacioacuten del panel que se desea utilizar el usuario podraacute
conocer el nuacutemero de paneles que se necesitan para la aplicacioacuten para esto el
usuario debe escoger en el recuadro llamado ldquoPotencia fotovoltaica instaladardquo el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo a continuacioacuten aparece el nuacutemero de moacutedulos necesarios la
potencia fotovoltaica instalada y la posible interconexioacuten de los paneles seguacuten el
nuacutemero de paneles calculado
El aplicativo calcularaacute los valores de tensioacuten miacutenimos y maacuteximos en operacioacuten del
arreglo fotovoltaico seguacuten la configuracioacuten escogida por el usuario Seguacuten las
expresiones 21 22 y 23 (tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de
temperatura baja promedio tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico
bajo la influencia de una temperatura alta promedio y tensioacuten maacutexima de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de una temperatura baja
promedio respectivamente) el usuario deberaacute consultar los valores de temperatura
promedio miacutenima y maacutexima en la zona en donde se desea hacer la instalacioacuten del
arreglo fotovoltaico esto con el fin de que el aplicativo pueda verificar que los
126
niveles de tensioacuten del arreglo fotovoltaico sean adecuados para el inversor
interactivo con la red escogido por el usuario Por tanto el usuario deberaacute entregar
los datos de temperatura en los espacios pertinentes en la parte inferior de la
interfaz
Una vez entregados los datos de temperatura el usuario podraacute escoger la
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico (nuacutemero de paneles en serie y nuacutemero de
cadenas en paralelo) desplegando el ldquopop-up menuacuterdquo en el recuadro de
ldquointerconexioacutenrdquo Una vez seleccionada la opcioacuten aparece el dato de tensioacuten mpp
del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten daraacute un indicio del valor de tensioacuten que el
arreglo fotovoltaico podraacute alcanzar en STC y seguacuten el nuacutemero de paneles en serie
especificado en la opcioacuten escogida por el usuario
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de los paraacutemetros de consumo y
recurso solar del sistema interconectado a red seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute
continuar con el disentildeo seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 419 representa la interfaz que pretende que el usuario reciba la
informacioacuten necesaria para que pueda escoger un inversor interactivo con la red
que se adapte al arreglo fotovoltaico para esto el usuario debe seleccionar el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo en el recuadro ldquomodelamiento del inversor interactivo con la
redrdquo A continuacioacuten apareceraacute la informacioacuten pertinente a corriente de
cortocircuito del arreglo tensioacuten MPP del arreglo fotovoltaico y potencia
fotovoltaica calculada Dichos conceptos son iguales a los del sistema autoacutenomo
por tanto se calculan seguacuten las expresiones 410 42 y 415 respectivamente
127
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica
El usuario en primera instancia deberaacute buscar un inversor interactivo con la red
que pueda operar la potencia del arreglo fotovoltaico y se adapte a los valores
nominales de la red (tensioacuten frecuencia y fase en el caso de un inversor trifaacutesico)
una vez encontrado un inversor candidato el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten pertinente a dicho inversor en los espacios ubicados en la parte
inferior de la interfaz Debido a que el inversor interactivo con la red tiene
caracteriacutesticas similares al regulador con seguimiento MPP los conceptos
pertinentes a potencia nominal del inversor tensioacuten maacutexima admisible por el
inversor corriente maacutexima a la entrada del inversor eficiencia del inversor y liacutemite
miacutenimo y maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificada por el fabricante seraacuten
los mismos a los utilizados en la seccioacuten 4213 (modelamiento del sistema
usando regulador mppt)
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del caacutelculo de potencia fotovoltaica
instalada seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 420 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
identifique posibles errores del inversor candidato (escogido en la interfaz
representada en la figura 419 inversor interactivo con la red eleacutectrica) el
aplicativo se encarga de hacer sugerencias en el disentildeo del sistema de acuerdo al
error encontrado en el caacutelculo Debido a que este tipo de inversores tiene
caracteriacutesticas similares al de un regulador con seguimiento mpp de un sistema
autoacutenomo las verificaciones realizadas en la seccioacuten 4214 (verificacioacuten sistema
aislado con regulador mppt) seraacuten las mismas que para este caso
128
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red
Adicional a la verificacioacuten de sistema fotovoltaico interactivo con la red el
aplicativo calcula un informe en donde resume el comportamiento del sistema mes
a mes El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del inversor interactivo con la
red eleacutectrica seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con la interfaz acerca del
informe del sistema interconectado a red seleccionando ldquoINFORMErdquo
La figura 421 representa la interfaz que muestra el comportamiento de un sistema
fotovoltaico interconectado a red a lo largo del antildeo El diagrama de barras
muestra la demanda de energiacutea y la energiacutea que el sistema fotovoltaico produce
mes a mes de acuerdo a la potencia fotovoltaica instalada que en este caso es de
15kW la variacioacuten de la produccioacuten energeacutetica por parte del sistema fotovoltaico
dependeraacute de la variacioacuten del recurso solar mes a mes en la zona donde se
requiere de la instalacioacuten en este caso se usoacute la informacioacuten proporcionada por el
software PVSol para un plano inclinado a 10deg acimut 0deg y los datos de medicioacuten
hechas en la estacioacuten del Aeropuerto Matecantildea La primera fila de la tabla
muestra el paraacutemetro 119919119956119953119946119940119952 (Vector horas solar pico a lo largo del antildeo en hd)
que resume el comportamiento del recurso solar en el antildeo de estudio dicha tabla
tambieacuten contiene informacioacuten acerca de la demanda de energiacutea eleacutectrica
especificada como en la seccioacuten 322 la generacioacuten de energiacutea por parte del
arreglo bajo el recurso solar especificada como 120643119943 119946 en la seccioacuten 331 y
porcentaje de energiacutea que el sistema fotovoltaico produce con respecto a la
demanda especificado en la seccioacuten 323 Esto con el fin de que el usuario pueda
observar en una misma interfaz la influencia del recurso solar con la generacioacuten de
129
energiacutea del sistema fotovoltaico y el comportamiento de lo que seraacute el arreglo
fotovoltaico
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red
Esta interfaz termina con el resumen anual de la produccioacuten energeacutetica del sistema el consumo de energiacutea anual y el porcentaje que el sistema fotovoltaico produciraacute al final del antildeo en funcioacuten del tamantildeo del arreglo fotovoltaico del recurso solar y de la eficiencia del inversor interactivo con la red De esta forma se pretende aplicar la teoriacutea acerca de sistemas fotovoltaicos vista
en los anteriores 3 capiacutetulos en un aplicativo para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos propuesta presentada para la empresa Colombian Solar Systems
SAS a manera de praacutectica conducente a trabajo de grado A continuacioacuten se
presenta la comparacioacuten respecto a dos metodologiacuteas de disentildeo la primera
mediante el aplicativo propuesto en este capiacutetulo y la segunda con la simulacioacuten
desarrollada por el software PVSol expert
130
Capiacutetulo 5
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En este capiacutetulo se pretende exponer y comparar los resultados obtenidos por la
metodologiacutea planteada para el aplicativo propuesto para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos y la metodologiacutea de simulacioacuten mediante software comercial
PVSOLreg
Para corroborar la viabilidad de los disentildeos del aplicativo se propuso comparar sus
resultados con los obtenidos por otra metodologiacutea para este caso se utilizoacute la
simulacioacuten en un software especializado PVSOLreg Se propuso desarrollar 4
sistemas fotovoltaicos aislados y 3 sistemas fotovoltaicos interconectados a red
todos desarrollados en territorio colombiano y adquiridos bajo la experiencia de la
empresa Colombian Solar Systems SAS Con esta comparacioacuten se pretende
verificar si los disentildeos obtenidos por el aplicativo son resultados similares o si por
el contrario son muy alejados a los obtenidos por el software cabe resaltar que al
encontrar resultados similares no se garantiza un disentildeo enteramente confiable
sin embargo se puede dar un excelente indicio de un sistema fotovoltaico que esteacute
cercano a suministrar el 100 de la demanda si por el contrario se encuentran
resultados con un amplio margen de error se motiva el estudio para buscar una
metodologiacutea que tenga en cuenta nuevas teoriacuteas y nuevos estudios Sin embargo
para abordar claramente dicha comparacioacuten es necesario hacer una descripcioacuten
acerca de la metodologiacutea sobre disentildeo de sistemas fotovoltaicos con el software
PVSOLreg
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreg
El software PVSOLreg ofrece a los ingenieros y arquitectos una metodologiacutea faacutecil de
usar disentildeada para la praacutectica real tanto para el dimensionamiento como para el
disentildeo la simulacioacuten dinaacutemica y la evaluacioacuten de rendimientos para instalaciones
de energiacutea solar fotovoltaica Estaacute disentildeado tanto para sistemas conectados a red
con inyeccioacuten total asiacute como para sistemas con inyeccioacuten del excedente a la red
El software PVSOLreg puede simular el almacenamiento de energiacutea en sistemas
con bateriacuteas e importar perfiles de carga medidos en pasos de 15 minutos y 1
minuto Ademaacutes puede calcular las peacuterdidas en las cadenas y las peacuterdidas por el
cableado ACDC por inversor Tambieacuten incluye la herramienta de visualizacioacuten en
3D y un caacutelculo detallado de las sombras en instalaciones conectadas a la red con
131
los moacutedulos tanto paralelos como integrados en la cubierta asiacute como sistemas
montados en tejado y en aacutereas libres
Estas son algunas caracteriacutesticas destacadas del software
Acceso a los datos climaacuteticos de maacutes de 8000 lugares en el mundo
Archivo completo con maacutes de 13000 moacutedulos y 3100 inversores
Caacutelculo graacutefico del nuacutemero de moacutedulos en el tejado con configuracioacuten de
varios tipos de tejado
Detallado caacutelculo de sombras con simulacioacuten 3D
Estas caracteriacutesticas sumadas con una experiencia de 20 antildeos en la simulacioacuten
de sistemas fotovoltaicos hace de esta una herramienta importante y por esta
razoacuten se propone usarla como referencia para comparar los resultados del disentildeo
generados por el aplicativo propuesto en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se dan las descripciones generales de los sistemas autoacutenomos
base con los que se haraacute la comparacioacuten
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASE
Los sistemas fotovoltaicos piloto utilizados en este trabajo han sido aportados por
una base de datos propia de la empresa Colombian Solar Systems SAS esta
contiene peticiones de usuarios para soluciones energeacuteticas con sistemas
fotovoltaicos en distintos lugares del paiacutes
A continuacioacuten se presenta las caracteriacutesticas de demanda recurso solar y
estabilidad para cada piloto
521 Piloto sistema aislado 1
La primera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
132
Nuacutemero
de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de
la carga
6 12 4 Bombillos led
2 120 4 Televisor
2 180 6 Portaacutetil
1 200 1 Impresora
1 15 24 Modem
1 180 10 Nevera
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1
Los datos expuestos en la tabla 51 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
171971422 13148
1067 952 8949 9823 11232118021346712939
15553
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
133
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
Horas
solar pico
Enero 171972 555
Febrero 142198 508
Marzo 131477 424
Abril 106698 356
Mayo 95201 307
Junio 89485 298
Julio 98228 317
Agosto 112321 362
Septiembre 118016 393
Octubre 134671 434
Noviembre 129391 431
Diciembre 155527 502
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 298 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
134
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 298
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1
522 PILOTO SISTEMA AISLADO 2
La propuesta dos tiene como objetivo resaltar la importancia del recurso solar en
el lugar donde se desea hacer la instalacioacuten al igual que analizar la importancia de
ajustar a valores adecuados la inclinacioacuten del arreglo de esta forma se planteoacute las
mismas condiciones de la propuesta 1 (tabla 51 Datos de consumo de la
propuesta 1) pero con el recurso solar obtenido en la estacioacuten climatoloacutegica del
aeropuerto en la Isla de San Andreacutes y ajustando la inclinacioacuten a un valor cercano a
la latitud El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se expondraacute a
continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la simulacioacuten
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San
Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la Irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
1684718425 204617784
13987136571332714115160591538113019
15325
050
100150200250
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 15degy acimut 0deg
135
MES IRRADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16847 543
Febrero 18425 658
Marzo 2046 66
Abril 17784 593
Mayo 13987 451
Junio 13657 455
Julio 13327 43
Agosto 14115 455
Septiembre 16059 535
Octubre 15381 496
Noviembre 13019 434
Diciembre 15325 494
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 43 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
136
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 43
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2
523 PILOTO SISTEMA AISLADO 3
La tercera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 60 2 Purificador de
agua
1 30 4 Equipo de
sonido
1 80 5 Televisor
1 10 3 Circuito de carga
para celular
6 9 5 Bombillos led
1 80 12 Nevera
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3
Los datos expuestos en la tabla 56 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
con una inclinacioacuten de 10deg
137
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16417 53
Febrero 14159 506
Marzo 13941 45
Abril 11912 397
Mayo 11229 362
Junio 10858 362
Julio 11813 381
Agosto 12913 417
Septiembre 12807 427
Octubre 13706 442
1641714159 13941
11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 1272314889
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 10deg y acimut 0deg
138
Noviembre 12723 424
Diciembre 14889 48
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 362
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3
524 Piloto Sistema Aislado 4
La cuarta propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Perales ubicado en la ciudad de Ibagueacute en el
departamento de Tolima el usuario solicita una solucioacuten para iluminar un sendero
peatonal con iluminacioacuten led y un sistema fotovoltaico el ensamble de todo el
sistema se realizaraacute en un poste por lo que el sistema fotovoltaico deberaacute ser
pequentildeo y liviano El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 100 12 Iluminaria Led
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4
139
Los datos expuestos en la tabla 59 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Perales
con una inclinacioacuten de 10deg
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 14149 456
Febrero 11943 427
Marzo 12779 412
Abril 10328 344
Mayo 10725 346
1414911943 12779
10328 1072512195
10867 992811646 12202 12507 12695
0
50
100
150
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
140
Junio 12195 407
Julio 10867 351
Agosto 9928 32
Septiembre 11646 388
Octubre 12202 394
Noviembre 12507 417
Diciembre 12695 41
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 32
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 15
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4
Ya con los datos de recurso solar tiempo de recuperacioacuten del sistema y diacuteas de
autonomiacutea se puede desarrollar el disentildeo del sistema fotovoltaico que constaraacute
del caacutelculo de la potencia fotovoltaica necesaria y de la capacidad del banco de
bateriacuteas debido a que a partir de estos dos datos se calcula el nuacutemero de
moacutedulos y de bateriacuteas dependiendo de la capacidad de potencia y capacidad de
almacenamiento respectivamente
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMO
Los resultados de las anteriores propuestas para sistemas aislados se presentan
como la potencia fotovoltaica calculada y la capacidad necesaria del banco de
141
bateriacuteas con estos dos paraacutemetros el usuario podraacute calcular el nuacutemero de paneles
y bateriacuteas dependiendo de la potencia del panel que se desea usar y de la
capacidad de almacenamiento de la bateriacutea en particular respectivamente
(expresiones 225 y 212) Para el caacutelculo se supone una eficiencia del inversor del
90 y una eficiencia de la bateriacutea del 80 estos valores son usualmente
acogidos para disentildeos de sistemas fotovoltaicos [10]
A continuacioacuten se presentan los resultados de la simulacioacuten en el software
PVSOLreg y con el aplicativo propuesto para este trabajo
Resultados Piloto 1
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
2620 W 4807 Ah
Aplicativo 26703 W 534 Ah Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
Para este disentildeo descrito en la tabla 512 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900)
de 48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 2
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
1818 W 4807 Ah
Aplicativo 17389 W 534 Ah Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 513 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 3
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
731 W 4757 Ah
Aplicativo 7289 W 5864 Ah Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
142
Para el disentildeo descrito en la tabla 514 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 4
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
495 200 Ah
Aplicativo 48611 2777 Ah Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 515 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
54 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A RED
Las consultas por usuarios a la empresa Colombian Solar Systems SAS acerca
de este tipo de sistemas son menores que para el caso del sistemas fotovoltaicos
aislados sin embargo la base de datos que proporciona esta empresa puede
suministrar varias propuestas que se estudiaraacuten en esta seccioacuten
541 Piloto sistema interconectado a red 1
Esta propuesta fue solicitada por un usuario que necesitaba disminuir el consumo
de energiacutea eleacutectrica por parte de la electrificadora encargada en un eco hotel de
su propiedad por tanto acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 8220
Febrero 6120
Marzo 6960
Abril 8340
143
Mayo 6600
Junio 6660
Julio 6540
Agosto 7560
Septiembre 7320
Octubre 7800
Noviembre 9060
Diciembre 7800
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para el lugar exacto donde se
desea hacer la instalacioacuten solar A continuacioacuten se ilustra la interfaz graacutefica con la
que un usuario deberaacute interactuar para seleccionar el recurso solar en un lugar
exacto
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
144
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para
una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
En esta propuesta se plantea un 10 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
542 Piloto sistema interconectado a red 2
Esta propuesta fue solicitada por un grupo de usuarios que requieren alimentar
parte de su consumo con energiacutea solar en una zona residencial en la ciudad de
Bogotaacute por tanto se acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso A continuacioacuten se presenta el consumo de
energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 823912
Febrero 744176
Marzo 823912
Abril 765136
Mayo 790644
Junio 76422
Julio 79926
Agosto 79926
1753 15272 15053 13025 12342 11971 12925 14025 1392 14819 13835 16002
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
145
Septiembre 77348
Octubre 793868
Noviembre 76826
Diciembre 793868
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica
ubicada en el aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute La siguiente tabla
ilustra los datos obtenidos seguacuten el software PVSOLreg
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la
ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
543 Piloto sistema interconectado a red 3
Esta propuesta fue solicitada por un usuario en la ciudad de Pasto para una
residencia el usuario busca disminuir el consumo de energiacutea por parte de la
electrificadora encargada y servir de referente para los demaacutes usuarios en la
unidad residencial haciacutea el autoconsumo con energiacuteas renovables por tanto se
acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para solicitar un estudio de
un sistema fotovoltaico interconectado a la red Cabe resaltar que entre los
requerimientos del usuario estaacute el uso de una superficie inclinada a 10ordm y
orientacioacuten Norte (acimut 180ordm) para la instalacioacuten del arreglo fotovoltaico
1640914048 13989
11946 11222 10765 1178 12819 12832 13638 1279614967
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
146
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en un antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 205978
Febrero 186044
Marzo 205978
Abril 191284
Mayo 197661
Junio 191055
Julio 199815
Agosto 199815
Septiembre 19337
Octubre 198467
Noviembre 192065
Diciembre 198467
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg bajo el meacutetodo de
interpolacioacuten debido a la ausencia de una estacioacuten climatoloacutegica con nexo a la
base de datos de MeteoSyn (programa encargado de estudios sobre recurso solar
para software PVSOLreg) La siguiente tabla ilustra los datos obtenidos seguacuten el
software PVSOLreg
147
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto
(Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADOS A RED
Para sistemas interconectados a la red el software PVSOLreg analiza el nuacutemero de
paneles que el usuario quiera implementar pero no consulta el porcentaje de
consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar por parte del arreglo
fotovoltaico cabe recordar que este uacuteltimo es un paraacutemetro fundamental para el
dimensionamiento del arreglo fotovoltaico por parte del aplicativo propuesto por
este trabajo asiacute entonces se analizoacute en primera instancia cada propuesta con el
aplicativo teniendo en cuenta el porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar por parte del arreglo fotovoltaico para cada propuesta para asiacute
calcular un nuacutemero de paneles necesario que seraacute usado por el software
PVSOLreg Esto con el fin de que ambas metodologiacuteas calculen la energiacutea que un
sistema fotovoltaico podraacute suministrar a lo largo del antildeo del estudio
Dicha comparacioacuten ayudaraacute a verificar si el arreglo fotovoltaico calculado por el
aplicativo produce valores de energiacutea al antildeo similares o muy alejados a los
calculados por el software PVSOLreg cabe resaltar que el software calcula la
energiacutea que el arreglo produce cada diacutea del antildeo de acuerdo a la irradiacioacuten
exportada del recurso solar en el lugar donde se desea implementar el arreglo
fotovoltaico esto hace que sea una metodologiacutea adecuada para la comparacioacuten
A continuacioacuten se muestran los resultados para cada propuesta
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1
12384 10757 12208 12019 1265814763 13517 13448 13364 1283 11727 10961
0
50
100
150
200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 15degACIMUT 180deg
148
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 516 y
el recurso solar expuesto en la figura 56 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
La tabla 519 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 1
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 1
Consumo anual 88980kWh
Porcentaje de energiacutea (dato inicial) 10
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 17072kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 24
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 9034kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 8235kWh
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red
149
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 517 y
el recurso solar expuesto en la figura 57 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
La tabla 520 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 2
Consumo anual 9440kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 1572 kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 9
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 311987kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 2912kWh
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red
150
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 518 y
el recurso solar expuesto en la figura 58 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
La tabla 521 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 3
Consumo anual 2360kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 15066 kWhm2
Potencia del panel 180W
Nuacutemero de paneles 3
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 732kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 671kWh
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red
151
56 CONCLUSIONES
Basado en el trabajo de realizado y resultados obtenidos se concluye que
La potencia fotovoltaica calculada para los pilotos correspondientes a sistemas
aislados para ambas metodologiacuteas es similar maacutes no igual esto es debido a que
las metodologiacuteas usan distintas maneras para calcular un arreglo fotovoltaico Sin
embargo los resultados obtenidos no superan un rango de error mayor al 5 lo
que da un indicio de un disentildeo acertado del arreglo fotovoltaico
La capacidad del banco de bateriacuteas para las propuestas de sistemas aislados
involucran unas diferencias considerables para ambas metodologiacuteas es tal el caso
de obtener errores superiores al 11 Cabe resaltar que la simulacioacuten del banco
de bateriacuteas mediante el aplicativo para las cuatro propuestas fueron calculados
teniendo en cuenta perdidas en el inversor y en las bateriacuteas (10 y 20
respectivamente) sin embargo al no tener en cuenta dichas peacuterdidas la capacidad
del banco calculada por el aplicativo para cada uno de los casos es la misma que
la calculada por el software PVSOLreg lo que podriacutea significar que el software
PVSOLreg no tiene en cuenta dichas peacuterdidas a la hora de dimensionar un banco
de bateriacuteas Acoger esta premisa significariacutea ir en contra a lo propuesto por este
trabajo que es siempre tener en cuenta las peacuterdidas de los dispositivos con el fin
de preservar la esperanza de vida de las bateriacuteas y cumplir con el tiempo de
autonomiacutea especificado por el usuario para la aplicacioacuten
Para el caso de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red la diferencia de
produccioacuten de energiacutea bajo un antildeo de estudio calculada por ambas metodologiacuteas
no es mayor al 10 siendo para todos los casos la energiacutea calculada por el
software menor a la calculada por el aplicativo Esto puede significar que el
software tiene en cuenta otras peacuterdidas que el aplicativo no sin embargo las
diferencias no son significativas
152
57 RECOMENDACIONES
Con este trabajo se pretende plantear una metodologiacutea de disentildeo de sistemas
fotovoltaicos mediante el entorno graacutefico de Matlab sin embargo se podriacutea motivar
para trabajos futuros el estudio para desarrollar esta misma metodologiacutea en otros
ambientes graacuteficos con el fin de que el aplicativo sea maacutes portable
Un trabajo complementario a este podriacutea estar basado en la medicioacuten del recurso
solar para un lugar en especiacutefico durante todo un antildeo Esto con el fin de verificar
que tan confiables son las herramientas disponibles para el caacutelculo de radiacioacuten
solar en un lugar en especiacutefico
Para trabajos futuros relacionados con el tema se propone un estudio detallado
sobre el consumo de un usuario en especiacutefico de tal forma que se analice la curva
de potencia en cada hora del diacutea durante un tiempo en especiacutefico esto junto con
un estudio de medicioacuten de irradiacioacuten solar diario podraacuten entregar los datos
suficientes para calcular la energiacutea que se aprovecharaacute de un sistema fotovoltaico
y la que se inyecta a la red esto con el fin de concluir si un arreglo fotovoltaico es
viable para un usuario en especiacutefico Podriacutea motivarse auacuten maacutes el estudio si se
tratara de una entidad que preste un servicio importante a la comunidad como por
ejemplo hospitales colegios universidades aeropuertos etc
Para un trabajo relacionado con el tema se propone estudiar el recurso en un lugar
en especiacutefico de manera detallada con el fin de hacer un estudio probabiliacutestico que
determine un buen valor de los paraacutemetros tiempo de recuperacioacuten del sistema y
diacuteas de autonomiacutea esto con el fin de plantear una metodologiacutea que permita
calcular sistemas fotovoltaicos maacutes confiables
153
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softwarecomsitesdefaultfilesdownloadshandbuecherenmanual-pvsol-enpdf
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
PROYECTO DE GRADO
JUAN PABLO SILVA SARASTY
DIRECTOR
ING ALEXANDER MOLINA CABRERA
UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA
FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ndash INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA Pereira 2015
Nota de aceptacioacuten
________________________________
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Firma del presidente del jurado
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Firma del jurado
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Firma del jurado
Dedicatoria
A todas la personas que de una u otra forma me acompantildearon en este proceso
Juan Pablo Silva Sarasty
AGRADECIMIENTOS
A la empresa Colombian solar Systems SAS y a Julio Ceacutesar Montero por la
oportunidad de desempentildear esta praacutectica conducente en su empresa y por todo la
experiencia adquirida
Al ingeniero Alexander Molina Cabrera por hacer el acompantildeamiento como
profesor guiacutea y que a pesar de sus compromisos laborales en su doctorado
siempre estuvo dispuesto a compartir sus conocimientos
INTRODUCCIOacuteN
Los sistemas fotovoltaicos son una alternativa amigable con el medio ambiente
para producir electricidad a partir de la energiacutea proveniente del Sol Los sistemas
fotovoltaicos pueden ser interconectados a red el sistema produce parte de la
energiacutea que el usuario demande y se toma como respaldo la energiacutea proveniente
de la red y sistemas fotovoltaicos autoacutenomos en donde el arreglo fotovoltaico
(grupo de paneles solares) debe producir la energiacutea necesaria para el consumo
en el diacutea almacenar otra parte para el consumo en las noches y servir de
respaldo para casos en donde la radiacioacuten solar se vea afectada por fenoacutemenos
ambientales involucrando entonces dos fuentes de energiacutea que deberaacuten ser
modeladas en conjunto
En la actualidad existen diversas herramientas que son capaces de modelar un
sistema fotovoltaico arrojando datos de cargabilidad y eficiencia respecto a los
elementos que lo componen es el caso del software especializado PVSOLreg el
cual utiliza bases de datos de irradiacioacuten solar y posee la capacidad de realizar
simulacioacuten de sombras Sin embargo es necesario realizar un aplicativo capaz de
incorporar toda la teoriacutea y conceptos de que consta el disentildeo y caacutelculo de un
sistema fotovoltaico para Colombia con el fin de comparar ambas metodologiacuteas
de disentildeo y asiacute poder obtener un sistema mejor dimensionado
La Universidad Tecnoloacutegica de Pereira se ha caracterizado por el protagonismo de
sus estudiantes y de la Institucioacuten en la innovacioacuten de los diferentes campos de las
ciencias que le competen pero hasta el momento no se han presentado aportes a
el aacuterea de software especializados en sistemas fotovoltaicos es por esto que se
hace necesaria la creacioacuten de un aplicativo con la capacidad de disentildear sistemas
fotovoltaicos que no solo sirva como un referente regional para la implementacioacuten
de este tipo de sistemas de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica si no tambieacuten que
cumpla la tarea de realizar una comparacioacuten de metodologiacuteas entre el algoritmo
propuesto en el proyecto y el software PVSOLreg uno de los maacutes utilizados hasta el
momento por la industria por su novedoso meacutetodo para modelar sombras
En el primer capiacutetulo se abordan los principios del efecto fotoeleacutectrico y
fotovoltaico como conceptos principales de la conversioacuten de energiacutea proveniente
del espectro solar en energiacutea eleacutectrica que puede ser aprovechada para el uso
residencial y comercial En el capiacutetulo 2 se estudian los sistemas aislados su
funcionamiento disentildeo y dimensionamiento En el capiacutetulo 3 se tratan los
sistemas interconectados a red su clasificacioacuten componentes disentildeo y
moldeamiento En el capiacutetulo 4 se explica el funcionamiento del aplicativo
propuesto para este trabajo su entorno graacutefico y expresiones matemaacuteticas tanto
para sistemas interconectados a la red como para los autoacutenomos El capiacutetulo 5
expone las caracteriacutesticas de los pilotos con los cuales se pretende hacer las
comparaciones con las dos metodologiacuteas los resultados obtenidos y las
recomendaciones
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un aplicativo para el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos y
compararlo con el software PVSOLreg
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Alcanzar el estado del arte en el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos
a partir de software y aplicativos especializados
Plantear un aplicativo capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector
residencial y rural (cargas de baja inductancia) para el territorio
colombiano
Modelar el sistema fotovoltaico base en el software especializado
PVSOLreg
9
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIOacuteN
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
TABLA DE CONTENIDOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
CAPIacuteTULO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
11 ANTECEDENTEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
131 Conductores semiconductores y aislanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
132 Unioacuten p-nhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
133 La ceacutelula fotovoltaicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
134 Silicio monocristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
135 Silicio policristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
136 Silicio amorfohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
14 RECURSO SOLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34 141 Factores externos a la superficie de la Tierrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
142 Factores climaacuteticoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
143 Componentes de la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
15 DESARROLLOS EN COLOMBIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
161 Declinacioacuten Magneacuteticahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
162 Trayectoria solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
163 Acimuthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
164 Inclinacioacuten del arreglohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Objetos que crean sombrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
CAPIacuteTULO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
211 El panel fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
2111 Estructura de los paneles solareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21111 La cubierta frontalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
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21112 El material encapsulantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
21113 La cubierta posteriorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21114 El marco metaacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21116 Diodos de bypass helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21117 Diodos de bloqueohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
212 Bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
2121 Tipos de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abiertohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
21212 Bateriacuteas alcalinashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
2122 Especificaciones de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21221 Capacidad de la bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21222 Ritmo y profundidad de descargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
21223 Condiciones ambientaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
213 Regulador de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
2131 Reguladores PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
2132 Reguladores MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
214 Inversores autoacutenomoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 70
2141 Clasificacioacuten de inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21411 Inversores de onda cuadradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21412 Inversores de onda cuadrada modificadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21413 Inversores de onda sinusoidalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
2142 Caracteriacutesticas de los inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72 22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
221 Estimacioacuten del consumo y cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
222 Recurso solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphellip 78
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 81
CAPIacuteTULO 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 85
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 85
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA 90
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INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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322 Estudio del consumo anualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solarhelliphelliphelliphellip 91
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblicohelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
331 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
CAPIacuteTULO 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 96
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 97
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 100
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuestohelliphelliphelliphellip 100
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWMhelliphellip 107
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 109
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphellip 110
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 119
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPThelliphelliphelliphelliphelliphellip 120 42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador MPPT 121
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas con aplicativo propuestohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
CAPIacuteTULO 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASEhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
521 Piloto sistema aislado 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
522 Piloto sistema aislado 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
523 Piloto sistema aislado 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
524 Piloto sistema aislado 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
54 Sistemas fotovoltaicos interconectados a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
541 Piloto sistema interconectado a red 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
542 Piloto sistema interconectado a red 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 144
543 Piloto sistema interconectado a red 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 147
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 148
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 149
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
12
56 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
57 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 152
BIBLIOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 153
13
IacuteNDICE DE FIGURAS Figura 11 Primera celda solar 17
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico 19
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 23
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 23
Figura 15 Efecto fotovoltaico 29
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino 31
Figura 17 Panel solar silicio policristalino 32
Figura 18 Panel de silicio amorfo 33
Figura 19 Espectro solar 35
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten 37
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica 42
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira 43
Figura 21 Componentes de un panel solar 48
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica 50
Figura 23 Modelo eleacutectrico de un panel solar 51
Figura 24 Modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra 52
Figura 25 Funcionamiento de diodo de bypass 52
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo 53
Figura 27 Curva caracteriacutestica de una celda solar 54
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar 55
Figura 29 Efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar 55
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto 58
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA 59
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM 60
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea 63
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar 66
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT 70
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida 72
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor 73
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el aplicativo 99
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico 100
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo 101
Figura 44 Informacioacuten de consumo 101
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo 102
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico 103
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria 104
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas 105
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga 106
Figura 410 Regulador PWM 107
Figura 411 Verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM 110
Figura 412 Tensioacuten de la bateriacutea VS Estado de carga 111
14
Figura 413 Regulador MPPT 117
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT 120
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
122
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel 123
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab 124
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada 125
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica 127
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red 128
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red 129
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
132
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
134
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
137
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
139
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
143
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
144
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
145
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto (Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
147
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
148
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
149
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
150
15
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas fotovoltaicas comerciales
33
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar
36
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente
36
Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia 41
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
45
Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira 45
Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea 64
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1 132
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
133
Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1 134
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
135
Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2 136
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3 136
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
138
Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3 138
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4 138
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
140
Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4 140
Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
141
Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
142
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980 kWhantildeo
143
16
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996 kWhantildeo
145
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360 kWhantildeo
146
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red 148
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red 149
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red 150
17
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
Capiacutetulo 1 REFERENTE TEOacuteRICO 11 ANTECEDENTES El intereacutes en el estudio del aprovechamiento de la energiacutea solar tuvo su origen en
1839 cuando el fiacutesico franceacutes Alexandre Edmond Becquerel analizoacute a profundidad
el fenoacutemeno de la fosforecencia a traveacutes del estudio de cuerpos que tienen la
propiedad de emitir luz propia en la oscuridad despueacutes de haber sido expuestos a
la irradiacioacuten de un foco de luz [1] En 1873 el cientiacutefico britaacutenico Willoughby Smith
estudioacute el comportamiento del selenio bajo la exposicioacuten a la luz y concluyoacute que
este aumenta su capacidad de conducir electricidad a medida que la exposicioacuten a
la luz aumentaba [2] Diez antildeos maacutes tarde Charles Fritts inventor
estadounidense creoacute las primeras celdas solares las cuales usaban uniones
formadas por el recubrimiento de los semiconductores hechos de selenio con una
capa ultra delgada casi transparente de oro ver figura 1 Esta fue muy poco
eficiente transformando menos del 1 de la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica
Sin embargo este descubrimiento demostroacute la viabilidad del uso de la energiacutea
solar para generar electricidad [3]
Figura 11 Primera celda solar tomada de The Encyclopedia OF EARTH Fritts
Charles Edgar 22 de Agosto del 2008 Disponible en
httpwwweoearthorgviewarticle152869
En 1887 Heinrich Hertz descubrioacute por accidente lo que hoy se conoce como
efecto fotoeleacutectrico Hertz generoacute una chispa oscilante mediante una bobina de
induccioacuten entre dos pequentildeas esferas metaacutelicas las cuales el denominoacute el
transmisor induciendo una chispa similar entre dos esferas de metal diferentes
18
conectadas a un aro de alambre que eacutel denominoacute el receptor y que a su vez no
teniacutea conexioacuten eleacutectrica alguna con el transmisor Con este experimento Hertz
estudiaba la teoriacutea de ondas electromagneacuteticas propuesta por Maxwell en donde
una carga acelerada produciriacutea un campo eleacutectrico cambiante de manera no
uniforme que a su vez produciriacutea un campo magneacutetico cambiante y asiacute
sucesivamente Hertz dedujo que el componente de campo eleacutectrico cambiante
causa cargas inducidas en el receptor lo que produce la chispa con las mismas
caracteriacutesticas del transmisor Hertz observoacute que para reproducir fielmente la
chispa inducida la separacioacuten de las esferas del receptor debe ser menor a un
miliacutemetro lo que le dio mucha dificultad al anaacutelisis de este estudio Hertz intento
solucionar este problema encerrando el receptor en un sitio oscuro lo que
facilitaba la visualizacioacuten de la chispa sin embargo descubrioacute que su intensidad
era claramente maacutes deacutebil en estas condiciones al cabo de un tiempo descubrioacute
que podiacutea aumentar la intensidad la de chispa mediante la iluminacioacuten con luz
visible o ultravioleta Estudios realizados en 1897 por JJ Thomson demostraron
que este aumento de la sensibilidad fue el resultado de la luz que empuja a los
electrones [4-7]
Fue entonces en 1905 cuando Albert Einstein con su artiacuteculo sobre el efecto
fotoeleacutectrico llamado On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and
Transformation of Light (ldquoHeuriacutestica de la generacioacuten y conversioacuten de la luzrdquo)
introdujo un cambio fundamental a la teoriacutea existente del efecto fotoeleacutectrico que
en aquel entonces era acogida por la teoriacutea de Maxwell en donde la luz es
modelada como una onda continuacutea y por ende su energiacutea va relacionada
netamente a esta
Einstein proponiacutea que la luz estaacute formada por ldquopaquetes de partiacuteculasrdquo llamados
fotones y que la energiacutea de cada fotoacuten de luz es igual a la frecuencia multiplicada
por una constante De este modo un fotoacuten por encima de un umbral de frecuencia
tiene la energiacutea requerida para expulsar un solo electroacuten justificando asiacute el
fenoacutemeno observado por Hertz al exponer el receptor a luz ultravioleta Asiacute la
energiacutea de electrones expulsados individuales aumenta linealmente con la
frecuencia de la luz
De esta manera los dos factores que afectan a la energiacutea cineacutetica maacutexima de los
fotoelectrones (o electrones liberados) son la frecuencia de la radiacioacuten incidente
y el material de la superficie La energiacutea de los electrones aumenta con la
frecuencia de la luz incidente de una manera lineal con pendiente igual a la
constante de Planck Cada curva tiene un intercepto en el eje de la frecuencia
diferente lo que demuestra que la frecuencia de umbral estaacute en funcioacuten del
material La mayoriacutea de los elementos tienen frecuencias de umbral ultravioleta
pero existen algunos como el potasio que tienen un umbral suficientemente bajo
19
como para ubicarlo entre el amarillo y el verde Los materiales con los valores maacutes
bajos son los que se encuentran bajo el nombre de semiconductores algunos
incluso llegan debajo del infrarrojo cercano [8]
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico imagen tomada de The Physics Hyper Text Book Photoelectric Effect Disponible en httpphysicsinfophotoelectric
El efecto fotoeleacutectrico actualmente se conoce como el hecho de que un material
pueda desprender electrones por un conductor gracias a la energiacutea recibida por
un haz de luz El haz de luz emite fotones que son partiacuteculas portadoras de todas
las formas de radiacioacuten La energiacutea transmitida por el fotoacuten es absorbida por el
electroacuten haciendo que este tenga la energiacutea suficiente para escapar del aacutetomo El
efecto fotoeleacutectrico ha permitido desarrollar ademaacutes del laacuteser sateacutelites de
comunicacioacuten y la energiacutea eleacutectrica a partir de radiacioacuten solar entre otros
Los aportes realizados por Einstein acerca del fenoacutemeno fotoeleacutectrico le hicieron
merecedor del Premio Nobel de Fiacutesica en 1922 [9]
Por otra parte en 1918 el cientiacutefico polaco Ene Czochralski produjo un meacutetodo
para hacer crecer monocristales de metal Lo que inspiroacute los estudios
fotoeleacutectricos con selenio a lo largo de los antildeos 30 a pesar de su baja eficiencia y
sus altos costos Maacutes adelante en 1948 Gordon Teal y John Little adaptaron el
meacutetodo de Czochralski para el crecimiento de los cristales para producir
germanio monocristalino y despueacutes producir silicio
20
En 1950 los laboratorios Bell comenzaron la buacutesqueda de una viacutea confiable para
energizar los sistemas de comunicacioacuten remotos Los cientiacuteficos de Bell
descubrieron que el silicio el segundo elemento maacutes abundante de la Tierra era
sensible a la luz y cuando se le trataba con ciertas impurezas generaba una
tensioacuten eleacutectrica considerable Este fenoacutemeno es causado por la recoleccioacuten de
cargas generadas en el efecto fotoeleacutectrico para generar energiacutea eleacutectrica este
comportamiento se conoce como efecto fotovoltaico y es la base de
funcionamiento de las celdas solares En 1954 Bell desarrollo una celda basada
en silicio que alcanzaba el 6 de eficiencia
Poco despueacutes en 1958 T Mandelkorn creoacute ceacutelulas fotovoltaicas de silicio n-on-P
(laacutemina de silicio dopada tipo n en la parte frontal y tipo p en la parte posterior)
con eficiencias del 9 que son maacutes resistentes al dantildeo por radiacioacuten y son maacutes
adecuadas para actividades espaciales que fueron utilizadas para el Vanguard l
conocido como el primer sateacutelite artificial alimentado con energiacutea solar [10]
En 1963 Sharp logroacute ser la primera compantildeiacutea en producir masivamente celdas
solares marcoacute un paso significativo para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a
partir de energiacutea solar dando su aporte en tiempos de preocupacioacuten internacional
respecto a la conservacioacuten del medioambiente Sin embargo el medio ambiente no
fue el uacutenico campo en el que se expandieron estos estudios la NASA en 1966
lanzo a la oacuterbita un observatorio astronoacutemico con una configuracioacuten fotovoltaica de
1kw y en 1972 la Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japoacuten (NASDA)
autorizoacute a Sharp para equipar con celdas solares el proyecto que pondriacutea en oacuterbita
al sateacutelite ldquoUmerdquo El reto para ese entonces fue soportar los severos cambios de
temperatura y radiacioacuten coacutesmica presentes en el espacio sin embargo el
comportamiento de los sistemas puestos a bordo fueron adecuados lo que
impulsariacutea en el futuro la utilizacioacuten de este tipo de generacioacuten de energiacutea para
usos espaciales debido a su faacutecil autonomiacutea y confiabilidad en este entorno [11
12]
En 1974 Japoacuten lanzoacute un importante proyecto con fines investigativos ldquoSunshine
Projectrdquo el cual fue promovido por el Ministerio de Comercio e Industria de Japoacuten
que teniacutea por objeto el desarrollo de las siguientes fuentes de energiacutea
1 Energiacutea solar
2 Energiacutea geoteacutermica
3 Gasificacioacuten del carboacuten y licuefaccioacuten
4 Energiacutea del hidroacutegeno
21
Este proyecto se promovioacute a escala nacional con la plena cooperacioacuten de las
organizaciones nacionales de institutos de investigacioacuten universidades y
empresas privadas asiacute como mediante la cooperacioacuten internacional El Sunshine
Project teniacutea como fin investigar aspectos importantes de las formas de
generacioacuten mencionadas anteriormente [13]
De manera similar en 1977 se fundoacute el Laboratorio Nacional de Energiacutea
Renovable (NREL por sus siglas en ingleacutes) en Estados Unidos fue denominado
primer laboratorio de energiacutea renovable y la eficiencia energeacutetica de investigacioacuten
y desarrollordquo y se financia a traveacutes del Departamento de Energiacutea de EEUU (DOE
por sus siglas en ingleacutes) El NREL se caracterizoacute por sus estudios en energiacutea
fotovoltaica desarrollando e impulsando este tipo de generacioacuten en Estados
Unidos Las instalaciones del campus del NREL dedicadas a la investigacioacuten
fotovoltaica poseen sistemas fotovoltaicos capaces de satisfacer las necesidades
de los ingenieros investigadores en esta aacuterea Este notable intereacutes en las
universidades y centros de investigacioacuten alrededor de todo el mundo llevoacute a
grandes logros en 1980 respecto a eficiencia de las ceacutelulas el maacutes importante fue
el presentado por la Universidad de Delaware en Estados Unidos que desarrolloacute
la primera ceacutelula solar de peliacutecula delgada que obtiene una eficiencia del 10
utilizando sulfuro de cobre (Cu2S) y sulfuro de cadmio (CdS) Lo que conllevariacutea a
grandes avances en cuestioacuten de produccioacuten de energiacutea fotovoltaica
A lo largo de la deacutecada de los ochentas y gracias a los avances de los 70 parecioacute
aceptarse que el liacutemite praacutectico para la eficiencia de las ceacutelulas de Silicio se
situaba alrededor de un 20 sin embargo los liacutemites teoacutericos suponiacutean un 337
[14] A mediados de los 80 se introducen algunas innovaciones que conducen a un
raacutepido incremento del rendimiento de estos dispositivos Estas mejoras fueron
basadas en reducir las recombinaciones en la estructura de la ceacutelula y en
particular en sus superficies y en sus contactos metaacutelicos Varios hechos
destacables ocurrieron en esta deacutecada tales como el ocurrido en la universidad de
Gales del Sur en donde se fabricoacute una ceacutelula fotovoltaica de silicio que llegoacute al
20 de eficiencia tambieacuten gracias a los avances en nuevos conceptos como
pasivacioacuten de la superficie (formacioacuten de una peliacutecula muy delgada sobre la
superficie de un material que lo enmascara en contra de la accioacuten de agentes
externos) en la universidad de Stanford en 1988 se disentildeoacute una ceacutelula de 851198881198982
que alcanzoacute una eficiencia del 223 en condiciones normales de operacioacuten [15]
En septiembre de 2013 se anuncioacute la obtencioacuten de un nuevo record de eficiencia
de conversioacuten fotovoltaica del 447 Este tipo de ceacutelulas estaacute catalogada como
ldquoceldas taacutendemrdquo o de ldquomultiunionesrdquo que consta de la unioacuten de varias subceldas
fabricadas una encima de la otra de forma tal que se compactan para formar una
sola pieza (monoliacutetico) El record se establecioacute usando sistemas oacutepticos que
22
logran concentrar la radiacioacuten en la superficie de una celda y los materiales
usados son combinaciones de los elementos quiacutemicos del grupo III y V de la tabla
perioacutedica que son Arseacutenico Indio Foacutesforo y Galio entre otros El costo de este tipo
de ceacutelula es elevado (lo que no hace posible su uso de manera comercial) y solo
se justifica su inversioacuten en condiciones en donde la incidencia solar sea en lo
posible ininterrumpida es decir en lugares que no posean muchas nubes como
en los desiertos e implementar un sistema de seguimiento solar de dos ejes lo que
incrementariacutea potencialmente el costo debido al factor mantenimiento que asocia
una estructura en movimiento [16]
Sin embargo se siguen haciendo aportes en la categoriacutea de ceacutelulas comerciales
es el caso de Panasonic al anunciar en febrero de 2013 su reacutecord mundial de
eficiencia de conversioacuten fotovoltaica usando ceacutelulas de silicio cristalino lo que las
hace maacutes econoacutemicas para el mercado a comparacioacuten de las ceacutelulas ldquotaacutendemrdquo
con un 247 de eficiencia superando al impuesto por Sun Power con un 242
en 2012 Este logro fue implementado bajo la utilizacioacuten de silicio monocristalino
lo que la hace mucho maacutes econoacutemica Panasonic uso una tecnologiacutea de
fabricacioacuten de ceacutelulas fotovoltaicas llamadas HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin layer) que se componen de pequentildeas placas hiacutebridas monocristalinas de
silicio que se recubren de una capa delgada de silicio amorfo Este meacutetodo pudo
crear una ceacutelula de tan solo 98 micras de espesor lo que conlleva a usar menos
material por ceacutelula [17]
Simultaacuteneamente a los avances respecto a la eficiencia de las ceacutelulas
fotovoltaicas se realizaron importantes aportes respecto a la capacidad
fotovoltaica instalada desde principios de los antildeos 90 en la figura 13 se observa
el comportamiento de este aspecto en los uacuteltimos antildeos Se asegura que el parque
fotovoltaico aumenta en un 35 por antildeo desde 1998 y la Asociacioacuten Europea de
Energiacutea Fotovoltaica preveacute que el parque instalado podriacutea alcanzar unos 1 800
GW para el 2030 para una produccioacuten que representa el 14 del consumo
mundial de electricidad y capaz de dar suministro a 45 mil millones de personas
[18 19]
23
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Seguacuten el Renewables Global Status Report 2011 Europa concentra maacutes del 75
de capacidad fotovoltaica instalada en el mundo siendo Alemania el paiacutes con
mayor aumento en el 2010 y con mayor capacidad fotovoltaica instalada
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 Tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Aunque la capacidad promedio de los sistemas fotovoltaicos ha aumentado existe
un intereacutes creciente en los sistemas de pequentildea escala particularmente en los
paiacuteses en desarrollo Estos sistemas representan el 5 del mercado global y
desde los antildeos 80 este mercado ha sido creciente en Aacutefrica Asia y Ameacuterica Latina
24
en la medida en que los precios de la generacioacuten con combustibles en las zonas
aisladas son comparables con los de esta nueva tecnologiacutea [20]
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICA
El desarrollo tecnoloacutegico va iacutentimamente ligado con la capacidad de recursos
energeacuteticos que se puedan aprovechar por el ser humano A su vez el crecimiento
tecnoloacutegico es el que determina la utilizacioacuten de ciertos tipos de energiacutea y por
tanto la disponibilidad de este recurso Estos recursos energeacuteticos son usados por
el hombre con el objeto de satisfacer algunas de sus necesidades en el mayor de
los casos en forma de calor y trabajo que son posibles gracias al manejo de
electricidad
Hacia finales del siglo XIX se inventaron las primeras centrales teacutermicas que
requieren para su funcionamiento combustibles como la gasolina el diesel el gas
natural el carboacuten etc Antildeo tras antildeo se fueron sofisticando este tipo de maacutequinas
siendo maacutes econoacutemicas seguras confiables eficientes y abundantes logrando de
esta forma satisfacer demandas eleacutectricas en lugares donde los recursos hiacutedricos
no son eficaces Este tipo de maacutequinas operan bajo el principio de conversioacuten de
energiacutea quiacutemica almacenada en los combustibles en energiacutea eleacutectrica capaz de
ser transmitida y aprovechada por el ser humano Sin embargo la transformacioacuten
de dicha energiacutea genera residuos toacutexicos para el medio ambiente En un principio
la explotacioacuten de estos recursos que son derivados del petroacuteleo se consideraron
ilimitados y su impacto ambiental se consideraba despreciable sin embargo
estudios posteriores evidenciaron alteraciones atmosfeacutericas a nivel mundial como
el aumento en la concentracioacuten de dioacutexido de carbono en la atmoacutesfera
responsable del efecto invernadero lo que generoacute un aumento de temperatura
promedio a nivel mundial logrando asiacute el derretimiento del polo norte y por ende
el crecimiento del nivel de los mar
Es por esto que se hace necesario la buacutesqueda e implementacioacuten de nuevas
formas de generacioacuten de energiacutea amigables con el medio ambiente como la
energiacutea eoacutelica fotovoltaica entre otras La energiacutea fotovoltaica aprovecha la
energiacutea proveniente del Sol captando esta mediante celdas fotoeleacutectricas
capaces de convertir la luz en un potencial eleacutectrico sin que tenga lugar a un
efecto teacutermico es uno de los meacutetodos maacutes limpios y simples de produccioacuten
energeacutetica sin desechos peligrosos para el medio ambiente conocidos por el
hombre Parte de una fuente inagotable la energiacutea que emitida por el Sol y
absorbida por la atmoacutesfera terrestre Los cientiacuteficos consideran que si esta energiacutea
fuese aprovechada en su totalidad solo bastariacutea media hora para abastecer la
demanda energeacutetica mundial durante todo un antildeo Sin embargo esto es a nivel
teoacuterico pues a nivel praacutectico es imposible [15 21]
25
Aun asiacute cada vez es maacutes y mejor aprovechada la energiacutea fotovoltaica abarcando
cada vez maacutes campos de aplicacioacuten que variacutean desde sateacutelites suministro de
electricidad para poblaciones lejanas e incluso vehiacuteculos alimentados por energiacutea
solar
La principal desventaja de esta forma de generacioacuten es su elevado costo aunque
la materia prima con la que se componen los paneles solares sea el silicio que es
el segundo elemento maacutes abundante en la Tierra algunos son fraacutegiles y sensibles
compuestos por semiconductores cristales etc que requieren mantenimiento
constante y a menudo deben ser reemplazados
Los encargados de hacer la conversioacuten de energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica se
llaman moacutedulos fotovoltaicos o paneles solares un solo panel generalmente no
es capaz de suministrar suficiente energiacutea para una carga debido a que en el
mejor de los casos no llegaraacuten ni siquiera a un 40 de eficiencia No obstante
este problema se soluciona agrupando un mayor nuacutemero de paneles que
funcionen conjuntamente para producir mayor energiacutea En este orden de ideas se
busca mayor eficiencia de paneles a menor costo con el fin de usar menos
espacio y que la produccioacuten energeacutetica sea econoacutemicamente sostenible
Los problemas teacutecnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energiacutea
solar son los siguientes
1 Gran dispersioacuten de la energiacutea solar sobre la superficie de la Tierra
2 Caraacutecter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiacioacuten
solar
Se calcula que a grandes rasgos la radiacioacuten que recibe una superficie horizontal
es del orden de 11198961199081198982 al medio diacutea variando ciertas condiciones como latitud
del lugar nubosidad sombras y humedad Esto da como resultado un gran
problema de intermitencia que en muchos casos no obedece al comportamiento
tiacutepico de la demanda es decir que en ocasiones se recibe maacutes energiacutea de la que
se necesita y en otros casos se consume maacutes energiacutea de la que el sistema
fotovoltaico puede suministrar Lo anterior evidencia la importancia de un sistema
de almacenamiento capaz de retener energiacutea cuando esta no sea consumida y
entregue energiacutea a las cargas cuando la radiacioacuten solar no sea suficiente En
algunos casos en donde la demanda sea de suma importancia se puede contar
con un sistema de respaldo o fuentes suplementarias de energiacutea lo que hariacutea que
el sistema sea maacutes confiable
Seguacuten el anterior orden de ideas para el aprovechamiento de la energiacutea solar es
necesario realizar los siguientes procesos
26
1 Captacioacuten y concentracioacuten de la energiacutea solar
2 Transformacioacuten para su utilidad
3 Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo
de autonomiacutea establecido
4 Disposicioacuten de una fuente de energiacutea suplementaria disponible si se supera
el tiempo de autonomiacutea
5 Control de la energiacutea almacenada para que pueda ser utilizada en conjunto
con el sistema de captacioacuten de energiacutea
De esta forma se evidencia que es de vital importancia para el sistema el
correcto dimensionamiento de los diacuteas de autonomiacutea para cada caso en particular
teniendo en cuenta que cuanto mayor y mejor sea el dimensionado del sistema de
almacenamiento menor seraacute la dependencia de fuentes energeacuteticas externas de
apoyo
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICA
131 Conductores semiconductores y aislantes
El modelo moderno del aacutetomo describe las posiciones de los electrones en un
aacutetomo en teacuterminos de probabilidades Un electroacuten se puede encontrar
potencialmente a cualquier distancia del nuacutecleo pero dependiendo de su nivel de
energiacutea tiende a estar con maacutes frecuencia en ciertas regiones alrededor del nuacutecleo
que en otras estas zonas son conocidas como orbitales atoacutemicos [22]
A los electrones de la zona maacutes alejada se les denomina electrones de valencia y
poseen la caracteriacutestica de interactuar con otros electrones de valencia formando
una red cristalina El comportamiento de esta interaccioacuten clasifica materiales en
conductores semiconductores y aislantes La diferencia entre estos tres se basa
en la resistencia que opone el paso de corriente sobre un material La corriente
eleacutectrica se define como la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo
Cuando en los extremos de un material se aplica un voltaje se crea un campo
eleacutectrico dentro del mismo y los electrones pertenecientes a la oacuterbita exterior de un
aacutetomo de este material estaraacuten sometidos a una fuerza dada por
119865 = 119902 lowast 119864 120783 120783
Donde
119902 = 119907119886119897119900119903 119889119890 119897119886 119888119886119903119892119886 119890119899 119888119906119897119900119898119887119894119900119904
119864 = 119881119886119897119900119903 119889119890119897 119888119886119898119901119900 119890119897eacute119888119905119903119894119888119900 119890119899 119881119898
27
En materiales conductores es maacutes faacutecil generar movimiento de electrones en la
banda de valencia bajo la accioacuten de una fuerza generada por el producto entre la
carga y el campo eleacutectrico por esta razoacuten el nivel de conductividad en estos
materiales es grande a comparacioacuten de los materiales aislantes como el vidrio el
diamante y la porcelana que aun con elevados valores de campo eleacutectrico la
fuerza que ejerce este sobre los electrones no es la suficiente para generar
movimiento y por ende conducir electricidad [21]
El silicio cuenta con 14 electrones y a su vez el germanio con 32 electrones de los
cuales 4 son de valencia que se unen con otros 4 electrones de valencia de otros
aacutetomos De esta manera dentro de un cristal de silicio no existiraacuten electrones
libres lo que en esta configuracioacuten (estructura cristalina) se consideran elementos
aislantes
A una configuracioacuten cristalina de silicio o de germanio se le incorporan aacutetomos de
otras sustancias (impurezas) la conductividad de este material va a variar
draacutesticamente convirtieacutendolos en semiconductores de esta forma si algunos
aacutetomos de silicio en la configuracioacuten de cristal se sustituyen por aacutetomos de foacutesforo
el cual tiene 5 electrones en la banda de valencia 4 de estos se uniraacuten
covalentemente a los otros 4 electrones de silicio quedando libre el quinto
electroacuten que se podraacute separar maacutes faacutecilmente del aacutetomo mediante una
estimulacioacuten aportada por una fuente externa de energiacutea A esta nueva
configuracioacuten se la conoce como semiconductor ldquotipo nrdquo en donde predomina el
flujo de electrones De esta misma forma si algunos aacutetomos de silicio en la
configuracioacuten de cristal se sustituyeran por aacutetomos de boro que tienen 3
electrones de valencia se llegariacutea a una situacioacuten en donde seriacutea necesario un
electroacuten adicional para completar los enlaces quiacutemicos con los aacutetomos adyacentes
de silicio Este electroacuten que falta se denomina ldquohuecordquo y a esta configuracioacuten se la
conoce como semiconductor ldquotipo prdquo
El proceso de introduccioacuten de aacutetomos que ceden o toman electrones se ha
convertido en un proceso robotizado en donde los aacutetomos de las substancias
dopantes se introducen usando cantildeones electroacutenicos que bombardean los
cristales (proceso de implantacioacuten) Industrialmente se usa el cristal de silicio
porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio[15
21]
132 Unioacuten p-n
Al juntar una barra de material ldquotipo prdquo con una barra de material ldquotipo nrdquo se
produce una nueva unioacuten conocida como unioacuten p-n
28
Los electrones que se encuentren en estado libre dentro de la zona del material
ldquotipo nrdquo detectaraacuten una regioacuten en donde no existen electrones libres generando un
flujo de estos electrones portadores hacia la otra zona como intento de equilibrio
Del mismo modo los huecos existentes en la ldquozona prdquo detectaraacuten una regioacuten en la
que no existen huecos y se produciraacute por tanto un flujo de cargas positivas en
sentido contrario al flujo de electrones Debido al avance de este proceso de flujo
de electrones y huecos se produce un exceso de cargas con potencial negativo
en la ldquozona prdquo y un exceso de cargas con potencial positivo en la ldquozona nrdquo
Por tanto en el aacuterea de unioacuten de los dos materiales se origina un campo eleacutectrico
que aumenta a medida que los huecos y electrones se siguen difundiendo hacia
lados opuestos Este proceso no terminaraacute hasta que el potencial eleacutectrico de este
campo alcance un valor que impida el posterior flujo de electrones y huecos Una
vez se llega a este punto de equilibrio se habraacute creado en la estructura p-n un
campo eleacutectrico sin la ayuda de campos eleacutectricos externos
Asiacute entonces si la energiacutea que suministra el Sol en forma de fotones al
interactuar con una superficie de silicio tipo p posee la frecuencia miacutenima
necesaria para generar la energiacutea para romper un enlace de la estructura del
silicio (band-gap) seraacute absorbido y con ello se crearaacute una nueva pareja de
electroacuten-hueco el efecto de esta nueva pareja seraacute que el electroacuten liberado se
trasladaraacute hacia la zona n como una accioacuten de recuperar el equilibrio De esta
misma forma si el fotoacuten incide sobre la zona n se generaraacute una nueva pareja
electroacuten-hueco pero en este caso el hueco se traslada a la zona p El resultado
de este flujo es la acumulacioacuten de cargas positivas en la zona p y de cargas
negativas en la zona n dando origen a un campo eleacutectrico opuesto al creado por
el mecanismo de difusioacuten
Al aumentar el nuacutemero de fotones que incide sobre la unioacuten aumenta el campo
que anula el inicial hasta llegar a un valor umbral en el que ya no hayan campos
internos que separen cada pareja de electroacuten-hueco Esta es la condicioacuten que
determina la tensioacuten a circuito abierto de la ceacutelula fotovoltaica Este potencial
eleacutectrico evidencia las causas del efecto fotovoltaico
29
Figura 15 Efecto fotovoltaico tomada de SUSTAINABLE ENERGY SYSTEMS The
Photovoltaic Effect 3 de Enero del 2012 Disponible en httpsustainableenergysystemzcomthe-
photovoltaic-effect172
Al establecer un circuito eleacutectrico externo entre las dos superficies los electrones
acumulados fluiraacuten a traveacutes de eacutel regresando a su posicioacuten inicial Este flujo de
electrones forma lo que se conoce como una corriente fotogenerada o fotovoltaica
133 La ceacutelula fotovoltaica
Las ceacutelulas o celdas solares se fabrican a partir de planchas de silicio el cual es
un elemento muy abundante en el planeta Tierra debido a que es uno de los
componentes que forman la arena (dioacutexido de silicio SiO2) En su forma maacutes
pura el silicio semiconductor se emplea en la industria de la microelectroacutenica
como base para los microchips
Fiacutesicamente una ceacutelula fotovoltaica es un diodo con una superficie muy amplia
generalmente tiene un grosor que variacutea entre los 025 y 035 mm y una forma
generalmente cuadrada con una superficie aproximada de 100cm2 El proceso de
fabricacioacuten variacutea seguacuten las cualidades que se quieran obtener (rendimiento
flexibilidad economiacutea) A maacutes pureza maacutes altos costos para una calidad que no
va a suponer un incremento sustancial de rendimiento
Las ceacutelulas fotovoltaicas de silicio pueden construirse de cristales monocristalinos
policristalinos o de silicio amorfo La diferencia entre ellas radica en la forma como
estaacuten dispuestos los aacutetomos de silicio en la estructura cristalina Esta hace que
tengan eficiencias diferentes La eficiencia de una ceacutelula fotovoltaica es el
porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad Las celdas solares de
silicio monocristalino y policristalino tienen casi la misma eficiencia que supera a
la del amorfo sin embargo este uacuteltimo es el maacutes econoacutemico de ambos [21]
134 Silicio monocristalino
30
Las celdas de Silicio monocristalino representan el estaacutendar de la tecnologiacutea
fotovoltaica comercial Para fabricarlas el silicio es purificado mediante la
introduccioacuten de una varilla de ldquocristal germenrdquo de silicio fundido a unos 1400degC y
cristalizado ya sea en lingotes o en laacuteminas delgadas posteriormente el silicio es
rebanado en obleas delgadas para definir las celdas individuales posteriormente
las obleas se pulen por ambas caras Durante el proceso de corte y pulido se
desperdicia casi la mitad del material Una vez pulidas las celdas se introduce por
difusioacuten a alta temperatura un material dopante tiacutepicamente boro si se desea que
el semiconductor sea tipo p y foacutesforo si se desea que el semiconductor sea tipo
n Esta forma de obtencioacuten del silicio para usos fotovoltaicos se conoce como el
meacutetodo Czochralski
En el anterior meacutetodo la mayoriacutea de veces se hace el dopado con boro con el fin
de caracterizar el semiconductor tipo p Para la unioacuten n-p se difunden aacutetomos de
foacutesforo que se depositan sobre una cara y alcanzan cierta profundidad en
superficie Asiacute se consigue que una de las zonas tenga deficiencia de aacutetomos
(tipo p) y la otra cara exceso de aacutetomos (tipo n) Debido a esta diferencia de carga
eleacutectrica en el material se produce un campo eleacutectrico encargado de empujar a
los electrones a salir de la ceacutelula por la superficie de la capa n lo que conlleva al
establecimiento de una corriente eleacutectrica con la interaccioacuten de la energiacutea
proveniente del Sol en forma de fotones
La ceacutelula que se obtiene ha de estar dotada de unos contactos eleacutectricos para
poder canalizar la energiacutea que produce cuando recibe insolacioacuten Estos contactos
sobre la cara asoleada se reparten en forma ramificada y se unen a dos contactos
principales Es comuacuten para la fabricacioacuten de contactos usar procedimientos
serigraacuteficos dado su bajo costo y la facilidad de automatizacioacuten En la cara
posterior que no recibe el sol el material suele extender a toda la superficie o
formar una malla metaacutelica muy tupida esta se recubre con un tratamiento
antirreflexivo de bioacutexido de titanio o zirconio
La mayoriacutea de las ceacutelulas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente
05v independientemente del aacuterea superficial de la celda sin embargo mientras
mayor sea la superficie mayor seraacute la capacidad en corriente que pueda
suministrar
31
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino
El proceso de construccioacuten de paacuteneles monocristalinos es muy costoso y requiere
mucha energiacutea aunque se obtiene un cristal maacutes eficaz con rendimientos en
laboratorio del 15 al 18 Se distinguen por su color azul homogeacuteneo o negro Los
moacutedulos fabricados con tal material tienen tal calidad que algunos fabricantes los
garantizan por 25 antildeos
135 Silicio policristalino
Las ceacutelulas de silicio policristalino se obtienen de planchas de silicio policristalino
que son maacutes econoacutemicas que las planchas de silicio monocristalino Se obtienen
por un proceso de moldeo a partir de pasta de silicio formado por muacuteltiples
cristales de silicio la cual es fundida y vertida en un molde donde se deja asentar
lentamente con lo cual se obtiene un soacutelido formado por muchos pequentildeos
cristales Una vez listo este material se corta en planchas de menor espesor que
las monocristalinas (solo algunas micras) Estas ceacutelulas son maacutes econoacutemicas que
las ceacutelulas monocristalinas sin embargo no son igual de eficientes debido a sus
imperfecciones en su estructura cristalina Aunque su eficiencia ronda entre el
12 y el 14 su costo ha hecho que sean muy usadas de manera comercial
Su composicioacuten a partir de pequentildeos cristales hace que su color no sea uniforme
como las ceacutelulas monocristalinas esta caracteriacutestica hace que su color tenga
diferentes tonalidades de azul
32
Tanto este proceso como el anterior casi la mitad del silicio se pierde como polvo
durante el cortado La garantiacutea de este producto suele ser de 20 antildeos
dependiendo del fabricante
Figura 17 Panel solar silicio policristalino
136 Silicio amorfo
El silicio amorfo es silicio en una forma cristalina con defectos en sus enlaces
atoacutemicos Sin embargo si el silicio amorfo se deposita de tal manera que contenga
una pequentildea cantidad de hidroacutegeno estos aacutetomos de hidroacutegeno saturan muchos
de los huecos de la red cristalina permitiendo asiacute a los electrones moverse a
traveacutes del silicio tipificaacutendose gracias a la accioacuten del dopaje como un material
tipo p o tipo n En cualquier caso en las regiones p o n obtenidas la vida media de
los portadores de carga es reducida
Se obtiene de un proceso de produccioacuten relativamente simple econoacutemico con
poco gasto de energiacutea lo que hace posible la produccioacuten de ceacutelulas a gran escala
Las ceacutelulas de silicio amorfo se obtienen depositando capas delgadas de silicio
sobre un substrato de bajo costo que puede ser vidrio plaacutestico o similar y son de
color marroacuten homogeacuteneo Tienen dos principales desventajas baja eficiencia
respecto a ceacutelulas monocristalinas y policristalinas (cerca del 10 lo que conlleva
a utilizar mucha maacutes aacuterea) y las ceacutelulas se ven envueltas en un proceso de
degradacioacuten en los primeros meses de funcionamiento reduciendo la eficiencia a
lo largo de su vida uacutetil
Las ceacutelulas amorfas son utilizadas en aplicaciones en donde se demande poca
electricidad por ejemplo Relojes calculadoras luces de prados etc [15 21 23]
33
Figura 18 Panel de silicio amorfo tomada de ENGANGET Xunlight Logra Crear Paneles
Solares Flexibles de Gran Tamantildeo 6 de Junio del 2009 Disponible en
httpesengadgetcom20090605xunlight-logra-crear-paneles-solares-flexibles-de-gran-tamano
CEacuteLULAS RENDIMIENTO LABORAL
RENDIMIENTO DIRECTO
CARACTERIacuteSTICAS FABRICACIOacuteN
Monocristalino
24
15-18
Es tiacutepico los azules homogeacuteneos y la conexioacuten de las ceacutelulas individuales entre si (Czochralsky)
Se obtiene de silicio puro fundido y dopado con fosforo
Policristalino
19-20
12-14
La superficie estaacute estructurada en cristales y contiene distintos tonos azules
Igual que el monocristalino solo que se disminuye el nuacutemero de fases de cristalizacioacuten
Amorfo
16
lt10
Tiene un color homogeacuteneo (marroacuten) no tiene conexioacuten visible entre ceacutelulas
Tiene la ventaja de depositarse en forma de laacutemina delgada y sobre un sustrato como vidrio o plaacutestico
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas
fotovoltaicas comerciales
34
14 RECURSO SOLAR
Seguacuten la explicacioacuten del efecto fotoeleacutectrico propuesta por Albert Einstein la
energiacutea de la luz va ligada netamente a la frecuencia de los fotones que esta
contenga de esta forma se comporta la energiacutea contenida en los rayos del Sol en
donde se puede modelar la siguiente ecuacioacuten llamada ldquoecuacioacuten de Plankrdquo
119864 = ℎ lowast 119881 120783 120784
En donde
119864 Energiacutea de los fotones
ℎ Constante de Planck que equivale a 662510minus34Js
119881 Frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de la luz
De esta manera la energiacutea proveniente del Sol a la Tierra seraacute el resultado del
producto entre la constante de Planck y la suma de las frecuencias que tiene cada
fotoacuten del espectro solar Sin embargo no toda esa energiacutea es aprovechada en la
superficie terrestre debido a que existen fotones con poca frecuencia y por ende
poca energiacutea incapaz de atravesar la atmoacutesfera
La energiacutea que se obtiene en la atmoacutesfera terrestre es una mezcla de radiaciones
de longitudes de onda formada por radiacioacuten ultravioleta luz visible y radiacioacuten
infrarroja Una de las funciones de la capa de ozono es filtrar parte de esta
energiacutea y de esta manera formar el espectro solar terrestre En la siguiente
imagen se puede mostrar la situacioacuten descrita [24]
35
Figura 19 Espectro solar tomada de ADMATNET Espectro Solar Disponible en
httpadmatnetcomwp-contentuploads201310espectro-solar-vs-SC1jpg
En donde la longitud de onda (120574) y la frecuencia (119891) de la ondas
electromagneacuteticas se relacionan mediante la expresioacuten
120574 =119888
119891 120783 120785
En donde
119888 Velocidad de la luz a la cual se desplazan todas las ondas electromagneacuteticas
Asiacute entonces se sabe que seguacuten la Ley de Planck que permite calcular la
radiacioacuten emitida por un cuerpo negro el Sol emite unos 38 lowast 1023kw solo una
pequentildea cantidad es absorbida por la atmoacutesfera y es conocida como la radiacioacuten
terrestre que variacutea de acuerdo a ciertas condiciones geograacuteficas a lo largo del
antildeo
Un paraacutemetro fundamental para comprender el comportamiento de la radiacioacuten
terrestre es la ldquoconstante solarrdquo que es la cantidad de energiacutea que incide
perpendicularmente en 1 1198982 de aacuterea ubicada en la parte exterior de la atmoacutesfera
Su valor es 1338 119908 1198982frasl y variacutea un plusmn3 en el antildeo debido a que la Tierra tiene una
trayectoria eliacuteptica alrededor del Sol [15 21]
La radiacioacuten del Sol no es absorbida en su totalidad por la atmoacutesfera esta se
debilita por accioacuten de la reflexioacuten difusioacuten y absorcioacuten Se dice que en ciertas
36
condiciones tales como diacutea perfectamente claro ausencia de sombras y con los
rayos cayendo perpendicularmente a un plano horizontal casi las tres cuartas
partes de la energiacutea proveniente de Sol alcanzaraacuten dicho plano El resto se refleja
en la atmoacutesfera y se dirige al espacio exterior La atmoacutesfera juega un papel de
filtro sobre la radiacioacuten ultravioleta y gran parte de la infrarroja siendo estas
absorbidas por el ozono Asiacute entonces la constante solar ya no es vaacutelida en ninguacuten
nivel terrestre donde bajo las condiciones nombradas anteriormente se dice que
en 11198982 de superficie a nivel del mar con los rayos llegando de forma
perpendicular cerca de 1000 119908 1198982frasl seraacuten disponibles
La anterior situacioacuten puede variar considerablemente dependiendo de las
condiciones encontradas en el ambiente Algunas de estas son momento del diacutea
variacutea de un lugar a otro especialmente en lugares montantildeosos la elevacioacuten solar
(posicioacuten relativa del Sol en el cielo) que depende de la latitud del lugar la altitud
donde se sabe que a mayor altura existiraacute menor espesor de atmoacutesfera y por ende
mayor energiacutea disponible en forma de radiacioacuten solar
En la tabla 12 se puede observar a grandes rasgos como variacutea la intensidad de la
radiacioacuten en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar y coacutemo influyen ciertas
condiciones climatoloacutegicas
VARIACIOacuteN DE LA RADIACIOacuteN INCIDENTE CON LA ALTITUD
ALTITUD SOBRE EL NIVEL DEL MAR
0 900 1500 2250 3000
INTENSIDAD DE LA RADIACIOacuteN
(w119950120784)
950 1050 1100 1150 1190
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del
mar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y
Cualificacioacuten Meacutexico 2008
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS EN LA RADIACIOacuteN INCIDENTE
CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS
RADIACIOacuteN
GLOBAL(w119950120784)
PORCENTAJE DE RADIACIOacuteN DIFUSA
CIELO DESPEJADO 750-1000 10-20
CIELO PARCIALMENTE NUBOSO
200-500 20-90
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente tomada de
Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
37
De esta manera existen entonces dos factores fundamentales que hacen que la
radiacioacuten solar sea de caraacutecter intermitente Se nombran a continuacioacuten
141 Factores externos a la superficie de la Tierra
Son los de caraacutecter dependiente a la posicioacuten de la Tierra respecto al Sol como
bien se sabe la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol es eliacuteptica por lo que la
energiacutea proveniente del Sol no seraacute constante a lo largo del antildeo debido a que en
ciertas eacutepocas esta deberaacute atravesar mayor distancia y por tanto mayor masa lo
que en este caso disminuiraacute la energiacutea proveniente del Sol Tambieacuten involucran
las coordenadas geograacuteficas del lugar considerando latitud y longitud que
condicionan baacutesicamente el recorrido de la radiacioacuten a traveacutes de la atmoacutesfera y el
aacutengulo de incidencia de los rayos solares Son funcioacuten pues de la altura solar en
cada instante
142 Factores climaacuteticos
Estos factores involucran la atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por parte de agentes
internos al ambiente terrestre tales como nubes cantidad de vapor de agua
contaminacioacuten ozono etc Contenidos en la atmoacutesfera y que fundamentalmente
atenuacutean la radiacioacuten solar por concepto de absorcioacuten reflexioacuten y difusioacuten de la
radiacioacuten [15 21 25]
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten tomada de HERNANDEZ PEDRO J Efectos Teacutermicos de Los Materiales Disponible en httppedrojhernandezcomtagconceptos-2
143 Componentes de la radiacioacuten solar Seguacuten la forma como llegue la luz solar a la superficie de la Tierra se pueden clasificar en tres formas diferentes Radiacioacuten solar directa es captada desde una superficie terrestre que posee un uacutenico aacutengulo de incidencia Es decir es la que viaja en liacutenea recta desde la atmoacutesfera hasta la superficie terrestre
38
Radiacioacuten solar dispersa o difusa es la energiacutea que ha sido desviada por accioacuten de los gases disponibles en el ozono esto explica que una superficie con sombra o sin luz solar se encuentre iluminada incluso a pesar de su condicioacuten Radiacioacuten solar albedo es la radiacioacuten reflejada por el suelo o alguna otra superficie Cuando la fuente de luz es el Sol se usa el teacutermino albedo en lugar de reflectancia Esta es variable de un lugar a otro por ejemplo la superficie de un cuerpo negro tendraacute un albedo de cero sin embargo una superficie cubierta de nieve tendraacute un albedo de aproximadamente 09 y para el suelo mojado tendraacute un albedo de 018 (la superficie de un cuerpo negro es un elemento ideal y netamente teoacuterico por ende inexistente)
En teacuterminos generales se define al albedo como
120566 =119877119903
119877119894 120783 120786
En donde
119877119903 es la radiacioacuten reflejada por la superficie
119877119894 es la radiacioacuten incidente en la superficie
La radiacioacuten incidente puede tener entonces dos componentes radiacioacuten directa y
radiacioacuten difusa [21]
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solar
Se pueden destacar los siguientes
Datos de estaciones cercanas
Los valores arrojados por este meacutetodo podraacuten ser acertados si solamente se trata
de un lugar llano y la distancia entre la estacioacuten y el lugar que se planea energizar
es menor a 10 km Sin embargo en la ausencia de alguna otra opcioacuten esta podriacutea
ser una opcioacuten previa donde se podriacutea dar una idea de coacutemo puede ser la
radiacioacuten en un lugar en especiacutefico
Interpolar valores a partir de medidas de la radiacioacuten solar en otras estaciones
La informacioacuten acerca de la radiacioacuten entregada por este meacutetodo puede llegar a
ser confiable si el nuacutemero de estaciones en un lugar es considerable y
dependiendo del tipo de terreno es decir que la interpolacioacuten puede verse
afectada si entre estaciones no tienen en cuenta terrenos en donde la altura
humedad y nubes puedan afectar el resultado
39
Modelos de interpolacioacuten que tienen en cuenta la topografiacutea
Este meacutetodo puede llegar a ser efectivo debido a que tienen en cuenta la
desventaja del iacutetem anterior sin embargo es escaso tener acceso a esta
informacioacuten debido a la complejidad que involucrariacutea tener en cuenta toda la
topologiacutea geograacutefica de un paiacutes como Colombia
Meacutetodo de tratamiento de imaacutegenes de sateacutelites
Es el meacutetodo maacutes exacto para encontrar la radiacioacuten solar en un sitio determinado
Es el resultado de la reflexioacuten de los rayos solares en la superficie de la Tierra
Este meacutetodo se caracteriza por llevar impliacutecito los factores externos a la superficie
de la Tierra y los factores climaacuteticos y topograacuteficos [25 26]
15 DESARROLLOS EN COLOMBIA
Colombia es un paiacutes que produce en su gran mayoriacutea energiacutea eleacutectrica a partir de
la energiacutea potencial almacenada por embalses (centrales hidroeleacutectricas) Este
tipo de generacioacuten aprovecha el movimiento del agua para convertirlo en corriente
eleacutectrica comercial su impacto ambiental es mucho menor que en las energiacuteas
foacutesiles (no produce gases de efecto invernadero ni contamina a la atmoacutesfera) su
explotacioacuten apenas requiere mantenimiento y el almacenamiento de agua tambieacuten
se puede utilizar para plantaciones Sin embargo su construccioacuten implica un gran
impacto ambiental al ser necesaria la inundacioacuten de valles y desplazamiento de
poblacioacuten constituyen una de las principales causas directas e indirectas de
peacuterdida de millones de hectaacutereas de bosques muchas de ellas abandonadas bajo
el agua y en descomposicioacuten Se modifican las condiciones fiacutesicas y quiacutemicas del
riacuteo como salinidad temperatura y nutrientes debido a que el agua embalsada
altera las condiciones naturales del riacuteo
La produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en Colombia empleando sistemas fotovoltaicos
ha tenido un enfoque en el sector rural en donde el gran costo de generacioacuten
provocados por los altos precios en los combustibles y los costos de operacioacuten y
mantenimiento hace que la generacioacuten fotovoltaica sea una opcioacuten adecuada y
confiable a largo plazo Estos sistemas empezaron en Colombia con la empresa
Telecom a comienzos de los antildeos 80s con el apoyo de la Universidad Nacional
Se desarrollaron proyectos con pequentildeos generadores fotovoltaicos de 60 Wp
con los cuales energizaron radioteleacutefonos y algunos sistemas de comunicacioacuten
adicionales en 1983 ya se habiacutean instalado 2950 de este tipo de sistemas y
alcanzaron una potencia instalada entre 3 a 4 kWp para antenas satelitales
terrenales
40
Muchas empresas optaron por instalar sistemas fotovoltaicos para energizar sus
sistemas de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas fotovoltaicos
para alimentar repetidoras de microondas boyas estaciones remotas bases
militares y algunas viviendas en las zonas rurales Seguacuten estudios realizados en
1983 y 1994 se importaron 48499 moacutedulos solares para una potencia de 205
MWp de estos el 411 para proyectos de telecomunicaciones el 465 para
electrificacioacuten rural y el 124 para otras operaciones El mismo estudio determino
que para 248 sistemas fotovoltaicos equivalentes a 419 moacutedulos el 56 de los
sistemas funcionaban correctamente mientras que el 37 funcionaban con
problemas y el 8 estaban fuera de servicio Como fuente principal de problemas
encontraron la falta de miacutenimo mantenimiento componentes dantildeados partes sin
reemplazo y sistemas subestimados Esto evidencia que los dimensionamientos
no son adecuados para estos sistemas al igual que un olvido teacutecnico para estos
usuarios con respecto a mantenimiento y ajustes al sistema En los uacuteltimos 10
antildeos tampoco se ha evidenciado estudios similares a este en donde se muestre
el estado real de dichos sistemas [28]
En promedio los sistemas para electrificacioacuten rural constan de un panel entre 50 y
70 Wp una bateriacutea entre 60 y 120 Ah y un regulador Lo que producen una
energiacutea miacutenima para satisfacer las necesidades maacutes baacutesicas del sector rural El
costo actual de estos pequentildeos sistemas oscila entre US$ 1200 a 1500 afectando
principalmente los altos costos de instalacioacuten en las zonas remotas
Durante los uacuteltimos antildeos se han instalado muchos maacutes sistemas en los programas de electrificacioacuten rural con fuerte financiacioacuten del Estado haciendo uso actualmente de recursos como el FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energizacioacuten de las Zonas No Interconectadas) El IPSE (Instituto para la Promocioacuten de Soluciones Energeacuteticas) es en la actualidad la institucioacuten que lidera las acciones del Estado en la energizacioacuten del campo colombiano Seguacuten esta institucioacuten hay en la actualidad maacutes de 15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones Pero ademaacutes el IPSE tiene en desarrollo soluciones innovadoras como sistemas hiacutebridos en donde se combinan por ejemplo la energiacutea solar fotovoltaica y las plantas diesel para reducir los costos de generacioacuten del diesel y emplear el generador como respaldo [29] El Estado tambieacuten cuenta con una institucioacuten encargada de recopilar la informacioacuten de la energiacutea solar disponible en el territorio colombiano el IDEAM (Instituto de Estudios Ambientales) es la entidad encargada de cumplir con esa tarea empleando la informacioacuten de 383 estaciones de brillo solar medido con helioacutegrafos Campebell-Stokes 32 estaciones de referencia y 39 estaciones radiomeacutetricas unas con actinoacutegrafo Fuess y otras con piranoacutemetros Eppley Blanco y negro y PSP Con esta informacioacuten recopilada mes a mes se corrioacute el modelo de Angstrom modificado dando como resultado los mapas de radiacioacuten solar para superficies horizontales publicados en el 2005 expuestos en el anexo 1
41
Como conclusioacuten al anterior estudio se presenta la tabla 14 en donde se muestra la energiacutea sobre metro cuadrado a lo largo del antildeo para las regiones del paiacutes
REGIOacuteN kWh119950120784antildeo
GUAJIRA 2190
COSTA ATLAacuteNTICA 1825
ORINOQUIA 1643
AMAZONIA 1551
ANDINA 1643
COSTA PACIacuteFICA 1278 Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia
Sin embargo este estudio presenta deficiencias para ser considerado adecuado a la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico debido a la poca confiabilidad de los resultados entregados para el dimensionamiento en las diferentes zonas del paiacutes ya que la densidad de estaciones climatoloacutegicas es insuficiente para el caacutelculo adecuado del modelo Angstrom modificado El caacutelculo maacutes confiable se presenta en la zona Andina debido a que en esta regioacuten la maacutes elevada del paiacutes
se tiene la mayor densidad de estaciones climatoloacutegicas por 1198961198982 mientras que en la zona paciacutefica existe la menor densidad de las mismas Adicional a esto no resulta muy uacutetil tener los mapas de radiacioacuten solar promedio mes a mes debido a que solo es informacioacuten indicativa y carece de informacioacuten maacutes detallada como radiacioacuten en un lugar especiacutefico radiacioacuten sobre un plano inclinado e incluso recomendaciones sobre una mejor inclinacioacuten y orientacioacuten del generador fotovoltaico Sin embargo existen herramientas capaces de recopilar informacioacuten de las estaciones meteoroloacutegicas existentes en una regioacuten y correr un sistema de interpolacioacuten un poco maacutes preciso con respecto a una ubicacioacuten inclinacioacuten y orientacioacuten detallada Es el caso de la base de datos llamada Meteonorm y el modelo usado por MeteoSyn para generar datos de radiacioacuten solar en un sitio determinado Ambos son usados por distintos software como es el caso de PVSOLreg que es capaz de calcular y disentildear sistemas fotovoltaicos [20] 16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA EL DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 161 Declinacioacuten Magneacutetica Se conoce como declinacioacuten magneacutetica a la diferencia entre el norte o sur magneacutetico comprendido por una bruacutejula y el verdadero o geograacutefico punto cardinal La bruacutejula se orienta con el campo magneacutetico de la Tierra que no siempre estaacute alineado con el eje de rotacioacuten por lo que la orientacioacuten de los moacutedulos
42
fotovoltaicos se debe trabajar con el norte geograacutefico y no con el magneacutetico Se presenta la figura 111 en donde se observa que para Colombia la declinacioacuten magneacutetica esta en unos 8ordm grados al Este
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica tomada de Global Top Variacioacuten Magneacutetica Disponible en httpwwwgtop-techcomesproductVariacin-magnticaSoftware_Services_16htmlprettyPhoto[rm-prd-photoshow]0
De esta manera se debe ajustar la orientacioacuten entregada con la bruacutejula con unos 8ordm al Este para aplicaciones fotovoltaicas en Colombia [10 29] 162 Trayectoria solar La posicioacuten del Sol variacutea diariamente desde el amanecer hasta el ocaso dependiendo de la latitud del lugar asiacute por ejemplo para lugares ubicados en el hemisferio Norte de la Tierra el Sol sale por el Este se desplaza en direccioacuten Sur y se pone en el Oeste Se debe aclarar que es la Tierra la que cada diacutea hace una rotacioacuten completa alrededor de su eje lo que crea una sensacioacuten estaacutetica en el observador por tanto es costumbre decir que ldquoel Sol realiza un recorrido ldquo aunque en realidad es la Tierra la que hace el recorrido alrededor del Sol se seguiraacute manejando con fines praacutecticos el termino trayectoria solar La Tierra tiene dos movimientos la rotacioacuten sobre su eje y la traslacioacuten alrededor del sol esta uacuteltima sigue una trayectoria eliacuteptica que da lugar a las estaciones del antildeo La combinacioacuten de ambos movimientos genera que se observe una variacioacuten de la trayectoria solar a lo largo del antildeo Este es un factor de intereacutes para la ubicacioacuten orientacioacuten e inclinacioacuten de los moacutedulos fotovoltaicos debido a que se intenta que esteacuten plenamente orientados hacia el Sol con el fin de que la incidencia de la luz en el panel sea siempre plena
43
Se presenta la figura 112 donde se observa dicha variacioacuten a lo largo del antildeo para la ciudad de Pereira [30]
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira disponible en SUN EARTH TOOLS Ubicador Geograacutefico Solar Disponible en httpwwwsunearthtoolscomdptoolspos_sunphplang=es
En figura 112 se muestran tres trayectorias solares la superior representa el solsticio de verano o solsticio de Junio la del medio representa una fecha de ejemplo y la inferior representa el solsticio de invierno o solsticio de Diciembre Asiacute entonces se definen dos paraacutemetros fundamentales 163 Acimut Es la localizacioacuten aparente del Sol al Este u Oeste del sur verdadero se mide en grados al Este u Oeste Se puede optimizar el rendimiento diario de los colectores si estos se fijan frente al sur geograacutefico es decir acimut 0deg 164 Inclinacioacuten del arreglo Es el aacutengulo que forma el arreglo de paneles con el plano horizontal Se intenta que este sea adecuado para que la incidencia de los rayos solares sea perpendicular a la superficie captadora [10 21] Seguacuten la imagen para que los paneles esteacuten en todo momento perfectamente inclinados hacia el sol se deberaacute estar dispuesto sobre un mecanismo de anclaje que permita la movilidad tanto en su eje horizontal como en su eje vertical Sin
44
embargo para paiacuteses cercanos a la liacutenea ecuatorial no es necesario dicho mecanismo debido a que las variaciones no son muy bruscas a diferencia de paiacuteses muy alejados de la liacutenea ecuatorial en donde si no se dispone de un sistema mecaacutenico para dicha aplicacioacuten se intenta fijar la inclinacioacuten de acuerdo a la eacutepoca del antildeo en donde se desee utilizar el sistema de captacioacuten solar asiacute entonces algunos autores especifican que para el hemisferio norte de la Tierra en eacutepocas de invierno se inclinan los paneles 20deg mayor que la latitud para primavera y verano se fijan en 10deg menor que la latitud y la utilizacioacuten para todo el antildeo 10deg mayor que la latitud La altura del Sol por encima del horizonte se llama altitud la cual se mide en grados por encima del horizonte De esta forma al amanecer y al ocaso la altitud seraacute de cero grados Para el hemisferio Norte de la Tierra cuando el Sol estaacute sobre el sur verdadero (acimut 0ordm) estaraacute en su altitud maacutexima para ese diacutea Esta hora se conoce como medio diacutea solar y variacutea a causa de la rotacioacuten de la Tierra sobre su eje inclinado Para el caso de Colombia existen maacutes cantidad de diacuteas en donde el Sol posee una trayectoria hacia el sur que hacia el norte lo que convendriacutea inclinar los paneles hacia el sur (acimut=0deg) sin embargo existen otras opciones para mejorar la captacioacuten a partir de estructuras fijas que posean la manera de variar la inclinacioacuten Asiacute entonces el usuario podraacute variar la inclinacioacuten en dos o maacutes puntos dependiendo de la estructura fijada en los paneles de tal forma que para eacutepocas del antildeo en donde sean predominantes las trayectorias solares en direccioacuten norte el arreglo pueda tener la opcioacuten de adaptarse De acuerdo a la experiencia aportada por la empresa Colombian Solar Systems sitio en donde se llevoacute a cabo este proyecto se recomienda que la inclinacioacuten de los paneles no sea menor de 10deg debido a que es la inclinacioacuten necesaria para que el agua de la lluvia y los residuos del ambiente resbalen y no sean inconvenientes para la captacioacuten solar [10 21] En la tabla 15 se da a conocer el comportamiento de la radiacioacuten en la ciudad de Pereira (estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea) con distintas inclinaciones
45
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
De la tabla 15 se observa que la radiacioacuten en los meses de Mayo Junio Julio y Agosto es mayor para inclinaciones hacia el Norte sin embargo para el resto del antildeo la radiacioacuten es mayor para inclinaciones hacia el Sur En la tabla 16 se resume el comportamiento de la radiacioacuten solar anual en la ciudad de Pereira seguacuten el software PVSOLreg
Acimut Inclinacioacuten Radiacioacuten acumulada anual en [kWhmsup2]
Descripcioacuten
180deg 30deg 1373 Cara al Norte
180deg 15deg 1505 Cara al Norte
180deg 10deg 1535 Cara al Norte
180deg 5deg 1557 Cara al Norte
0deg 0deg 1570 Horizontal
0deg 5deg 1576 Cara al Sur
0deg 10deg 1574 Cara al Sur
0deg 15deg 1563 Cara al Sur
0deg 30deg 1485 Cara al Sur Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira
EneroFebre
roMarz
oAbril Mayo Junio Julio
Agosto
Septiembr
e
Octubre
Noviembre
Diciembre
Acimut 180deg inclinacioacuten 30deg 10683 10448 12242 11513 12025 12145 12896 13125 11767 10942 9472 10036
Acimut 180deg inclinacioacuten 15deg 13369 12342 13376 12123 12182 12125 12992 13563 1263 12445 11064 12318
Acimut 180deg inclinacioacuten 10deg 14143 12849 13626 12205 12111 11992 12887 1357 12795 12829 11508 1297
Acimut 180deg inclinacioacuten 5deg 14839 13288 13809 12225 11979 11797 12716 13509 12895 13149 11899 13557
Acimut 0deg inclinacioacuten 0deg 15454 13654 13923 12182 11787 11542 12478 13378 12931 13404 12234 14075
Acimut 0deg inclinacioacuten 5deg 15981 13945 13967 12078 11536 11228 12176 13178 12901 1359 12509 14521
Acimut 0deg inclinacioacuten 10deg 16417 14159 13941 11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 12723 14889
Acimut 0deg inclinacioacuten 15deg 16759 14294 13845 11687 10867 10435 1139 12582 12648 13752 12873 15179
Acimut 0deg inclinacioacuten 30deg 17197 1422 13148 1067 952 8949 9823 11232 11802 13467 12939 15553
020406080
100120140160180200
kWhm
sup2
Radiacioacuten Aeropuerto Matecantildea para distintos planos
46
165 Objetos que crean sombra Este paraacutemetro es de suma importancia para el disentildeo de cualquier sistema fotovoltaico debido a que afecta netamente el rendimiento de los paneles Este factor es muy variable de acuerdo a la ubicacioacuten del lugar Se pretende que las sombras sean reducidas lo maacuteximo posible sin embargo estas suelen aparecer con mayor persistencia en eacutepocas del antildeo donde la altitud del Sol es menor Un meacutetodo para evaluar sombras en Colombia constariacutea del anaacutelisis de los diacuteas en donde la altitud del Sol es menor asiacute entonces tendriacutea en cuenta los diacuteas de solsticio de Junio (21 de Junio) y el solsticio de Diciembre (21 de Diciembre) para hacer un anaacutelisis visual de sombras que intervienen en el arreglo y evaluar si estas pueden ser retiradas para mejorar la captacioacuten o por el contrario no es posible retirarlas lo que conlleva a un menor rendimiento [10]
47
Capiacutetulo 2
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Los sistemas autoacutenomos o independientes de la red son una buena opcioacuten para
abastecer de energiacutea eleacutectrica zonas de difiacutecil acceso constan de un arreglo
fotovoltaico encargado de transformar la energiacutea proveniente del Sol en energiacutea
eleacutectrica un banco de bateriacuteas que se encargaraacute de suministrar energiacutea en horas
del diacutea en donde la radiacioacuten sea miacutenima o nula un regulador encargado de
adecuar la tensioacuten y la corriente para cargar el banco de bateriacuteas y protegerlo de
sobrecargas y descargas profundas y un inversor que convierte la corriente
continua en corriente alterna adecuada para suministrar las cargas
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTOacuteNOMO
Para entender el funcionamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo se necesita
comprender el funcionamiento de cada uno de los elementos que lo componen
para posteriormente entrar en detalles en el modelamiento del sistema fotovoltaico
como tal
211 El panel fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos tienen como misioacuten captar la energiacutea en forma de
fotones provenientes del Sol para generar corriente eleacutectrica capaz de ser
almacenada y aprovechada para cualquier uso
Estaacuten compuestos de ceacutelulas solares que al ser tratadas individualmente no seriacutean
capaces de proporcionar niveles de tensioacuten y corriente adecuados para el
consumo Son fraacutegiles eleacutectricamente no aisladas y carecen de soporte mecaacutenico
es por estas razones que es necesario ensamblarlas de una manera adecuada
para constituir una estructura uacutenica riacutegida y hermeacutetica
En el conjunto del panel FV las ceacutelulas o celdas solares deben ser iguales de lo
contrario se presentaraacuten sectores en el panel fotovoltaico con altas temperaturas
Estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute en serie yo en paralelo de forma que la
tensioacuten y corriente alcancen valores adecuados Es frecuente que primero se
conecten ceacutelulas en serie hasta ajustar un nivel de tensioacuten y posteriormente
asociar en paralelo varias cadenas de esta serie para alcanzar niveles de corriente
deseados [21]
2111 Estructura de los paneles solares
48
Aunque cada empaquetadura puede variar entre distintos fabricantes existen
varias caracteriacutesticas comunes entre ellos como el uso de una estructura de
ldquoSaacutendwichrdquo donde ambos lados de las ceacutelulas quedan mecaacutenicamente protegidos
Los paneles solares estaacuten formados por los siguientes elementos cubierta frontal
material encapsulante ceacutelulas o celdas solares y sus conexiones eleacutectricas
cubierta posterior y arco metaacutelico Otros elementos que pueden llegar a ser parte
del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores [21]
Figura 21 Componentes de un panel solar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar
Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
21111 La cubierta frontal
Sirve para proteger las ceacutelulas contra las inclemencias del tiempo e impactos Es
vidrio templado de 3 a 4mm de espesor y al que se le ha dado una textura que
minimiza la reflexioacuten de la luz y favorece la transmisioacuten hacia el material
semiconductor en algunos casos de hasta el 91 Tambieacuten los hay en materiales
orgaacutenicos y plaacutesticos de alta resistencia [15 21]
21112 El material encapsulante
Se encuentra entre el vidrio y las ceacutelulas y tambieacuten las recubre en la parte
posterior Se intenta que sea un material con iacutendice de refraccioacuten parecido al del
vidrio utilizado en la cubierta frontal con el fin de evitar peacuterdidas producidas por el
traspaso de la radiacioacuten entre el aire encapsulado por la cubierta frontal y la ceacutelula
49
Tiene la funcioacuten de proteger la ceacutelula de la entrada de polvo impurezas agua y
acumulacioacuten de humedad ademaacutes de proporcionar amortiguamiento de impactos
y absorber tensiones debido a sus caracteriacutesticas elaacutesticas Es usual que este
material sea un copoliacutemero denominado EVA (etileno-vinil-acetato) este no se
degrada faacutecilmente solo a temperaturas y niveles de iluminacioacuten muy elevados
Los paneles que usan laacuteminas plaacutesticas en la superficie colectora suelen perder
hasta un 20 del valor inicial de transmisividad despueacutes de muchos antildeos de uso
(aproximadamente 20 antildeos) mientras que los que usan vidrio templado pierden
alrededor de 5 debido a que este material resiste la accioacuten deteriorante de los
rayos ultravioleta [21]
21113 La cubierta posterior
Sirve de proteccioacuten y cerramiento al moacutedulo fundamentalmente contra los agentes
atmosfeacutericos ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad Estaacute
formada por varias capas de un aislante eleacutectrico llamado Tedlar que al ser
opacas y de color blanco reflejan la luz que ha logrado pasar por las ceacutelulas
haciendo que vuelva a la parte frontal donde puede ser reflejada e incidir de
nuevo en las ceacutelulas En otros casos la cubierta posterior puede ser de aluminio
con lo que mejora la disipacioacuten de calor al exterior lo cual es un factor muy
importante para determinar la potencia de salida de un panel FV [21]
21114 El marco metaacutelico
Es la parte que le da rigidez y permite que se pueda formar montando estructuras
Es de Aluminio anodizado acero inoxidable o similar con soporte para poder
empotrar al moacutedulo en una estructura Este debe estar conectado a un conductor
de toma a Tierra [21]
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica
Las cajas de conexioacuten se encuentran situadas en la parte inferior del panel y
tienen acceso a los bornes del panel (terminal positivo y negativo del panel)
Deben ser lo suficientemente aisladas para que no exista presencia de humedad y
por tanto oxidacioacuten y aumento de resistencia que generen puntos calientes en el
moacutedulo FV Tambieacuten es el lugar en donde se encuentran los diodos de by-pass y
diodos de bloqueo [10]
21116 Diodos de by-pass
Para entender el funcionamiento de los diodos de bypass es necesario hacer un
breve eacutenfasis en el circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
Circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
50
El circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica se representa en la siguiente
figura
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira
I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
V es la tensioacuten en el maacuteximo punto potencia de la ceacutelula fotovoltaica
IL es la corriente fotogenerada por la ceacutelula fotovoltaica
D es un diodo en paralelo que simula la unioacuten p-n
Rs es la resistencia serie de la ceacutelula originada por la oposicioacuten a la corriente en
el emisor la base los electrodos de la ceacutelula solar y los contactos o uniones entre
estos y el semiconductor Se busca disminuir la magnitud de esta resistencia para
volver la ceacutelula maacutes eficiente y para esto es clave que los fabricantes de ceacutelulas o
celdas realicen un buen disentildeo de la ceacutelula solar en el que los contactos
metaacutelicos frontales sean oacuteptimos
Rp es la resistencia paralelo que ofrece un camino alternativo para la corriente
fotogenerada En lugar de fluir a traveacutes de la unioacuten p-n fluye a traveacutes de la
resistencia paralelo de modo que se reduce el voltaje de la ceacutelula Cuanto menor
sea la resistencia paralelo maacutes corriente podraacute desviarse por ella afectando su
eficiencia El impacto de esta resistencia paralelo es elevado sobre todo cuando la
ceacutelula trabaja a baja irradiancia La resistencia paralelo suele ser baja debido a
defectos de fabricacioacuten por lo que para maximizarla es necesario mantener un
buen control del proceso productivo
La unioacuten de varias ceacutelulas fotovoltaicas crean un moacutedulo o panel solar asiacute
entonces eleacutectricamente se puede representar de la siguiente manera
51
Figura 23 modelo eleacutectrico de un panel solar tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira I
Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La anterior imagen muestra una cadena de 5 ceacutelulas fotovoltaicas expuestas a una
radiacioacuten de 1000wm2 y 25degc
Sus caracteriacutesticas eleacutectricas son
IL = 51A (corriente que la ceacutelula transforma de la radiacioacuten bajo esas
condiciones)
V = 051 (Tensioacuten alcanzada por la ceacutelula bajo dichas condiciones)
Al analizar el conjunto de las 5 ceacutelulas tenemos
Iconjunto = 51A
Vmaacutex= 255A
Cuando una ceacutelula fotovoltaica se ve afectada por una sombra esta ya no puede
producir corriente convirtiendo la fuente de corriente en un circuito abierto A
continuacioacuten se muestra la representacioacuten eleacutectrica de dicho suceso
52
Figura 24 modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute
Universitat Rovira I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico
Disponible en httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La trayectoria azul muestra el camino que tomariacutea la corriente con la ceacutelula 3
afectada por una sombra Esta condicioacuten hace que la ceacutelula 3 se convierta en una
carga resistiva haciendo que pueda sufrir dantildeos por recalentamiento y que toda la
cadena de ceacutelulas disminuya su tensioacuten
Explicado el anterior fenoacutemeno los diodos de by-pass tienen como principal
funcioacuten proteger las ceacutelulas parcialmente sombreadas ofreciendo un camino con
menor impedancia a la corriente y asiacute evitando que eacutesta dantildee teacutermicamente las
ceacutelulas parcialmente sombreadas La siguiente imagen muestra el camino de la
corriente cuando hay una ceacutelula bajo sombra y con presencia de diodos de by-
pass [2131-33]
Figura 25 funcionamiento de diodo de bypass tomada de Energeacutetica Futura iquestQueacute es el problema del Punto Caliente en moacutedulos fotovoltaicos Disponible en
53
httpenergeticafuturacomblogC2BFque-es-el-problema-del-punto-caliente-en-modulos-fotovoltaicos
21117 Diodos de bloqueo
Para sistemas aislados es comuacuten acoplar a un arreglo fotovoltaico un conjunto de
bateriacuteas estas pueden dantildear los moacutedulos cuando exista poca o nula radiacioacuten
(horas de la noche) descargaacutendose energiacutea acumulada sobre los paneles
dantildeando teacutermicamente las ceacutelulas fotovoltaicas Los diodos de bloqueo evitan que
las bateriacuteas se descarguen sobre el arreglo proporcionando un camino de muy alta
impedancia Tambieacuten evitan que el flujo de corriente se invierta entre bloques de
paneles conectados en paralelo cuando en uno o varios de ellos se produce una
sombra Estos diodos de bloqueo deben ser capaces de soportar la corriente de
cortocircuito y el voltaje de circuito abierto del campo completo como norma se
toma que puedan soportar dos veces la corriente de cortocircuito y la tensioacuten de
circuito abierto del arreglo fotovoltaico [21]
La siguiente imagen resume la conexioacuten de diodos de by-pass y diodos de
bloqueo con un arreglo de paneles y una bateriacutea
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar
Las caracteriacutesticas de salida de un moacutedulo o panel solar se representan en la
curva I-V que muestra la relacioacuten de salida entre la corriente y la tensioacuten La
mayoriacutea de estas curvas las proporciona el fabricante del panel y estaacuten estudiadas
bajo condiciones normalizadas de pruebas conocidas como STC (Standard Test
Conditions) [10]
Estas pruebas constan de
Irradiancia 1000wm2
54
Temperatura 25degc (77degF)
Espectro luminoso = 15 masa de aire
La corriente de salida variacutea en funcioacuten del voltaje en la carga y su temperatura de
trabajo La siguiente figura muestra en forma graacutefica dicha relacioacuten cuando el
nivel de radiacioacuten permanece constante para un panel en particular
Figura 27 curva caracteriacutestica de una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV) Cells
Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Si bien la anterior imagen muestra la salida de un panel en particular se podriacutea
decir que los demaacutes paneles de silicio del mercado van a tener un comportamiento
similar Se puede observar que el valor maacuteximo para la tensioacuten de salida es
cuando la corriente es nula a este punto se le llama tensioacuten de circuito abierto
(Voc) mientras que la corriente llega a su valor maacuteximo cuando la tensioacuten es nula
a este punto se lo conoce como corriente de corto-circuito (I119888119888) Tambieacuten se puede
observar el punto de maacutexima potencia este es el valor donde el aacuterea bajo la curva
I-V es maacutexima cada panel solar suele especificar este valor con Vmp (Maximun
point voltage)
La salida del panel solar depende baacutesicamente de dos factores fundamentales la
temperatura y la radiacioacuten solar A continuacioacuten se muestran dos imaacutegenes en
donde se observa la influencia en la salida de una celda al variar estos dos
paraacutemetros
55
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV)
Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Figura 29 efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar tomada de ITACA Photovoltaic
(PV) Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-
cells
De la figura 29 se puede resaltar que la corriente que genera el panel depende de
la radiacioacuten solar permaneciendo la tensioacuten aproximadamente constante
De acuerdo a lo anterior tiene mucha importancia la orientacioacuten y la inclinacioacuten
respecto a la horizontal debido a que la radiacioacuten variacutea a lo largo del diacutea en
funcioacuten de la inclinacioacuten del Sol respecto al horizonte
56
De la figura 28 se puede resaltar que el aumento de la temperatura en las ceacutelulas
genera una disminucioacuten de la tensioacuten del panel permaneciendo casi constante la
corriente Asiacute entonces la ventilacioacuten adecuada del panel fotovoltaico va a jugar un
papel importante respecto a la tensioacuten de salida del mismo
El efecto global del aumento de la temperatura de trabajo del panel es que la
potencia del panel disminuya lo que generariacutea la necesidad de instalar maacutes
paneles para una aplicacioacuten y una temperatura baja podriacutea aumentar
draacutesticamente la tensioacuten poniendo en riesgo los elementos que completan el
sistema fotovoltaico [10 15 21 35]
212 Bateriacuteas
Se intenta que un sistema fotovoltaico aislado cubra todas las necesidades de
consumo sin importar la hora del diacutea o las inclemencias del clima Las bateriacuteas
almacenan la energiacutea eleacutectrica de la corriente directa en forma quiacutemica para su
uso posterior Como la cantidad de energiacutea que brinda un arreglo fotovoltaico variacutea
de acuerdo a la alteracioacuten de las condiciones climaacuteticas un sistema de
almacenaje puede brindar una fuente de energiacutea relativamente constante cuando
el sistema fotovoltaico produce una energiacutea pequentildea siempre y cuando este
mismo sistema haya producido la energiacutea necesaria para cargar el sistema de
almacenaje
Los elementos que componen un sistema fotovoltaico no son 100 eficientes y las
bateriacuteas no son la excepcioacuten en las bateriacuteas cierta cantidad de energiacutea se pierde
como el calor y las reacciones quiacutemicas durante la carga y la descarga por ende
el sistema fotovoltaico ademaacutes de prever la carga de estaacute sistema tambieacuten debe
tener en cuenta este hecho
Aunque se generaliza que un sistema fotovoltaico aislado posea un sistema de
almacenamiento para ciertas aplicaciones no son necesarias es el caso de
sistemas de bombeo de agua durante el diacutea a tanques de almacenamiento
motores de ventilacioacuten de invernaderos que solo funcionen en el diacutea ventiladores
para usos en donde solo el Sol brilla entre otros
Los sistemas interconectados a la red no necesariamente necesitan bateriacuteas
aunque ellas pueden ser usadas como fuente de respaldo cuando la energiacutea
convencional falle involucrarlas significa un inversor maacutes sofisticado mayores
costos y un sistema menos eficiente
Existen muchos tamantildeos de bateriacuteas Las maacutes pequentildeas comuacutenmente utilizadas
en linternas y radios estaacuten catalogadas como bateriacuteas ldquodesechablesrdquo o ldquoprimariasrdquo
las bateriacuteas para estos mismos usos pero recargables se las denomina
57
ldquosecundariasrdquo Las bateriacuteas recargables de niacutequel cadmio (nicad o NICd) se usan
comuacutenmente para grandes cargas estacionarias tales como aplicaciones
industriales cargas diarias en el sector rural y residencial y pequentildeos aparatos
portaacutetiles
Los fabricantes de bateriacuteas garantizan el funcionamiento de las bateriacuteas en
funcioacuten de ciclos estos ciclos son la secuencia de cargar y descargar una bateriacutea
esta accioacuten puede ocurrir varias veces al diacutea dependiendo de la aplicacioacuten asiacute
entonces si se desea preservar la vida del banco de bateriacuteas es necesario
dimensionar de manera adecuada el nuacutemero de bateriacuteas con el fin de no
descargar tan frecuentemente el sistema [10 15 21]
2121 Tipos de bateriacuteas
Los siguientes tipos de bateriacuteas se usan comuacutenmente para aplicaciones
fotovoltaicas
Bateriacuteas de plomo-aacutecido
- De liacutequido ventilada (vaso abierto)
- Selladas (plomo aacutecido de vaacutelvula regulada)
Bateriacuteas alcalinas
- Niacutequel cadmio
- Niacutequel hierro
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecido
En algunos paiacuteses es muy comuacuten usar este tipo de bateriacuteas para aplicaciones
fotovoltaicas a escala residencial debido a que son recargables ampliamente
accesibles relativamente baratas y disponibles en distintos tamantildeos de
almacenamiento nominal son de faacutecil mantenimiento y vida relativamente alta son
bateriacuteas muy similares a las usadas por los automoacuteviles convencionales sin
embargo las diferencia su construccioacuten y su aplicacioacuten las bateriacuteas para
automoacuteviles no son recomendadas para usos fotovoltaicos debido a que ellas no
estaacuten disentildeadas para ldquociclos profundosrdquo estas estaacuten disentildeadas para descargar
grandes cantidades de corriente durante cortos intervalos de tiempo para despueacutes
ser inmediatamente cargada por el alternador o generador del vehiacuteculo
Los sistemas fotovoltaicos a menudo necesitan descargar pocas cantidades de
corriente durante largos periodos de tiempo y ser cargadas en condiciones
irregulares Una bateriacutea para ldquociclo profundordquo puede ser descargada hasta el 80
de su capacidad nominal Una bateriacutea de vehiacuteculo solo puede durar unos pocos
58
ciclos bajo tales condiciones mientras que un banco de bateriacuteas para uso
fotovoltaico puede durar de 3 a 10 antildeos e incluso maacutes
Este tipo de bateriacuteas se pueden subdividir en bateriacuteas de plomo-aacutecido de
electrolito liacutequido conocidas como ldquovaso abiertordquo y de plomo-aacutecido selladas
conocidas como ldquoVRLArdquo [10 15]
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abierto
Estas bateriacuteas tienen una construccioacuten muy similar a la que se utiliza en los
automoacuteviles con placas positivas y negativas hechas de plomo y aleaciones de
plomo sumergidas en una solucioacuten electroliacutetica de aacutecido sulfuacuterico y agua A
medida que esta se descarga a niveles muy altos esta produce hidroacutegeno gaseoso
y es expulsado de la bateriacutea este desecho es altamente explosivo esta situacioacuten
obliga a que el ambiente en donde se instalen estas bateriacuteas sea lo maacutes aislado
posible evitando chispas de calentadores de gas arranques de motores etc Asiacute
entonces el uso de estas bateriacuteas obliga al uso de alguacuten sistema de control de
tensioacuten eleacutectrica para regular el voltaje de la bateriacutea y evitar descargas peligrosas
Cuando las aberturas de salida de bateriacutea eliminan gases se pierde agua por lo
que debe rellenarse perioacutedicamente Algunas bateriacuteas estaacuten equipadas con tapas
recombinatorias que capturan los gases y los devuelven a la bateriacutea en forma de
agua Las bateriacuteas de ciclo profundo duraraacuten maacutes si se protege de descargas
completas Los controladores con desconexioacuten de bajo voltaje (LVD por sus siglas
en ingleacutes) protegen a la bateriacutea de descargas completas Estas bateriacuteas al igual
que las de los automoacuteviles tienen mayor eficiencia a temperaturas altas sin
embargo en estas condiciones las bateriacuteas duraraacuten menos ciclos [10 15]
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto tomada de AMB Green Power BATERIAS
SOLARES TROJAN Disponibles en httpwwwambgreenpowercombaterias_solares_trojanaspx
59
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA
Al contrario de las bateriacuteas con vasos abiertos las bateriacuteas reguladas por vaacutelvulas
VRLA no tienen tapa y por tanto no tienen acceso al electrolito sin embargo no
estaacuten totalmente selladas una vaacutelvula permite que el exceso de presioacuten escape
en caso de sobrecarga Este tipo de bateriacuteas son libres de mantenimiento
Los dos tipos de bateriacuteas selladas usadas comuacutenmente en los sistemas
fotovoltaicos son la celda de gel y de lana de vidrio absorbente (AGM por sus
siglas en ingles) En las bateriacuteas tradicionales de celda de gel el electrolito se
lleva a estado coloidal o se gelifica por la adicioacuten de un material llamado siacutelica gel
que convierte el liacutequido en una masa coloidal Las bateriacuteas AGM usan una tela de
vidrio de un material siacutelice fibrosa para mantener el electrolito Esta tela o malla
suministra depoacutesitos o bolsillos que ayudan en la recombinacioacuten de gases
generados durante la carga y limita la cantidad de hidroacutegeno gaseoso producido
Este tipo de bateriacuteas son a prueba de derrame El electrolito gelificado no puede
derramarse ni aun en caso de rotura Esto les permite ser transportadas y
manipuladas con seguridad otra gran ventaja de estas bateriacuteas respecto a las
bateriacuteas de plomo acido de vaso abierto es que eacutestas se pueden enviar por avioacuten
sin necesidad de ser transportadas secas como es el caso de las bateriacuteas de vaso
abierto que es necesario que sean activadas en el sitio con la adicioacuten del
electrolito sin embargo las bateriacuteas de celdas de gel cuestan maacutes por unidad de
capacidad [10 15]
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA tomada de MTEK Bateriacutea GEL
100Ah Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID44CatID11Defaultaspx
60
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM tomada de MTEK Bateriacutea AGM 12volts 150Ah
Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID53CatID10Defaultaspx
21212 Bateriacuteas alcalinas
Las bateriacuteas alcalinas como las bateriacuteas de niacutequel cadmio y niacutequel hierro tambieacuten
tienen placas negativas y positivas sumergidas en un electrolito que usualmente
es de hidroacutexido de potasio Cada celda de la bateriacutea tiene una tensioacuten nominal de
12 volts y el punto de terminacioacuten de carga es entre 165v y 18v por celda
Tienen una gran ventaja respecto a las bateriacuteas de plomo aacutecido y es su
independencia respecto a la temperatura lo que las hace ideales para trabajar a
temperaturas extremadamente friacuteas como -45ordmc o menos sin embargo son mucho
maacutes costosas (de 6 a 8 veces) que las de plomo aacutecido lo que las vuelve poco
viables para esta aplicacioacuten
A pesar que son bateriacuteas maacutes costosas que las bateriacuteas de plomo-aacutecido estas
pueden tener un costo operacional maacutes bajo debido a su larga vida uacutetil y al poco
mantenimiento que necesitan Sus caracteriacutesticas maacutes sobresalientes son su
capacidad para soportar sin dantildeo cargas y descargas excesivas asiacute como una
mayor profundidad de descarga (cerca del 100) tienen una mayor eficiencia con
baja temperatura ambiente y altas humedades y evitan problemas de sulfatacioacuten
de las placas o congelacioacuten del electrolito [10 15]
2122 Especificaciones de las bateriacuteas
Las bateriacuteas poseen especificaciones de placa que deben ser tenidas en cuenta
para el uso en aplicaciones fotovoltaicas Las maacutes importantes se explican a
continuacioacuten
21221 Capacidad de la bateriacutea
La capacidad de la bateriacutea es sin duda un aspecto importante de las bateriacuteas esta
se valora en los amperios hora que puedan almacenar Una manera anaacuteloga muy
faacutecil de explicar este paraacutemetro es comparaacutendolo con un balde con agua en
61
donde el agua es anaacuteloga a la energiacutea y la capacidad en Ah se representa con la
capacidad de almacenamiento de agua del balde
En teoriacutea los amperios hora son la capacidad para que una bateriacutea entregue (o
almacene) cierta cantidad de amperios en un tiempo especiacutefico Asiacute entonces una
bateriacutea de 100Ah puede suministrar 100 amperios en 1 hora o 50 amperios en 2
horas etc Antes de que la bateriacutea se considere descargada sin embargo muchos
factores pueden afectar la capacidad de la bateriacutea como el ritmo de descarga la
temperatura la eficiencia del inversor la eficiencia del regulador el tiempo de uso
de la bateriacutea entre otros
Es comuacuten que para un sistema fotovoltaico las cargas necesiten maacutes de una
bateriacutea para su funcionamiento a este conjunto de bateriacuteas se le conoce como
ldquobanco de bateriacuteasrdquo y la capacidad de este se deberaacute calcular en funcioacuten de las
cargas a alimentar y de los diacuteas de autonomiacuteas o diacuteas de respaldo en caso de
radiacioacuten miacutenima
Sobredimensionar el banco de bateriacuteas por conexioacuten de nuevas bateriacuteas para
aumentar la capacidad de almacenamiento del banco puede generar varios
problemas entre ellos el que las viejas bateriacuteas degraden el comportamiento de
las nuevas bateriacuteas a causa de que la resistencia interna de las celdas de las
bateriacuteas nuevas es mayor que el de las bateriacuteas viejas ademaacutes al conectar
muchas bateriacuteas aumenta la probabilidad de fallas debido a celdas defectuosas y
al sobredimensionar el arreglo de bateriacuteas respecto al arreglo fotovoltaico se
genera un estado de carga parcial entre las bateriacuteas que causa acortamiento de
vida uacutetil del banco reduccioacuten de la capacidad y aumento en la sulfatacioacuten Es por
estas razones que los fabricantes de bateriacuteas prohiacuteben antildeadir nuevas bateriacuteas a
un banco ya existente [15]
21222 Ritmo y profundidad de descarga
El ritmo a la que se descarga la bateriacutea afecta directamente su capacidad Si la
bateriacutea se descarga raacutepidamente hay menos capacidad disponible y si por el
contrario una bateriacutea se descarga lentamente tendraacute maacutes capacidad para
entregar Asiacute por ejemplo una bateriacutea de 2 voltios con una capacidad de 2500Ah
puede entregar 131A en 20 horas lo que seriacutea equivalente a 2620Ah y 446A en 5
horas lo equivalente a 2230Ah (Ver anexo 2 Especificaciones de fabricante
MTEK para bateriacutea modelo MT225000D Constant Current Discharge
Characteristics) Asiacute entonces se especifican bateriacuteas con la capacidad de la
bateriacutea respecto al nuacutemero de horas en que se descarga De esta forma si una
bateriacutea entrega una capacidad de almacenamiento debe especificar tambieacuten el
nuacutemero de horas en que se descarga Es comuacuten que los fabricantes valoren este
62
dato en 20 horas y lo especifiquen con un C20 sin embargo hay fabricantes que
especifican este dato en un C10
Teniendo en cuenta lo anterior existe un tiempo involucrado en la carga de las
bateriacuteas que debe ser tenido en cuenta por el arreglo fotovoltaico y es que si se
necesita con urgencia cargar el banco de bateriacuteas se necesitaran maacutes paneles
que puedan generar dicha energiacutea o si por el contrario existe una mayor tolerancia
en el tiempo de carga de la bateriacutea el arreglo no necesita mucha energiacutea extra a la
de las cargas para cargar el banco de bateriacuteas Esta variable se llama Tiempo de
recuperacioacuten del sistema y se trataraacute en la seccioacuten de ldquoparaacutemetros necesarios
para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomordquo
La profundidad de descarga (PDD por sus siglas en ingleacutes) se refiere a la
capacidad que puede obtenerse de una bateriacutea La mayoriacutea de los sistemas
fotovoltaicos estaacuten disentildeados para descargas regulares del 40 y 80 La vida
de la bateriacutea estaacute relacionada directamente con la profundidad del ciclo de la
bateriacutea Por ejemplo si una bateriacutea se descarga 50 cada diacutea esta duraraacute
alrededor del doble que si se descargara el 80 Las bateriacuteas de plomo aacutecido
nunca deben descargarse completamente aunque algunas bateriacuteas de ciclo
profundo pueden sobrevivir bajo estas condiciones su tensioacuten decreceraacute
continuamente Sin embargo las bateriacuteas de NiCd pueden descargarse totalmente
sin sufrir dantildeos y manteniendo su tensioacuten
Los bancos de bateriacuteas de poca profundidad que descargan bateriacuteas solo entre el
10 y el 20 tienen dos ventajas diferentes Primero es que se preserva la
duracioacuten de la bateriacutea como se muestra en la figura siguiente en donde a menor
profundidad de descarga mayor nuacutemero de ciclos la bateriacutea puede resistir y
segundo es que el sistema puede llegar a ser maacutes confiable debido a que se crea
una reserva de energiacutea que se puede usar en situaciones de clima criacuteticas Sin
embargo crear un banco con estas especificaciones puede ser demasiado
costoso debido a que involucrariacutea mayor nuacutemero de bateriacuteas asiacute entonces se
debe buscar una buena relacioacuten de costo- confiabilidad Es usual encontrar un alto
nuacutemero de ciclos y un banco relativamente econoacutemico trabajando a un 50 de
PDD
A continuacioacuten se muestra la relacioacuten PDD vs ciclos para una bateriacutea promedio
63
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea
Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
Los fabricantes de bateriacuteas especifican que la esperanza de vida de una bateriacutea
se mide en nuacutemero de ciclos Las bateriacuteas pierden capacidad con el tiempo y se
considera que han llegado al final de su vida uacutetil cuando han perdido el 20 de su
capacidad nominal
La anterior imagen muestra la relacioacuten existente entre el porcentaje de descarga
promedio y el nuacutemero de ciclos para una bateriacutea sellada de bajo costo Asiacute
entonces una bateriacutea de estas caracteriacutesticas con un uso de poca profundidad de
solo el 25 de PDD podriacutea durar cerca de unos 4000 ciclos mientras que una
bateriacutea con un uso de 80 de PDD solo podraacute durar unos 1500 ciclos
Los Ah de una bateriacutea se miden de acuerdo a la tensioacuten que esta tiene en sus
bornes es decir que si esta descargada mediraacute una tensioacuten por debajo de su
tensioacuten nominal y cuando es cargada por completo tendraacute una tensioacuten superior
Esta es la manera de medir el estado de carga de las bateriacuteas por parte de los
instrumentos de control de un sistema fotovoltaico de esta forma se logra
controlar el PDD para evitar descargas profundas y disminuir la esperanza de vida
de la bateriacutea [10 15]
21223 Condiciones ambientales
Las bateriacuteas son sensibles a la temperatura del entorno que las rodea y por tanto
es necesario tener en cuenta este factor La temperatura afecta la capacidad de
Ah que esta puede dar en general los fabricantes entregan la capacidad de la
bateriacutea a 25degc sin embargo la capacidad de esta decreceraacute a menores
temperaturas y aumentaraacute a mayores temperaturas Lo anterior respecto a la
capacidad de la bateriacutea lo contrario ocurre para la esperanza de vida o el nuacutemero
de ciclos que esta puede soportar en donde a temperaturas por encima de 25degc la
64
esperanza de vida disminuye y por debajo de los 25degc la esperanza de vida
aumenta La mayoriacutea de los fabricantes aseguran que hay una peacuterdida de vida del
50 por cada 15degF (83degc) que se incrementen por encima de los 77degF (25degc) de
temperatura estaacutendar de la bateriacutea
De esta forma se intenta que el banco de bateriacuteas sea ubicado en un lugar
ventilado y aislado por el peligro de explosioacuten que existe cuando las reacciones
quiacutemicas desechan hidroacutegeno pues este es explosivo y nocivo para la salud [10]
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacutea
Para medir un estado de carga de una bateriacutea es usual utilizar un voltiacutemetro
aunque tambieacuten se puede medir con un densiacutemetro midiendo la densidad del
electrolito este meacutetodo no es tan comuacuten por el costo del aparato de medicioacuten y
porque seriacutea imposible medir de esta forma la carga de una bateriacutea sellada tipo
GMA o tipo GEL asiacute entonces se adopta con mucha maacutes frecuencia medir la
tensioacuten en los bornes de las bateriacuteas en reposo es decir desconectarlas de las
fuentes y de las cargas por unas horas La tensioacuten obtenida por este meacutetodo
puede ser consultada con tablas anexas a los manuales de las bateriacuteas
suministradas por el fabricante aunque es comuacuten adoptar los siguientes valores
[10 36]
ESTADO DE CARGA TENSIOacuteN BATERIacuteAS TIPO VASO ABIERTO
100 128
75 125
50 122
25 119
0 116 Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea
213 Regulador de carga
La energiacutea solar tiene una naturaleza muy variable lo que causariacutea problemas a la
hora de disponer de ella directamente mediante un arreglo fotovoltaico para
suministrar energiacutea a equipos sensibles de tensioacuten y corriente es por esto que se
han desarrollado dispositivos que controlan en cierta forma la conversioacuten de
energiacutea solar a eleacutectrica Bajo esta premisa se han desarrollado los reguladores de
carga o controladores solares que para un sistema aislado intentan acoplar el
arreglo fotovoltaico con el banco de bateriacuteas adecuando de cierta forma la tensioacuten
y la corriente al banco de bateriacuteas para el correcto funcionamiento de este
evitando primordialmente sobrecargas y descargas profundas que pueden acortar
la esperanza de vida de las bateriacuteas La mayoriacutea de reguladores disponibles en el
65
mercado se instalan entre el arreglo fotovoltaico y las bateriacuteas tomando de estas
la energiacutea para su funcionamiento
Los reguladores de carga actuales poseen varios microcontroladores programados
para analizar el estado de carga de las bateriacuteas tensioacuten y corriente del arreglo con
el fin de tomar decisiones adecuadas para cargar las bateriacuteas de forma adecuada
algunos de estos poseen un bus de datos para proporcionar dicha informacioacuten al
usuario dando a conocer posibles problemas en el sistema
Asiacute entonces las prestaciones maacutes habituales de los reguladores de carga que se
usan en instalaciones solares autoacutenomas son las siguientes
Proteccioacuten contra sobrecarga del banco de bateriacuteas es la funcioacuten maacutes baacutesica del
regulador con la cual evita que la bateriacutea se caliente pierda agua el electrolito
(para bateriacuteas plomo-acido vaso abierto) y que las placas se oxiden
Alarma por tensioacuten de bateriacutea baja cuando la tensioacuten del banco de bateriacuteas
alcanza niveles bajos (especificados por el fabricante) significa que esta
descargado y corre peligro en caer en una descarga profunda Esta alarma
informa a los usuarios de este problema con el fin de que estos regulen su
consumo de energiacutea sin embargo esta no siempre es la solucioacuten lo que obliga al
regulador a desconectar las cargas mediante relees electromecaacutenicos
incorporados en el dispositivo con el fin de concentrar toda la energiacutea en el banco
de bateriacuteas y restablecer el suministro una vez superado el inconveniente [10]
Existen dos tipos de reguladores de carga para uso fotovoltaico reguladores con
modulacioacuten de ancho de pulso conocidos como reguladores PWM (Pulse Width
Modulation) y reguladores con seguimiento del maacuteximo punto de potencia
conocidos como reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking)
2131 Reguladores PWM
Los reguladores de carga solares PWM facilitan una conexioacuten directa desde el
panel solar hacia el banco de bateriacuteas proporcionando la tensioacuten necesaria para
que este se cargue siempre y cuando el arreglo fotovoltaico lo facilite Asiacute
entonces un regulador PWM ajusta niveles de tensioacuten de acuerdo a la tensioacuten
necesitada por el banco de bateriacuteas y este va a disminuyendo su tensioacuten de
acuerdo a la energiacutea que vaya almacenando esta condicioacuten genera que el arreglo
fotovoltaico no aproveche toda la potencia que puede generar y ser aprovechada
por las cargas es decir que este tipo de reguladores no garantiza operar en el
punto donde el arreglo fotovoltaico proporciona mayor cantidad de potencia este
punto se lo conoce con las siglas MPP (Maximun Power Point)
66
Un ejemplo tiacutepico es un sistema a 12V en donde se tiene una sola bateriacutea de
plomo aacutecido AGM que opera en un rango aproximado entre 10V y 15V
dependiendo del estado de carga un moacutedulo tiacutepico para cargar esta bateriacutea tiene
una tensioacuten Vmp = 17V asiacute entonces el regulador PWM se ve obligado a reducir
esta tensioacuten a un valor entre 10V y 15V para cargar la bateriacutea haciendo que el
panel no pueda aprovechar toda su capacidad
La siguiente imagen ilustra dicho comportamiento
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar tomada de MORNINGSTAR
Traditional PWM vs Morningstarrsquos TrakStartrade MPPT Technology Disponible en
httpwwwmorningstarcorpcomwp-contentuploads201404Morningstar-Corporation-Traditional-
PWM-vs-TrakStar-MPPT-Whitepaper-April-2013pdf
De esta forma se observa que con reguladores PWM entre mayor sea la diferencia
de la tensioacuten del arreglo fotovoltaico a la del banco de bateriacuteas menor seraacute el
aprovechamiento de energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico es decir que hay
energiacutea que se desperdicia bajo estas condiciones Esto puede ser aun peor
cuando la temperatura disminuye debido a que la tensioacuten aumenta y se
desperdicia auacuten maacutes energiacutea que con un regulador MPPT se podriacutea aprovechar
para cargar de una mejor manera las bateriacuteas y mejor suministro de energiacutea a las
cargas
Para el uso de un regulador PWM se recomienda tener en cuenta varios factores
por parte del arreglo fotovoltaico como verificar que la tensioacuten de circuito abierto a
bajas temperaturas (maacutexima tensioacuten de un arreglo fotovoltaico) del arreglo no
supere la tensioacuten maacutexima del regulador esto debido a que puede estropear su
funcionamiento y en peores casos dantildearlo de forma irreparable debido a que la
corriente generada por el arreglo fotovoltaico seraacute la misma a la salida del
67
regulador PWM es necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico (maacutexima corriente que un arreglo fotovoltaico puede generar) no
supere la corriente maacutexima que los fabricantes recomiendan esto puede generar
recalentamientos frecuente accioacuten de las protecciones y dantildeos en el dispositivo
de manera irreparable la tensioacuten de maacutexima potencia de un arreglo fotovoltaico
tambieacuten debe ser previamente verificada esta debe superar la tensioacuten maacutexima de
carga de las bateriacuteas de tal forma que el arreglo pueda proporcionar una carga
adecuada al banco sin embargo no debe sobrepasar demasiado dicha tensioacuten
debido a que se desperdiciariacutea mucha energiacutea y el sistema no seriacutea eficiente
Seguacuten esto algunos fabricantes recomiendan los siguientes casos
Sistemas de 12V Vmpgt 15V
Sistemas de 24V Vmpgt 30V
Sistemas de 36V Vmpgt 45V
Sistemas de 48V Vmpgt 60V
Con respecto a la magnitud de la tensioacuten Vmp el software PVSol recomienda que
la tensioacuten de la bateriacutea no debe ser menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo fotovoltaico (Vmp) [37 38]
2132 Reguladores MPPT
Los controladores MPPT poseen un algoritmo que busca la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo (Vmp) del arreglo fotovoltaico y asiacute lograr utilizar en casi su
totalidad la potencia que el arreglo fotovoltaico puede suministrar De esta manera
ya no es necesario buscar una configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que se acople
al banco de bateriacuteas ya que este regulador convertiraacute la diferencia de tensioacuten
entre el arreglo fotovoltaico y el banco de bateriacuteas en corriente asiacute entonces es
posible que la corriente que genere el arreglo fotovoltaico ya no sea la misma que
alimenta al banco de bateriacuteas y las cargas si no que sea mayor aprovechando la
potencia que el arreglo fotovoltaico puede generar por tanto la potencia de
entrada del regulador seraacute aproximadamente igual (debido a peacuterdidas normales de
cualquier dispositivo) a la salida de este
Los reguladores MPPT entonces pueden aprovechar la potencia extra (puede
llegar a ser mayor que en condiciones STC) del arreglo fotovoltaico cuando las
ceacutelulas alcancen temperaturas bajas (aumenta la tensioacuten y por tanto aumenta la
potencia)
Al igual que en los reguladores PWM los reguladores MPPT necesitan que el
arreglo fotovoltaico esteacute bien dimensionado para garantizar un ambiente adecuado
68
para el funcionamiento del regulador Como principal preocupacioacuten se debe tener
en cuenta la tensioacuten en circuito abierto del arreglo fotovoltaico a temperaturas
bajas debido a que eacutesta es la condicioacuten para la cual se logra la mayor tensioacuten que
el arreglo fotovoltaico puede alcanzar esta no debe ser mayor a la tensioacuten
maacutexima especificada por el fabricante del regulador No cumplir con la anterior
condicioacuten puede dantildear el regulador por efecto de una sobretensioacuten tambieacuten es
necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo fotovoltaico no sea
mayor a la que el fabricante entrega esta condicioacuten puede dantildear por efectos de
sobrecorriente el dispositivo Por uacuteltimo los fabricantes de reguladores MPPT
entregan un dato que especifica cuanta potencia el regulador puede transmitir al
banco de bateriacuteas y a las cargas se recomienda entonces que la potencia
fotovoltaica instalada del arreglo no sea mayor que la maacutexima potencia del
dispositivo No acatar dicho paraacutemetro no significa poner en riesgo el regulador
MPPT si no que eacuteste en esas condiciones no podraacute entregar toda la potencia
proporcionada por el arreglo fotovoltaico de esta forma el sistema perderaacute
eficiencia por tanto se evita esta situacioacuten en la etapa de disentildeo del arreglo
fotovoltaico
En la seccioacuten 2112 (Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar) se explica el
comportamiento que tiene la temperatura respecto la tensioacuten de un panel solar la
manera de relacionar estos dos paraacutemetros estaacute dada por el coeficiente de
temperatura especificado por el fabricante del moacutedulo (coefficient Temperature
Voc y comuacutenmente se expresa en K) este paraacutemetro entrega la informacioacuten
necesaria de coacutemo seraacute la tensioacuten del moacutedulo fotovoltaico bajo influencia de la
temperatura A continuacioacuten se explica coacutemo se debe calcular la maacutexima tensioacuten
de un arreglo fotovoltaico y un rango de tensioacuten de operacioacuten (Vmp) que es muy
uacutetil cuando se desea utilizar un regulador MPPT
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119900119888) 119875119904119890119903119894119890 120784 120783
119881119898iacute119899119898119901 = ((119879119898aacute119909 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120784
119881119898aacute119909119898119901 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120785
En donde
69
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119898iacute119899119898119901 tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura alta promedio
119881119898aacute119909119898119901 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura baja promedio
119879119898iacute119899 temperatura promedio miacutenima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119879119898aacute119909 temperatura promedio maacutexima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119862119900119890119891119905119890119898119901 coeficiente de temperatura en K especificado por el fabricante
119881119900119888 tensioacuten de circuito abierto especificada por el fabricante del moacutedulo
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia especificado por el fabricante
119875119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie
Los reguladores MPPT tienen un rango de seguimiento de tensioacuten donde el
regulador buscaraacute la tensioacuten de maacutexima potencia es decir que si el arreglo tiene
una tensioacuten que se encuentra dentro de este rango el regulador garantizara la
maacutexima potencia del arreglo es por esta razoacuten que es necesario conocer un
rango de tensioacuten de operacioacuten del arreglo en funcioacuten de la temperatura promedio
miacutenima y maacutexima de la zona donde se quiere instalar esto con el fin de buscar en
el mercado un regulador con rango de seguimiento que abarque el rango de
tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo (limitados por 119881119898119894119899119898119901 y 119881119898119886119909119898119901)
Aunque todo apunta a que son mayores las ventajas que entrega el regulador
MPPT respecto al regulador PWM no siempre es asiacute la principal desventaja que
tiene un regulador MPPT respecto a un regulador PWM es su costo y es que
resulta en promedio de tres a cuatro veces maacutes econoacutemico un regulador PWM
adicional a esto en ciertas aplicaciones las ventajas estudiadas anteriormente
pueden ser anuladas por el regulador PWM asiacute entonces en ocasiones resulta
maacutes conveniente un regulador PWM A continuacioacuten se nombran algunos casos
Aplicaciones de baja potencia (consumo de corriente baja) la mayoriacutea de
reguladores MPPT poseen una baja eficiencia a comparacioacuten de los reguladores
PWM cuando la carga es baja Esto podriacutea empeorar cuando este tipo de cargas
70
es de uso continuo Muchos fabricantes especifican las curvas de eficiencia de sus
dispositivos para informar al disentildeador acerca de la eficiencia
A continuacioacuten se muestra una curva caracteriacutestica de eficiencia de un regulador
MPPT
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT tomada de MORNINGSTAR Solar
Controller with Maximum Power Point Tracking Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Altas temperaturas Como se explicoacute anteriormente se observa un mejor
comportamiento de reguladores MPPT en temperaturas bajas debido al aumento
de la tensioacuten de maacutexima potencia (Vmp) Por el contrario cuando hay temperatura
media suficientemente alta la tensioacuten Vmp decrece ajustando sin necesidad de
seguimiento de punto de maacutexima potencia el arreglo fotovoltaico al banco de
bateriacuteas (disminuye la diferencia entre el Vmp del arreglo fv y del banco de
bateriacuteas) No seriacutea necesario utilizar un regulador MPPT en estas aplicaciones
Sistemas fotovoltaicos para consumo en el diacutea para cargas de uso en horas del
diacutea es comuacuten que la energiacutea del arreglo fotovoltaico se use directamente sin
necesidad de almacenarlas en bateriacuteas Esta situacioacuten hace que la energiacutea de las
bateriacuteas no sea comuacutenmente usada y por tanto que el banco de bateriacuteas no sea
muy frecuentemente cargado haciendo que la ventaja de recoleccioacuten de energiacutea
proporcionada por un regulador MPPT no sea necesaria [37]
214 Inversores autoacutenomos
Los inversores autoacutenomos se encargan de convertir la corriente continua del
arreglo fotovoltaico en corriente alterna que es maacutes faacutecil de transportar y se ha
convertido en el estaacutendar para los fabricantes de aparatos electroacutenicos comunes
71
Es por esto que los inversores juegan un gran papel en instalaciones fotovoltaicas
debido a que son el acople directo entre el sistema fotovoltaico y las cargas
adicional a esto las bateriacuteas solo pueden almacenar energiacutea en forma de corriente
directa lo que evidencia auacuten maacutes su importancia
Durante antildeos los constructores han usado diferentes tecnologiacuteas para convertir la
corriente continua de una fuente de baja tensioacuten en corriente alterna de mayor
tensioacuten Los primeros inversores usaban un transistor baacutesico para cambiar la
polaridad de la corriente continua de positivo a negativo cerca de 60 veces por
segundo creando una forma de onda cuadrada con gran cantidad de armoacutenicos
Fue entonces con la llegada de circuitos integrados maacutes sofisticados como
transistores de efecto de campo y transformadores de alta frecuencia que fue
posible la creacioacuten de inversores maacutes eficientes y ligeros que producen una forma
de ondas cercanas a una onda sinusoidal En lugar de convertir corriente directa
en alterna de 120VCA o 240VCA se usa un proceso multipasos digital en donde
se convierte la corriente continua en alterna de tensioacuten baja y alta frecuencia para
despueacutes elevar la tensioacuten con un transformador de alta frecuencia rectificarla en
una nueva etapa y convertirla nuevamente a tensioacuten y frecuencia requeridas [10]
2141 Clasificacioacuten de inversores
Existen tres tipos fundamentales de inversores autoacutenomos que se clasifican
baacutesicamente por su forma de onda Se explican a continuacioacuten
21411 Inversores de onda cuadrada
Estos inversores cambian la entrada de corriente directa en una salida de corriente
en funcioacuten de paso o ldquocuadradardquo alterna Estos brindan poco control de tensioacuten de
salida capacidad de sobretensioacuten limitada y una distorsioacuten armoacutenica considerable
Por tanto los inversores de forma de onda cuadrada son apropiados para
pequentildeas cargas de calentamiento por medio de resistencias algunos aparatos
eleacutectricos de bajo consumo y focos incandescentes Son inversores econoacutemicos y
tienen poco uso en el campo residencial
21412 Inversores de onda cuadrada modificada
Este tipo de inversores utiliza transistores de efecto de campo (FET) o
rectificadores de control de silicio (SCR) para cambiar la entrada de corriente
directa en salida de corriente alterna Este tipo de inversores pueden manejar
grandes sobretensiones y producir salidas con mucha menos distorsioacuten armoacutenica
debido a esto es adecuado para un mayor nuacutemero de cargas como algunos
motores televisores luces equipos de muacutesica etc
72
21413 Inversores de onda sinusoidal
Los inversores de onda sinusoidal se usan para operar aparatos electroacutenicos
sensibles que requieren una forma de onda de alta calidad Ellos son los
inversores maacutes comunes en las aplicaciones residenciales y tienen muchas
ventajas sobre los inversores de onda cuadrada modificada como tener una salida
con muy poca distorsioacuten armoacutenica que permite energizar los maacutes sensibles
aparatos electroacutenicos poseen una mayor capacidad de sobretensioacuten y son
capaces de arrancar muchos tipos de motores faacutecilmente [10 15]
La imagen siguiente muestra la forma de onda de los tres tipos de inversores
autoacutenomos caracteriacutesticos
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2142 Caracteriacutesticas de los inversores
Eficiencia la mayoriacutea de los inversores modernos convierten maacutes del 90 de la
corriente directa en la entrada en corriente alterna de salida Muchos fabricantes
de inversores aseguran una alta eficiencia sin embargo los inversores solo son
altamente eficientes cuando se utilizan en ciertos puntos de operacioacuten por tanto
es necesario saber cuaacutenta carga maacutexima alcanzaraacuten las cargas para escoger un
inversor adecuado La siguiente imagen muestra una curva tiacutepica de un arreglo
fotovoltaico
73
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor tomada de MORNINGSTAR Pure sine wave
inverter Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Peacuterdidas en espera o standby se refiere al consumo de energiacutea que un inversor
posee cuando no hay cargas en operacioacuten los inversores modernos poseen unas
muy bajas peacuterdidas por standby
Regulacioacuten de frecuencia la regulacioacuten de frecuencia de un inversor debe ser
capaz de manejar cualquier condicioacuten de entrada debido a que existen cargas
que son muy sensibles a esto Esta caracteriacutestica depende netamente de la
construccioacuten y la calidad del inversor
Potencia de salida de AC (Watt) los fabricantes de inversores disentildean el
dispositivo para cierta magnitud maacutexima de carga asiacute entonces es importante que
un inversor sea capaz de soportar la potencia pico de la demanda de lo contrario
el inversor puede sufrir recalentamiento y se veraacute obligado a accionar muy
frecuentemente las protecciones internas (si el fabricante las garantiza)
Tensioacuten de entrada DC la entrada de un inversor estaacute suministrada por el arreglo
fotovoltaico y por las bateriacuteas depende de la configuracioacuten del sistema cual es
dicha tensioacuten Es comuacuten que los sistemas fotovoltaicos sean de 12V 24V 36V o
48V y es obligatorio que la entrada a del inversor sea igual a la del sistema
Tensioacuten de salida AC es necesario hacer un estudio previo del tipo de cargas que
se piensan interconectar y saber que tensioacuten nominal manejan de acuerdo a esto
se escoge un inversor con tensioacuten de salida en AC que satisfaga dichas cargas
De lo contrario el suministro de energiacutea no se lograraacute de manera adecuada y el
inversor podriacutea sufrir dantildeos
74
Capacidad de sobretensioacuten la mayoriacutea de inversores son capaces de exceder
mayores cantidades de potencia por corto tiempo Esto puede ser un factor
importante para el arranque de motores que suelen consumir cerca de siete veces
su potencia nominal en el arranque [10 15]
22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
En la seccioacuten 15 se explica [28] y se evidencia que en Colombia existe una gran
necesidad de dimensionar de una manera adecuada los sistemas fotovoltaicos
debido a que cerca del 44 de los sistemas existentes tiene problemas para
funcionar o no funcionan A continuacioacuten se explica los paraacutemetros que se
necesitan conocer para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico
221 Estimacioacuten del consumo y carga
Con frecuencia la carga es el paraacutemetro que maacutes influye en el tamantildeo y costo de
un sistema fotovoltaico por esta razoacuten es necesario hacer un estudio adecuado
para determinar valores adecuados de carga el eacutexito de un disentildeo fotovoltaico
dependeraacute de esta variable
Aunque en teoriacutea se puede alimentar cualquier tipo de carga se intenta no
alimentar muchas resistencias que generen calor sobre todo si eacutestas tienen
mucho tiempo de uso como es el caso de sistemas de calentamiento de agua
calefaccioacuten hornos eleacutectricos etc Lo anterior se intenta evitar debido a la gran
potencia que necesitan para funcionar y por tanto pueden demandar un gran
consumo de energiacutea que puede encarecer el sistema fotovoltaico Sin embargo si
se dispone de los recursos suficientes y no existen otras opciones se puede llevar
a cabo el disentildeo y dimensionamiento
Por otra parte tambieacuten es necesario revisar las caracteriacutesticas eleacutectricas de cada
carga como es el caso de frecuencia nominal tensioacuten nominal potencia nominal
corriente en standby y distorsioacuten armoacutenica Esto con el fin de encontrar un inversor
que sea capaz de alimentar las cargas sin sufrir dantildeo alguno Asiacute mismo es de
suma importancia determinar el tiempo promedio en el cual van a estar en uso las
cargas en el diacutea esto con el fin de estimar un consumo promedio diario este
aspecto junto con la potencia nominal de cada carga determinaraacute el consumo
promedio diario
Asiacute entonces con este estudio se pretende estimar tres vectores
[119873] nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea energizar [119882] potencia en Watt nominal que necesitan los aparatos eleacutectricos que se desean energizar
75
[ℎ] estimacioacuten de tiempo en horas al diacutea que los aparatos eleacutectricos permanecen encendidos Con lo anterior se define un vector de consumo por grupo de aparatos [119862] cuyos elementos estaacuten en Whdia
[119862] = [
1198621
1198622
⋮119862119899
] = [
1198731 lowast 1198821 lowast ℎ1
1198732 lowast 1198822 lowast ℎ2
⋮119873119899 lowast 119882119899 lowast ℎ119899
] 120784 120786
Una vez encontrado [119862] se puede definir el consumo promedio diario y la carga
maacutexima de la siguiente forma
119860119888119879 = sum 119862119896
119899
119896=1
120784 120787
119875119879119860119862 = sum 119873119896 lowast 119882119870 120784 120788
119899
119896=1
En donde
119860119888119879 consumo promedio diario en wh
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda en w Como criterio de disentildeo de este trabajo se asumiraacute que todas las cargas se encuentran encendidas a una hora del diacutea esto con el fin de que el regulador en ninguacuten caso corra peligro de estar subdimensionado [10] 222 Recurso solar Para el disentildeo de un sistema fotovoltaico es necesario tener la estimacioacuten de la radiacioacuten mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior sobre un plano inclinado y orientado en cierta direccioacuten (depende del sitio donde se quiera hacer la instalacioacuten) En la seccioacuten 143 (modelos para estimar la radiacioacuten solar) se explican varios de estos El recurso solar es un factor indispensable para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico aislado en Colombia esta informacioacuten se puede encontrar en estaciones meteoroloacutegicas de aeropuertos o universidades que estudian fenoacutemenos ambientales sin embargo es difiacutecil tener con exactitud la radiacioacuten en un lugar determinado por efecto de topografiacutea y distancia a las estaciones meteoroloacutegicas Existen sitios web y programas que tienen informacioacuten de varias estaciones lo que puede facilitar el meacutetodo de interpolacioacuten y entregar un estimado
76
cercano de recurso solar disponible en el sitio donde se desea instalar el sistema fotovoltaico La importancia de encontrar una buena herramienta que calcule la radiacioacuten es que de esta depende la energiacutea que puede producir un arreglo fotovoltaico al estimar mal la radiacioacuten se corre el riesgo de sobreestimar el arreglo produciendo sistemas maacutes costosos de lo necesario o subestimarlo creando deacuteficit de energiacutea e inconformidad con el usuario Es comuacuten que las herramientas encargadas de calcular el recurso solar entreguen la radiacioacuten adquirida en cada uno de los meses del antildeo sin embargo para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico se necesita la radiacioacuten promedio mensual de cada uno de los meses esta se puede calcular con el producto punto entre la radiacioacuten mensual y el inverso punto a punto de vector de diacuteas en cada mes como se indica a continuacioacuten
= lowast [1
] 120784 120789
En donde
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo (desde enero a diciembre)
(kWhm2d)
radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (kWhm2)
diacuteas de cada mes (desde enero a diciembre) (d)
[1
] representa el resultado de invertir cada componente del vector
Como criterio de disentildeo de este trabajo se recomienda trabajar con la menor radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo estudiado esto con el fin de adoptar el peor escenario ambiental en el cual el sistema fotovoltaico va a generar energiacutea De esta forma se tiene
Γ = miacuten([]) 120784 120790 Donde
Γ radiacioacuten promedio diaria mensual maacutes baja del antildeo (kWhm2d) Para disentildeo de sistemas fotovoltaicos se maneja el concepto de ldquohoras solar picordquo y corresponde al nuacutemero de horas en las que cada metro cuadrado de superficie
captadora obtiene de modo constante 1000 119882 Este paraacutemetro relaciona los datos de placa del panel con el recurso solar disponible en la zona Si se quiere evaluar la energiacutea que el panel fotovoltaico puede producir
diariamente habraacute que conocer cuantas horas diarias con radiacioacuten de 1000wm2 estaraacute expuesto en el diacutea La manera de encontrar las horas solar pico del mes de
77
maacutes baja radiacioacuten consta del cociente entre la radiacioacuten promedio diaria mensual
maacutes baja y 1kWm2 de la siguiente forma
Hspico =Γ
1kWm2 120784 120791
Donde
Hspico horas solar pico del mes de maacutes baja radiacioacuten a lo largo del antildeo en (hd) 223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaico
La autonomiacutea de un sistema fotovoltaico es un paraacutemetro que modelaraacute el banco
de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico se refiere al nuacutemero de diacuteas en que un
sistema de bateriacuteas suministraraacute una carga determinada sin ser recargado por el
arreglo fotovoltaico u otra fuente
Las condiciones generales del clima determinan el nuacutemero de diacuteas con radiacioacuten
nula lo cual es una variable significativa para brindar un tiempo de autonomiacutea Sin
embargo este paraacutemetro es muy difiacutecil de determinar con exactitud en lugares
donde no se lleva un estudio estadiacutestico de la radiacioacuten solar lo que en lugares
alejados de estaciones climatoloacutegicas hace de este un paraacutemetro deductivo
Algunos autores recomiendan estudiar de las cargas si en verdad es criacutetico que la
carga opere en todo momento si la carga podriacutea ser cambiada o reemplazada por
alternativas maacutes eficientes y si la carga es simplemente una conveniencia [10 21]
Seguacuten lo anterior se puede dar un rango de autonomiacutea seguacuten la importancia de la
carga
1 De 2 a 3 diacuteas usos esenciales o sistemas con generador de respaldo
2 De 5 a 7 diacuteas para cargas criacuteticas sin ninguna otra fuente de energiacutea
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistema
Como se explicoacute en la seccioacuten 21221 (Ritmo y profundidad de descarga) se
necesita determinar un paraacutemetro que modele el tiempo que se requiere para
cargar las bateriacuteas despueacutes que se encuentren descargadas es decir con queacute
frecuencia se encontraraacute una serie de diacuteas con nula radiacioacuten en donde se
necesite tener cargado el banco de bateriacuteas
Este paraacutemetro al igual que el tiempo de autonomiacutea se deberiacutea calcular mediante
estudios estadiacutesticos de radiacioacuten solar en la zona donde se desea instalar el
sistema fotovoltaico sin embargo en un entorno como el de Colombia en donde
78
los sistemas fotovoltaicos estaacuten en auge se dificulta encontrar este paraacutemetro con
precisioacuten
El tiempo de recuperacioacuten del sistema relaciona el arreglo fotovoltaico con el
banco de bateriacuteas ya que cuando el banco este descargado el arreglo
fotovoltaico no solamente debe entregar energiacutea a las cargas si no al banco de
bateriacuteas y la energiacutea que invierta este en cargar el banco dependeraacute de cuaacutento
tiempo lo cargue Asiacute entonces por ejemplo el estudio estadiacutestico arroja que en
promedio existe un evento al mes en donde existiraacute una serie de diacuteas con mala
radiacioacuten el arreglo fotovoltaico deberaacute entonces cargar el banco de bateriacuteas
como miacutenimo 15 diacuteas de esta forma el arreglo deberaacute producir aparte de la
energiacutea que consuman las cargas la energiacutea suficiente para cargar el arreglo en
15 diacuteas [38]
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Una vez conocidos los paraacutemetros de disentildeo de un sistema fotovoltaico ya se
puede modelar el sistema A continuacioacuten se presenta el dimensionamiento del
banco de bateriacuteas y del arreglo fotovoltaico
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteas
El tamantildeo del banco de bateriacuteas dependeraacute baacutesicamente de los diacuteas de
autonomiacutea y el consumo promedio diario De la siguiente forma
119862119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120783120782
Donde
119862119887119886119899119888119900 capacidad del banco de bateriacuteas (Wh)
119863119886119900119906119905 diacuteas de autonomiacutea (d)
120578119894119899119907 eficiencia del inversor
120578119887119886119905 eficiencia de la bateriacutea
La eficiencias en el denominador modelan las peacuterdidas del inversor estudiadas en
la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) y la eficiencia de la bateriacutea
modela las peacuterdidas de las reacciones quiacutemicas que se desarrollan en las bateriacuteas
cuando se produce un ciclo de carga y descarga estudiada en la seccioacuten 21222
79
(Ritmo y profundidad de descarga) la eficiencia de bateriacuteas es usualmente
aproximada al 80 y del inversor usualmente se aproxima al 90 sin embargo
como se vio en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y carga) en donde se
especifica que el criterio de disentildeo para escoger el inversor dependeraacute
baacutesicamente de 119875119879119860119862 (Potencia maacutexima de demanda en W) conocido este valor
se puede encontrar la eficiencia especifica seguacuten la curva del fabricante
Ya con la capacidad del banco encontrada hace falta saber cuaacutenta energiacutea es
capaz de suministrar una sola bateriacutea especiacutefica aunque en teoriacutea cualquier
bateriacutea solar serviraacute el nuacutemero de estas dependeraacute de la capacidad de
almacenamiento que a su vez define el precio de la bateriacutea por tanto se intenta
que la energiacutea que suministra el banco de bateriacuteas no tenga valores muy
superiores al 119862119887119886119899119888119900 La ecuacioacuten que modela la capacidad de energiacutea que puede
entregar cada bateriacutea es
119864119887119886119905 = 119862119887119886119905 119897119894119898 119881119887119886119905 120784 120783120783
Donde
119864119887119886119905 energiacutea que puede suministrar una bateriacutea (Wh)
119862119887119886119905 capacidad de la bateriacutea especificada con el fabricante (Ah)
119897119894119898 liacutemite de descarga maacuteximo del banco de bateriacuteas
119881119887119886119905 tensioacuten nominal de la bateriacutea especificada por el fabricante (V)
El nuacutemero de bateriacuteas se define de acuerdo al cociente entre la capacidad del
banco y la energiacutea que puede entregar cada bateriacutea Como se muestra a
continuacioacuten
119873119887119886119905 = 119862119887119886119899119888119900
119864119887119886119905 120784 120783120784
Donde
119873119887119886119905 nuacutemero de bateriacuteas necesarias para la aplicacioacuten
Reemplazando las expresiones 210 y 211 en la 212 se tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120785
80
Sin embargo es muy difiacutecil que 119873119887119886119905 tome valores enteros lo que obliga a trabajar
con el entero maacutes proacuteximo superior debido a que se intenta garantizar como
miacutenimo los diacuteas de autonomiacuteas requeridos y no exceder el liacutemite de descarga
maacuteximo es aquiacute donde la energiacutea que una bateriacutea puede entregar juega un papel
importante debido a que es el uacutenico paraacutemetro ajustable (basta con cambiar la
bateriacutea con mayor o menor capacidad de Ah) esto con el fin de que la parte
decimal se aproxime tanto como se pueda al entero superior
Otra manera sencilla de saber el nuacutemero de bateriacuteas que dimensionan el banco
fotovoltaico es partir de la definicioacuten de cadenas y paralelos A continuacioacuten se
define dicha expresioacuten
119873119887119886119905 = 119861119886119905119904ℎ119906119899119905 119861119886119905119904119905119903119894119899119892 120784 120783120786
Doacutende
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 nuacutemero de cadenas en paralelo
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de bateriacuteas en serie
Analizando cada teacutermino tenemos
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 = 119881119900
119881119887119886119905 120784 120783120787
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119900 120784 120783120788
En donde la expresioacuten nuacutemero 15 muestra la relacioacuten de la tensioacuten con respecto al
nuacutemero de bateriacuteas en serie y la ecuacioacuten 16 muestra el nuacutemero de cadenas
necesarias para abastecer la demanda junto con las eficiencias de los dispositivos
que componen el sistema
Al reemplazar las expresiones 215 y 216 en la 214 y cancelando teacuterminos se
tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120789
En donde se comprueba que la expresioacuten 217 es igual a la expresioacuten 213
81
Aunque este es el nuacutemero de bateriacuteas necesario para satisfacer las necesidades
de la demanda teniendo en cuenta el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y llevando las
bateriacuteas a liacutemites de descarga ajustados previamente no necesariamente es el
nuacutemero definitivo de bateriacuteas debido a que el banco de bateriacuteas define la tensioacuten
del sistema el problema ocurre cuando el nuacutemero de bateriacuteas en serie que a su
vez ajusta la tensioacuten del sistema (comuacutenmente 12v 24v 36v o 48v) no es
divisible exactamente por el nuacutemero de bateriacuteas haciendo obligatorio ajustar
nuevamente el nuacutemero de bateriacuteas Un ejemplo tiacutepico es presentado cuando el
estudio arroja 5 bateriacuteas necesarias de 12 v cada una para trabajar a 24v es
necesario conectar cadenas de dos bateriacuteas en serie sin embargo es imposible
conectar todas estas bateriacuteas para esta configuracioacuten debido a que 5 no es
divisible exactamente entre dos una opcioacuten podriacutea ser usar 4 bateriacuteas sin
embargo esto iriacutea en contra del disentildeo debido a que el banco es maacutes pequentildeo del
nuacutemero calculado esta circunstancia podriacutea violar el liacutemite de descarga y los diacuteas
de autonomiacutea planteados la manera de solucionar este problema es ajustar a 6 el
nuacutemero de bateriacuteas de esta forma no se violan los paraacutemetros del disentildeo y se
genera un sistema auacuten maacutes confiable [10 15 21]
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaico
Es muy comuacuten que se modele el banco de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico como
dos fuentes de energiacutea diferentes en donde el arreglo fotovoltaico se modela de
acuerdo al consumo y recurso solar y el banco de bateriacuteas uacutenicamente al consumo
y tiempo de autonomiacutea sin embargo esta suposicioacuten no es del todo cierta debido
a que se debe tener en cuenta la energiacutea que el arreglo fotovoltaico invierte al
cargar las bateriacuteas y entregar energiacutea a las cargas es por esta razoacuten que en este
proyecto se propone que el arreglo fotovoltaico siacute tenga relacioacuten con el banco de
bateriacuteas y a continuacioacuten se explicaraacute coacutemo hacerlo
Se desea entonces un arreglo fotovoltaico que cargue el banco de bateriacuteas
anteriormente modelado y entregue energiacutea durante el diacutea a las cargas que esteacuten
encendidas La siguiente expresioacuten modela dicha suposicioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119864119888119900119899119904119906119898119900 + 119864119887119886119899119888119900 120784 120783120790
De esta forma se asegura que el modelamiento sea adecuado
Expandiendo cada teacutermino se tiene que
119864119888119900119899119904119906119898119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 120784 120783120791
82
La eficiencia del inversor debe ser tomada en este estudio debido a que modela
las peacuterdidas de operacioacuten de eacuteste y que el arreglo fotovoltaico tambieacuten debe tener
en cuenta
Para modelar la energiacutea que consumen las bateriacuteas se tiene en cuenta la energiacutea
que consume el banco de bateriacuteas involucrando el tiempo de recuperacioacuten del
sistema este deberaacute ser inversamente proporcional a la potencia que suministra el
arreglo fotovoltaico debido a que si este paraacutemetro aumenta el arreglo fotovoltaico
tendraacute maacutes tiempo de recargar las bateriacuteas con lo que probablemente disminuya
su tamantildeo Asiacute entonces se presenta dicha expresioacuten
119864119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
120578119887119886119905 119879119903119890119888 120784 120784120782
Reemplazando la expresioacuten 17 en la 20 tenemos
119864119887119886119899119888119900 = 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
119879119903119890119888
119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120784120782119938
Cancelando teacuterminos 119897119894119898 119862119887119886119905 y 119881119887119886119905 se obtiene
119864119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120783
Asiacute entonces se observa que al aumentar el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea del
sistema aumenta la capacidad de almacenamiento haciendo que tambieacuten exista
un mayor consumo para cargar las bateriacuteas por parte del arreglo fotovoltaico y que
al disminuir el tiempo de recuperacioacuten del sistema se necesitaraacute maacutes potencia
para cargar las bateriacuteas por tanto aumentaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico
De esta forma se pueden reemplazar las expresiones 221 y 219 en la 218
119864119886119903119903119890119892119897119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120784
Esta ecuacioacuten muestra la energiacutea que deberaacute entregar un arreglo fotovoltaico sin
embargo hay que referir esta energiacutea al recurso solar disponible para saber
cuaacutenta potencia fotovoltaica es necesaria Asiacute entonces la energiacutea que puede
83
suministrar un arreglo fotovoltaico seraacute igual al resultado del producto de las horas
solar pico (que en este trabajo seraacute la promedio del peor mes) por la potencia
fotovoltaica necesaria o calculada para la aplicacioacuten
A continuacioacuten se presenta la expresioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 120784 120784120785
119875119865119907119888 potencia fotovoltaica necesaria
Reemplazando la expresioacuten 23 en la 22 tenemos
119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 = 119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120785119938
Despejando potencia fotovoltaica necesaria se tiene
119875119865119907119888 = 119860119888119879
119867119904119901119894119888119900 120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119867119904119901119894119888119900 119879119903119890119888 120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120786
La ecuacioacuten 24 modela la potencia calculada para un sistema fotovoltaico la
manera de encontrar el nuacutemero de paneles especiacuteficos para una aplicacioacuten seraacute el
resultado del cociente entre la potencia fotovoltaica necesaria y la potencia que un
panel fotovoltaico puede entregar bajo las STC como se muestra a continuacioacuten
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120784 120784120787
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Sin embargo se presenta el mismo problema que con el banco de bateriacuteas y es
que 119873119901119886119899119890119897119890119904 tomaraacute valores que muy probablemente no seraacuten enteros por tanto
se debe aproximar este valor siempre al nuacutemero entero maacutes cercano superior
Depende entonces de la potencia del panel solar que se escoja para la aplicacioacuten
el nuacutemero de paneles solares que se necesiten [10 15 21]
De esta forma se ha planteado una manera de dimensionar sistemas fotovoltaicos
relacionando el tiempo de carga de las bateriacuteas y el tiempo de autonomiacutea que
84
seraacuten escogidos de acuerdo a las caracteriacutesticas de las cargas y recurso solar Un
disentildeo que considere estos dos paraacutemetros de manera acertada puede dar como
resultado un sistema fotovoltaico capaz de suministrar energiacutea en ambientes
criacuteticos
85
Capiacutetulo 3
SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Los sistemas fotovoltaicos interactivos con la red de servicio puacuteblico tienen como
propoacutesito suministrar energiacutea a un conjunto de cargas de forma total o parcial con
energiacutea proveniente del sol comuacutenmente son instalados en edificios comerciales o
en casas con acceso al servicio puacuteblico de energiacutea eleacutectrica Los avances
tecnoloacutegicos en los inversores interactivos con la red eleacutectrica han facilitado la
interconexioacuten de arreglos fotovoltaicos a la red haciendo que la energiacutea que
generen sea aprovechada principalmente por las cargas y el excedente de esta
seraacute ldquoempujadardquo a la red puacuteblica aunque en Estados Unidos y algunos paiacuteses de
Europa esta energiacutea empujada es remunerada por parte de las electrificadoras
mediante medidores de energiacutea que permiten el giro inverso en Colombia auacuten no
existe una legislacioacuten que respalde a los sistemas interconectados a la red por
esta razoacuten en un contexto como el de Colombia se intenta que el arreglo
fotovoltaico suministre energiacutea parcialmente a las cargas esto con el intento de no
inyectar energiacutea a la red y evitar sanciones a causa de desequilibrar la red de
distribucioacuten [15]
A continuacioacuten se da a conocer el funcionamiento de un sistema fotovoltaico
interactivo con la red
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Existen dos tipos de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red
1 Sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
2 Sistema interconectado a red con respaldo de bateriacuteas
Los sistemas interactivos con la red de servicio puacuteblico sin respaldo de bateriacuteas
solo constan de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red este
tipo de inversores son disentildeados para interrumpir la conexioacuten a la red del sistema
fotovoltaico cuando el suministro de energiacutea de la red falla esto con el fin de
despejar la falla y evitar problemas operativos en la red de distribucioacuten Los
sistemas fotovoltaicos con respaldo de bateriacuteas constan de un arreglo fotovoltaico
un inversor interactivo con la red capaz de cargar un banco de bateriacuteas este
sistema es capaz de suministrar energiacutea durante el tiempo de autonomiacutea para el
cual el banco fue disentildeado cuando la red de servicio puacuteblico falla sin embargo
para estos sistemas la red de distribucioacuten debe tener un sistema de proteccioacuten
adecuado con el fin de que el banco de bateriacuteas no alimente la falla existente en la
86
red Es por esta razoacuten que en este trabajo de grado se haraacute especial eacutenfasis en
sistemas sin respaldo de bateriacuteas debido a que pueden llegar a ser los maacutes
cercanos a la realidad del entorno Colombiano
A continuacioacuten se analizan las caracteriacutesticas por separado de los sistemas
interconectados a la red con respaldo de bateriacuteas y sin respaldo de bateriacuteas
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
Entre las ventajas y desventajas de un sistema interconectado a red sin respaldo
de bateriacuteas se encuentran disminucioacuten del consumo de energiacutea proveniente del
servicio puacuteblico ausencia de un sistema ininterrumpido de energiacutea en el caso de
falla de la red instalacioacuten simple alta eficiencia y no brindar oportunidades de
administrar la energiacutea
Los sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas constan
de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red El arreglo
fotovoltaico tiene caracteriacutesticas muy similares a un sistema autoacutenomo con la
diferencia de que estos arreglos no van a tener en cuenta la carga de un banco de
bateriacuteas y tienen la posibilidad de suministrar parte del consumo de las cargas A
continuacioacuten se da a conocer las caracteriacutesticas operativas de un inversor
interconectado a la red sin respaldo de bateriacuteas
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteas
La mayoriacutea de los inversores conectados a la red no utilizan un banco de
bateriacuteas por el contrario se conectan directamente con la red de servicio puacuteblico
utilizando esta fuente como un sistema de respaldo Cuando existen condiciones
ambientales para generar energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico el inversor
debe transformar y utilizar esta energiacutea para satisfacer el consumo sin embargo si
la generacioacuten de energiacutea es mayor a la del consumo el inversor suministraraacute la
energiacutea necesaria a las cargas y el exceso lo empujaraacute a la red puacuteblica aunque se
espera que en un futuro Colombia tenga una legislacioacuten que respalde a los
sistemas fotovoltaicos interconectados a la red por el momento no existe por
tanto no es posible vender este exceso de energiacutea lo que afecta netamente el
tiempo de recuperacioacuten de la inversioacuten por esta razoacuten se intenta disentildear un
arreglo fotovoltaico que suministre una parte del consumo para evitar la inyeccioacuten
de energiacutea que no seraacute remunerada El inversor interactivo con la red debe ser
capaz de alimentar las cargas tomando la energiacutea del arreglo fotovoltaico y la
energiacutea de la red puacuteblica a la vez de esta forma se reduce el consumo de energiacutea
por parte de la red puacuteblica produciendo un ahorro en funcioacuten de la energiacutea que es
capaz de suministrar el arreglo Durante la noche o las horas del diacutea donde la
radiacioacuten sea miacutenima toda la energiacutea provendraacute de la red puacuteblica de esta forma
87
el inversor interactivo con la red deberaacute ser capaz de atender cualquiera de los
anteriores casos [1015 21]
A continuacioacuten se daraacute a conocer los paraacutemetros para dimensionar un inversor
adecuado para las necesidades de una instalacioacuten fotovoltaica interconectada a
red sin respaldo de bateriacuteas
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo
de bateriacuteas
Existen varias caracteriacutesticas que los fabricantes de inversores especifican en sus
hojas de datos que es necesario conocer antes de adquirir alguacuten tipo de inversor
A continuacioacuten se dan a conocer varias de estas
Potencia de entrada del inversor al calcular un arreglo fotovoltaico para un
sistema interconectado a la red el tamantildeo del arreglo estaraacute determinado para
que cumpla con el suministro total o parcial del consumo presupuesto del cliente y
limitaciones de espacio Una vez determinado el tamantildeo del arreglo el inversor
deberaacute soportar el paso de potencia del arreglo fotovoltaico por ende se busca
que la potencia fotovoltaica instalada nunca sea mayor a la especificada por el
fabricante del inversor Tambieacuten se debe tener en cuenta que si se desea expandir
en un futuro la capacidad del arreglo el inversor sea capaz de soportar dicha
expansioacuten de potencia fotovoltaica instalada
Seguidor de punto de maacutexima potencia como se analizoacute en la seccioacuten 2132
(Reguladores MPPT para sistemas autoacutenomos) se intenta que el arreglo
fotovoltaico opere siempre en el punto de maacutexima potencia en la actualidad todos
los inversores interconectados a la red tienen esta caracteriacutestica con el fin de
aprovechar la maacutexima potencia que pueda entregar el arreglo fotovoltaico [10]
Tensioacuten de entrada la mayoriacutea de los inversores interconectados a red poseen
una ventana de tensioacuten que especifica el rango de operacioacuten en donde el inversor
funcionaraacute de manera adecuada Para estar dentro de esa ventana el arreglo
fotovoltaico debe estar interconectado de una manera especiacutefica Debido a que
usualmente las ventanas de tensioacuten de los inversores estaacuten entre 75V y 600V la
configuracioacuten deberaacute tener muacuteltiples moacutedulos en serie para alcanzar dicha tensioacuten
(generalmente mayor a la de los sistemas aislados) sin embargo como se estudioacute
en la seccioacuten 2132 (REGULADORES MPPT) en donde se analiza relacioacuten entre
la tensioacuten de los moacutedulos y la temperatura el disentildeo debe tener en cuenta la
temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima con el fin de
evitar que la tensioacuten maacutexima del arreglo (calculada con la temperatura miacutenima
promedio) y la tensioacuten miacutenima del arreglo (calculada con la temperatura maacutexima
promedio) salgan de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante Si el
88
arreglo fotovoltaico alcanza una tensioacuten tan baja que sale de la ventana de tensioacuten
del inversor se apagaraacute por otro lado si un arreglo fotovoltaico alcanza una
tensioacuten tal que supere el maacuteximo de la ventana de tensioacuten del arreglo el inversor
podriacutea estar en peligro potencial de dantildeo Por tanto es importante calcular de una
manera adecuada la tensioacuten maacutexima y miacutenima de un arreglo fotovoltaico que
dependeraacute del nuacutemero de paneles en serie y sus caracteriacutesticas eleacutectricas con el
fin de encontrar un inversor adecuado para la aplicacioacuten [10 36]
Seguacuten lo anterior
119881119898119901119901119905119898119894119899 le 119881119898iacute119899119898119901 120785 120783
119881119898119901119901119905119898119886119909 ge 119881119898aacute119909119898119901 120785 120784
En donde
119881119898119901119901119905119898119894119899 liacutemite inferior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119901119901119905119898119886119909 liacutemite superior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119894119899119898119901 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio maacutexima (ver ecuacioacuten 22)
119881119898119886119909119898119901 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio miacutenima (ver ecuacioacuten 23)
Tensioacuten maacutexima la tensioacuten maacutexima que deberaacute soportar el inversor interactivo
con la red se produce por parte del arreglo fotovoltaico en condiciones de circuito
abierto y temperatura promedio miacutenima
Se debe tener en cuenta dicha tensioacuten en el disentildeo del arreglo fotovoltaico con el
fin de que el inversor no sufra dantildeos por sobretensioacuten bajo estas condiciones
Seguacuten lo anterior se debe garantizar que
119881119894119899119907119898aacute119909 ge 119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 120785 120785
119881119898119886119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119894119899119907119898119886119909 tensioacuten maacutexima del inversor especificada por el fabricante
Tensioacuten de salida la tensioacuten de salida de los inversores es especificada por el
fabricante y su uso dependeraacute netamente de las caracteriacutesticas operativas de la
89
carga Para un entorno como el de Colombia es comuacuten que las cargas esteacuten
alimentadas a 120V (sistema monofaacutesico bifilar o sistema trifaacutesico tetrafilar) 240V
(sistema monofaacutesico trifilar) 208V (sistema trifaacutesico trifilar) y en algunos casos
hasta 480V Por esta razoacuten es necesario que se haga un estudio de tensioacuten
frecuencia y secuencia (en el caso de un sistema trifaacutesico) de la red disponible a la
que se va a interconectar el inversor aunque existen algunos inversores que son
capaces de acoplarse a cualquier tipo de red es recomendable hacer un estudio
previo de la misma y verificar con los datos teacutecnicos del inversor si es posible su
conexioacuten antes de adquirirlo [10 21]
Proteccioacuten de fallo a Tierra la mayoriacutea de fabricantes de inversores especifican la
proteccioacuten del dispositivo que en caso de producirse un cortocircuito parte del
flujo eleacutectrico se derive a Tierra
Proteccioacuten para sobrecorriente en DC y AC algunos inversores traen incorporados
sistemas de proteccioacuten tanto a la entrada (lado de DC) como a la salida (lado de
AC) sin embargo los fabricantes exigen incorporar protecciones externas para
cuando sea necesario desconectar el inversor y como respaldo a las protecciones
internas
Cubierta resistente a la intemperie la mayoriacutea de los inversores interconectados a
red se disentildean para instalaciones al aire libre y por tanto deben tener cubiertas
adecuadas para estos ambientes
Existen varias ventajas con los sistemas interconectados a la red entre ellas
Economiacutea para cargas con consumo grande depender uacutenicamente de sistemas
fotovoltaicos puede llegar a ser muy costoso sobre todo al disentildear un banco de
bateriacuteas capaz de respaldar la carga durante un periodo largo de operacioacuten o para
horas en el diacutea donde la radiacioacuten solar sea miacutenima Para este tipo de sistemas un
sistema interconectado a red puede resultar maacutes econoacutemico debido a que puede
usar como respaldo la red puacuteblica existente
Bajo costo inicial disentildear un sistema fotovoltaico para abastecer la totalidad del
consumo puede llegar a ser muy costoso sin embargo existe la posibilidad de
hacer una inversioacuten pequentildea que conste de un arreglo fotovoltaico pequentildeo y un
solo inversor maacutes adelante se podraacuten agregar maacutes moacutedulos a medida que el
inversor lo permita Algunos fabricantes de inversores fabrican inversores de
cadenas muacuteltiples (multistring) son capaces de interconectar varios arreglos
fotovoltaicos a la vez esta tambieacuten podriacutea ser una buena opcioacuten si lo que se
desea es aumentar la capacidad fotovoltaica instalada en un futuro
90
Incremento de la confiabilidad al tener dos sistemas de generacioacuten de energiacutea
independientes hay una confiabilidad mayor en un sistema interconectado a la red
que en un sistema autoacutenomo Si se antildeade un banco de bateriacuteas la confiabilidad es
auacuten mayor sin embargo la eficiencia del sistema disminuye debido a que las
bateriacuteas involucran peacuterdidas de almacenamiento gracias a las reacciones
quiacutemicas en el almacenamiento de energiacutea
Flexibilidad de disentildeo debido a que el servicio puacuteblico brinda una fuente de
energiacutea permanente el sistema fotovoltaico puede disentildearse seguacuten el
presupuesto y los deseos del propietario
Facilidad de interconexioacuten los avances en la tecnologiacutea de los inversores han
logrado que sea relativamente faacutecil el acoplo de los arreglos fotovoltaicos a la red
puacuteblica estos son capaces de cumplir con el sincronismo de fase secuencia y
frecuencia para que un sistema de generacioacuten pueda interconectarse a la red [10
15]
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS
El sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas es un sistema
relativamente simple debido a que solo consta de dos elementos fundamentales
el arreglo fotovoltaico y el inversor interconectado a red Sin embargo se necesitan
varios paraacutemetros para un correcto dimensionamiento de ambos elementos
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a red En la seccioacuten 222 (Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para
dimensionamiento de un sistema autoacutenomo) se explicoacute la importancia de tener una
informacioacuten acertada acerca de la radiacioacuten solar en el lugar donde se desea
instalar el arreglo fotovoltaico todo lo hablado en esta seccioacuten es totalmente
aplicable a este tema debido a que el arreglo fotovoltaico es muy similar al de este
caso sin embargo los criterios de dimensionamiento cambian draacutesticamente
debido a que para el dimensionamiento se va a necesitar la informacioacuten de
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo es decir el vector resultado del
producto punto entre el vector de radiacioacuten mensual de cada mes durante un antildeo
y el resultado de invertir cada componente del vector de diacuteas de cada mes (ver
ecuacioacuten 120784 120789) asiacute entonces partiendo de esta expresioacuten se obtiene el vector de
horas solar pico de la siguiente forma [10 15]
119919119956119953119946119940119952 =
1kWm2 120785 120786
91
En donde
119919119956119953119946119940119952 vector horas solar pico a lo largo del antildeo (hd)
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo desde enero a diciembre
(kWhm2119889) A diferencia de los sistemas autoacutenomos en donde se usa uacutenicamente la hora solar pico del mes de la radiacioacuten maacutes baja del antildeo el sistema interconectado a red deberaacute trabajar con toda la informacioacuten de radiacioacuten existente mes a mes Por esta razoacuten se trabajaraacute con el vector completo de horas solar pico [10 15 21] 322 Estudio del consumo anual Debido a que se busca disentildear un arreglo fotovoltaico que produzca un porcentaje de la energiacutea necesaria del consumo mes a mes es necesario conocer el consumo mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior al mes en donde se desea hacer la instalacioacuten del sistema fotovoltaico La manera maacutes sencilla de encontrar estos datos es hacer seguimiento mes a mes a las facturas de energiacutea proporcionadas por la electrificadora encargada del suministro de energiacutea en la zona Para tener en cuenta esta informacioacuten es necesario organizar los datos obtenidos en la premisa anterior de enero a diciembre debido a que se busca relacionar el consumo con el recurso solar correspondiente del mes sin importar si no corresponde a un orden cronoloacutegico es decir si se necesita conocer el consumo mensual de abril del 2013 a marzo de 2014 los meses se organizaraacuten iniciando con enero de 2014 lo relevante es el orden de los meses no el antildeo al que estos pertenezcan Para este trabajo se conoceraacute esta informacioacuten previamente organizada con un
vector [10]
consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente 323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Como se explicoacute en la seccioacuten 312 (Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas) el dimensionamiento del arreglo fotovoltaico interconectado a red dependeraacute de cuanta incidencia tenga el sistema fotovoltaico a las cargas Usualmente se caracteriza mediante un porcentaje del consumo dependiendo de queacute tan grande sea este porcentaje y que recurso solar exista en la zona dependeraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico por esta razoacuten este paraacutemetro se ve muy influenciado con el presupuesto del que se disponga para el proyecto fotovoltaico A mayor porcentaje de consumo anual mayor seraacute la potencia fotovoltaica calculada y seraacute maacutes probable la inyeccioacuten de energiacutea a la red que no seraacute remunerada
92
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblico En la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) en donde se habla de la eficiencia de un inversor autoacutenomo se acoge el mismo concepto para los sistemas interconectados a red en donde la eficiencia dependeraacute de la potencia de consumo de las cargas [10] 33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS El meacutetodo para modelamiento de un sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas consta de encontrar la potencia fotovoltaica necesaria para producir el porcentaje de energiacutea requerido partiendo del recurso solar disponible en la zona y del consumo de energiacutea Una vez encontrado este dato se busca un inversor capaz de soportar la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico con el fin de garantizar un funcionamiento adecuado 331 Modelamiento del arreglo fotovoltaico Con el recurso solar disponible consumo de energiacutea durante el uacuteltimo antildeo y el porcentaje de energiacutea de incidencia del arreglo fotovoltaico se calcula el tamantildeo del arreglo fotovoltaico En principio se debe calcular la energiacutea que el sistema fotovoltaico deberaacute suministrar de acuerdo al porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar [10] De la siguiente forma
119916119943119959 = 119864119891119907
100 120785 120787
En donde
119916119943119959 energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes (Kwhmes) consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (kWhmes) 119864119891119907 porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar
Una vez calculada la energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes se calcula el promedio diario en Wh de la energiacutea que el arreglo fotovoltaico deberaacute producir De la siguiente forma [1015 21]
119916119943119959119941119946119938 = (
1000119882ℎ
1119896119882ℎ 119916119943119959 ) lowast [
1
] 120785 120788
93
119916119943119959119941119946119938 energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar (Whd)
diacuteas de cada mes del antildeo Una vez calculada la energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar se calcula el vector de potencia fotovoltaica calculada de la siguiente forma
119927119943119959119914 = (
119916119943119959119941119946119938
120578119894119899119907100) lowast [
1
119919119956119953119946119940119952 ] 120785 120789
119927119943119959119914 potencia fotovoltaica calculada mes a mes
Debido a que no existe relacioacuten alguna entre el consumo de energiacutea y el recurso solar y son dos paraacutemetros netamente variables es imposible suministrar exactamente el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar mes a mes es por esta razoacuten que se busca un arreglo fotovoltaico que al antildeo suministre en promedio este porcentaje De esta forma el promedio de los
componentes de 119927119943119959119914 seraacute la potencia fotovoltaica necesaria para suministrar el
porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Asiacute entonces
119875119891119907119862119886119897119888119906119897119886119889119886 = 119901119903119900119898119927119943119959119914 120785 120790
Ya encontrado dicho paraacutemetro se puede encontrar el nuacutemero de paneles solares teniendo en cuenta la potencia especificada por el fabricante de manera anaacuteloga a la ecuacioacuten 225 del anterior capiacutetulo
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120785 120791
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Debido a que el nuacutemero de paneles de un arreglo fotovoltaico solo podraacute tomar valores enteros usualmente el paraacutemetro 119873119901119886119899119890119897119890119904 de la expresioacuten anterior deberaacute
ser aproximado al entero maacutes proacuteximo superior (solo si la expresioacuten anterior toma un valor no entero) con el fin de que nunca se produzca menor energiacutea de la especificada por el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado anteriormente De esta forma la aproximacioacuten dependeraacute de la
94
potencia en condiciones estaacutendar del moacutedulo a utilizar (STC por sus siglas en ingleacutes) Este nuacutemero de moacutedulos seraacute capaz de suministrar el porcentaje de consumo especificado con el estudio de cargas y con el presupuesto del proyecto con el nuacutemero de paneles especificados se puede conocer la potencia fotovoltaica instalada resultado del producto entre el nuacutemero de paneles y la potencia que cada panel puede suministrar bajo las STC [10] Asiacute entonces la potencia fotovoltaica instalada seraacute
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 = 119875119898119901119901 119873119901119886119899119890119897119890119904 120785 120783120782
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 potencia fotovoltaica instalada 119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Este paraacutemetro puede dar un indicio de la capacidad que debe tomar el inversor interactivo con la red eleacutectrica debido a que seraacute la potencia que en un instante dado bajo condiciones ambientales adecuadas puede suministrar el arreglo fotovoltaico al consumo Asiacute entonces se debe procurar que
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 le 119875119868119899119907 120785 120783120783
119875119868119899119907 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Violar la expresioacuten anterior no afectaraacute la esperanza de vida ni el funcionamiento del inversor debido a que la potencia fotovoltaica nominal del inversor especifica cuanta potencia es capaz de transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y a la red si el arreglo fotovoltaico produce maacutes potencia simplemente el inversor no la aprovecharaacute para el consumo Sin embargo se evita en la etapa de disentildeo este tipo de problemas debido a que produce sistemas poco eficientes Una vez especificado la potencia fotovoltaica instalada del arreglo se puede calcular cuanta energiacutea puede producir dicho arreglo mes a mes Para ello se debe evaluar el comportamiento del arreglo fotovoltaico con el vector de Horas Solar Pico como se muestra en la siguiente expresioacuten [10]
120643119943 119946 = 119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 (120578119894119899119907100) (
1119896119882
1000119882) 119919119956119953119946119940119952 lowast 120785 120783120784
120643119943 119946 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico mes a mes
De esta forma se puede analizar mes a mes la produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico seguacuten el recurso solar disponible La suma de las componentes de
95
este paraacutemetro representaraacute la energiacutea total que se puede producir en un antildeo de operacioacuten del sistema Seguacuten lo anterior se tiene
120585119891119886ntilde119900 = sum 120643119943 119946 120785 120783120785
12
119894=1
120585119891119886ntilde119900 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico anual
Debido a la aproximacioacuten al entero mayor maacutes proacuteximo especificada en la ecuacioacuten 39 se puede esperar que la produccioacuten energeacutetica anual del sistema fotovoltaico sea mayor a la calculada seguacuten el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado al principio de los caacutelculos Cabe aclarar que entre menor sea el ajuste en dicha expresioacuten menor seraacute la diferencia entre la energiacutea anual que el arreglo fotovoltaico puede producir al estimado por el porcentaje de incidencia del sistema especificado en la ecuacioacuten 313 Con esta informacioacuten teoacuterica se puede dimensionar un sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas cabe resaltar que aprovechar la energiacutea que produce el sistema fotovoltaico dependeraacute de si el perfil de carga se adapta a las horas del diacutea en donde el arreglo fotovoltaico produce energiacutea esto debido a que en un entorno como el de Colombia no trae ninguacuten beneficio econoacutemico inyectar energiacutea a la red por tanto los usuarios que deseen adquirir un sistema fotovoltaico de este tipo deberaacuten tener un mayor consumo de energiacutea en la medida de lo posible en horas de la mantildeana o al medio diacutea y no en la noche como es lo usual solo de esta forma se evitara inyectar mucha energiacutea a la red y se aprovecharaacute la producida por el sistema fotovoltaico
96
Capiacutetulo 4
DESARROLLO DE UN APLICATIVO DE DISENtildeO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS PARA LA EMPRESA COLOMBIAN SOLAR SYSTEMS
SAS
En la actualidad es faacutecil encontrar en su totalidad los elementos necesarios para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico La diversidad de fabricantes especializados en la creacioacuten de elementos para este tipo de generacioacuten origina la posibilidad de encontrar en el mercado diferentes elementos de distinta capacidad caracteriacutesticas eleacutectricas y funciones para abastecer el mercado fotovoltaico que cada antildeo crece la situacioacuten que realmente aqueja al campo de la energiacutea solar es por lo tanto no la dificultad para encontrar la diversidad en los elementos si no la exactitud para la escogencia de uno entre varios El modelamiento de cualquier sistema fotovoltaico estaacute dado por dos paraacutemetros
fundamentales los cuales son carga y recurso solar Para poder comprender la
teoriacutea de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos es necesario entrar en
detalle con el consumo de energiacutea eleacutectrica en el recinto rural o residencial donde
se desea disponer de la generacioacuten a partir de energiacutea solar y adicionalmente
tener valores acertados de radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo Un
conjunto de valores acertados de estos dos paraacutemetros fundamentales seraacuten de
gran importancia para un correcto dimensionamiento
Uno de los objetivos especiacuteficos para este proyecto es plantear un aplicativo
capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector residencial y rural para el
territorio colombiano con el fin de garantizar mejores disentildeos para la empresa
Colombian Solar Systems Para desarrollarlo se utilizoacute el ambiente graacutefico
proporcionado por Matlab conocido como Guide Matlab y que permite interactuar
con varias interfaz graacuteficas
El aplicativo consta de 16 interfaces graacuteficas que calculan los distintos paraacutemetros
necesarios para el disentildeo de sistemas fotovoltaicos de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada sobre consumo recurso solar y capacidad nominal de los
dispositivos que componen el sistema fotovoltaico Cada interfaz graacutefica
proporciona la informacioacuten necesaria para que el usuario busque de acuerdo a sus
proveedores los componentes que cumplan con las necesidades del sistema sin
embargo una vez escogido el dispositivo y por tanto sus valores nominales el
aplicativo estaacute programado para verificar que los rangos operativos de potencia
tensioacuten y corriente de los dispositivos sean adecuados respecto a los valores
necesarios del sistema fotovoltaico esto con el fin de que en la etapa de disentildeo se
97
busquen los elementos que mejor se adapten a las condiciones del sistema
fotovoltaico
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMO
El aplicativo posee un algoritmo cuantitativo capaz de interactuar con varias
interfaces graacuteficas guardando la informacioacuten necesaria entre cada una de ellas y
entregando la informacioacuten necesaria al usuario para buscar los dispositivos que
sean maacutes pertinentes El aplicativo inicia con una interfaz graacutefica en donde
pregunta al usuario cuaacutel es el sistema fotovoltaico que desea modelar (sistema
autoacutenomo o sistema interconectado a red) a partir de esta interfaz inicial se
ejecuta el proceso a seguir debido a que son sistemas totalmente distintos Al
final el algoritmo verifica que los datos nominales de los dispositivos sean los
adecuados Cabe aclarar que la certeza de los resultados entregados por el
aplicativo seraacuten proporcionales a la validez de los datos entregados como
entradas tales como recurso solar estudio de cargas y valores nominales de los
dispositivos esta informacioacuten seraacute consultada por el usuario por sus medios de
confianza
A continuacioacuten se presenta el diagrama de flujo del algoritmo desarrollado para el
aplicativo
98
INICIO
Estudio de
cargas
Estudio de consumo y
recurso solar
iquestCONTINUAR
CONTINUAR
Informacioacuten de
carga
Datos de
inversor
Recurso
solar y
estabilidad
CONTINUAR
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada con
peacuterdidas en inv
yo bat
Informacioacuten del panel solar
Potencia fv calculada
Datos de panel solar
Temperatura prom
miacutenima y maacutexima
iquestCONTINUAR
Potencia fv instalada y
configuracioacuten
Escoger opcioacuten
Informacioacuten de tensioacuten
del arreglo
Informacioacuten inversor
interconectado a red
Informacioacuten detallada del
arreglo
CONTINUAR
Tipo de sistemas
fotovoltaicos
NO
SI
NO
SI
SI NO
SI
NO
SI
SI NO
99
Potencia fotovoltaica instalada
iquestCONTINUAR
Informacioacuten sobre bateriacutea
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas Configuracioacuten del banco
de bateriacuteas (sin peacutedidas)
Configuracioacuten del banco de
bateriacuteas (con peacutedidas)
iquestCONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Tipo de regulador
Corriente maacutexima
de carga
Corriente maacutexima de
carga potencia fv
Escoger
configuracioacuten
Escoger
configuracioacuten
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
PWM
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas VERIFICACIOacuteN
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
MPPT
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
VERIFICACIOacuteN
FIN
VERIFICACIOacuteN
INFORME
SI
NO
NO SI
NO
SI
MPP
T PW
M
NO
SI
NO
SI
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el
aplicativo
100
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVO
El diagrama de flujo del algoritmo descrito anteriormente describe el
funcionamiento del aplicativo sin embargo es necesario describir cada interfaz
graacutefica que lo compone y el ambiente graacutefico con el que el usuario va a
interactuar
Al seleccionar el icono que hace el llamado al aplicativo abre la primera interfaz
graacutefica a la que el usuario podraacute acceder Esta permite escoger el tipo de sistema
fotovoltaico que desea desarrollar asiacute el usuario podraacute escoger entre un sistema
aislado o un sistema interconectado a red (sin respaldo de bateriacuteas) Al escoger
una de las dos opciones se empezaraacute con el proceso de dimensionamiento
descrito en el diagrama de flujo del algoritmo
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuesto
Al seleccionar ldquoSISTEMA AISLADOrdquo el aplicativo hace un llamado a la interfaz
graacutefica descrita en la figura 43 que representa la interfaz que permite al usuario
entregar la informacioacuten pertinente al estudio de cargas explicado en la seccioacuten
221 (Estimacioacuten del consumo y carga) Esta contiene una tabla editable por el
usuario en donde se especifica el nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea
energizar su potencia nominal y horas de uso al diacutea que se pretende utilizar dicho
grupo de aparatos Una vez especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute
acceder a la siguiente interfaz graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o podraacute acceder a
la interfaz de la figura 42 en cualquier momento escogiendo el iacutecono ldquoATRAacuteSrdquo
101
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo
La figura 44 representa a una interfaz graacutefica que tiene como objetivo informar el
consumo de energiacutea diaria y anual con el fin de que el usuario se entere de
cuanta energiacutea el arreglo fotovoltaico autoacutenomo deberaacute generar al diacutea y al antildeo
Figura 44 Informacioacuten de consumo
Se puede acceder a esta informacioacuten seleccionando ldquoCALCULARrdquo y una vez
especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute acceder a la siguiente interfaz
graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o si desea hacer alguna modificacioacuten al estudio
de cargas lo podraacute hacer seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo
102
La figura 45 representa la manera coacutemo se modelaraacute el inversor autoacutenomo en el
aplicativo Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se entrega al usuario la informacioacuten acerca
de la carga maacutexima que el sistema fotovoltaico tendraacute que alimentar a una hora
del diacutea esta situacioacuten se presenta cuando se interconectan todas las cargas
descritas en la etapa de estudio de carga (figura 43) El inversor autoacutenomo deberaacute
soportar esta condicioacuten es decir que la capacidad nominal de potencia que el
inversor puede transmitir a las cargas deberaacute de ser mayor que la potencia
maacutexima que estas alcancen Cabe recordar que el inversor autoacutenomo no solo se
escogeraacute de acuerdo a la anterior circunstancia si no a otras caracteriacutesticas
eleacutectricas nominales de las cargas tales como frecuencia tensioacuten tipo de onda y
distorsioacuten armoacutenica total El usuario deberaacute verificar que las caracteriacutesticas
eleacutectricas del inversor cumplan con las caracteriacutesticas nominales de la carga Asiacute
entonces el usuario deberaacute consultar los datos nominales del inversor autoacutenomo
que desea usar y llenar la informacioacuten requerida en los espacios correspondientes
teniendo en cuenta las unidades especificadas en cada espacio hay que tener
presente que la tensioacuten nominal DC del inversor autoacutenomo deberaacute ser la misma
que la tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten del banco de bateriacuteas es
en esta situacioacuten en donde se justifica que el aplicativo verifique las tensiones
nominales del banco de bateriacuteas y el inversor ya que es muy comuacuten que el usuario
olvide dicha circunstancia
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo
103
El usuario podraacute regresar a la interfaz de la informacioacuten de consumo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 46 representa a la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique ciertos factores de estabilidad del sistema fotovoltaico tales como
diacuteas de autonomiacutea (descrito en la seccioacuten 223) tiempo de recuperacioacuten del
sistema (descrito en la seccioacuten 224) horas solar pico promedio del peor mes de
radiacioacuten del antildeo (descrito en la seccioacuten 222) y rango de temperatura
(temperatura promedio miacutenima y maacutexima del antildeo de estudio) Esta informacioacuten
seraacute usada por el algoritmo para determinar la potencia fotovoltaica necesaria para
suplir el consumo el nuacutemero de bateriacuteas necesarias para suministrar energiacutea
durante el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y calcular tanto el rango de tensioacuten de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la tensioacuten maacutexima del arreglo en condiciones
de circuito abierto y temperatura baja
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico
El usuario podraacute regresar a la interfaz del modelamiento del inversor autoacutenomo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 47 representa a la interfaz graacutefica que tiene como objetivo calcular el
nuacutemero de paneles necesarios para la aplicacioacuten de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada por el usuario en las interfaces anteriores
104
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria
En el tablero de ldquoinformacioacutenrdquo se especifica mediante un ldquoradio buttonrdquo si el usuario
desea involucrar en el disentildeo peacuterdidas por parte del inversor yo bateriacuteas Aunque
se recomienda modelar sistemas fotovoltaicos con peacuterdidas debido a que son
modelos maacutes cercanos a la realidad de manera acadeacutemica puede llegar a ser
interesante observar en cuanta potencia fotovoltaica se incrementa el arreglo al
involucrar la eficiencia del inversor yo la eficiencia de las bateriacuteas (usualmente
aceptada en el 80) Cual sea el caso se puede acceder a esta informacioacuten en el
espacio ldquoPotencia fotovoltaica calculadardquo seleccionando en el tablero de
informacioacuten ldquoCALCULARrdquo Este caacutelculo tendraacute en cuenta los diacuteas de recuperacioacuten
del sistema y tiempo de autonomiacutea (explicados en la seccioacuten 22 paraacutemetros
necesarios para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo) de
acuerdo a la ecuacioacuten 224
De acuerdo con la ecuacioacuten 225 en la seccioacuten 232 es necesario especificar la
potencia del panel solar que se desea implementar para saber el nuacutemero de
paneles necesarios Esta informacioacuten se debe entregar en el recuadro
denominado ldquoParaacutemetros panel solarrdquo junto con la informacioacuten acerca del panel
especificada en dicho espacio esta informacioacuten seraacute almacenada y usada en las
proacuteximas interfaces graacuteficas
Una vez especificada toda la informacioacuten se podraacute acceder al nuacutemero de paneles
necesarios para el sistema fotovoltaico seleccionando ldquoCALCULARrdquo en el tablero
llamado ldquoCaacutelculo de potencia fotovoltaica y nuacutemero de moacutedulosrdquo
105
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la estabilidad del sistema
autoacutenomo seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 48 representa a la interfaz graacutefica que permite dar a conocer al usuario
cuantas bateriacuteas se necesitan para abastecer de energiacutea a las cargas de acuerdo
al nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea dato entregado en la interfaz representada en la
figura 46
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas
El usuario deberaacute consultar las caracteriacutesticas teacutecnicas de la bateriacutea y entregarlas
en los espacios especificados de la interfaz graacutefica tal como capacidad de la
bateriacutea tensioacuten de la bateriacutea (ambos paraacutemetros determinan cuanta capacidad de
almacenamiento en Wh posee la bateriacutea) maacutexima tensioacuten de carga (que depende
netamente del tipo de bateriacutea y su construccioacuten) y liacutemite de descarga maacuteximo (que
determinaraacute la esperanza de vida de la bateriacutea cabe recordar que entre menor
sea este liacutemite mayor tiempo de vida tendraacute el banco de bateriacuteas) una vez
especificada esta informacioacuten el usuario podraacute escoger si desea tener en cuenta
en el caacutelculo las peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas al igual que en el caso de
la potencia fotovoltaica calculada suele ser interesante observar el incremento de
la capacidad de almacenamiento calculada o necesaria teniendo en cuenta
peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas sin embargo este trabajo recomienda que
siempre se tengan en cuenta las peacuterdidas debido a que se aproximan a un
sistema mucho maacutes real y mejor dimensionado
106
Con la informacioacuten lista el usuario podraacute calcular el nuacutemero de bateriacuteas
necesarias desplazando el ldquopop-up menuacuterdquo correspondiente a la tensioacuten del
sistema este iacutecono permite escoger entre 12V 24V 36V y 48V de acuerdo a la
explicacioacuten dada en la seccioacuten 231 (Dimensionamiento del banco de bateriacuteas)
esta tensioacuten determina la configuracioacuten del banco de bateriacuteas Debido a que es
muy comuacuten que el nuacutemero de bateriacuteas necesarias no sea divisible exactamente
por el nuacutemero de bateriacuteas en serie (dadas por el cociente entre la tensioacuten del
sistema y la tensioacuten de la bateriacutea) es necesario reajustar el nuacutemero de bateriacuteas
lo que conlleva a reajustar nuevamente el liacutemite de descarga maacuteximo debido a
que con el nuacutemero de bateriacuteas reajustado que siempre seraacute mayor al calculado el
banco de bateriacuteas se descargaraacute menos que lo especificado por el usuario Esta
informacioacuten se encuentra en los espacios correspondientes a bateriacuteas en serie
nuacutemero de bateriacuteas seguacuten configuracioacuten y liacutemite de descarga ajustado al arreglo
de bateriacuteas
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la potencia fotovoltaica calculada
o necesaria seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo
seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 49 representa la interfaz que pretende que el usuario escoja el tipo de
regulador de carga que desea para la aplicacioacuten de acuerdo a la teoriacutea explicada
en las secciones 2131 y 2132 (REGULADORES PWM y REGULADORES
MPPT respectivamente)
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga
107
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del disentildeo del banco de bateriacuteas
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoREGULADOR PWMrdquo o ldquoREGULADOR CON SEGUIMIENTO MPPTrdquo
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWM
La figura 410 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
adquiera la informacioacuten necesaria para encontrar un regulador PWM adecuado
para la aplicacioacuten Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se adquiere la informacioacuten acerca
de Corriente maacutexima de la carga y la informacioacuten pertinente a la configuracioacuten del
arreglo fotovoltaico
Figura 410 Regulador PWM
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Corriente maacutexima de la carga es la corriente a la salida del regulador cuando
todas las cargas esteacuten interconectadas los fabricantes de reguladores PWM
deben especificar dicho paraacutemetro y por tanto se debe tener en cuenta por el
usuario
Dicha corriente se calcula de la siguiente forma
119894119898aacute119909119897119900119886119889 =119875119879119860119862
119907119900 120786 120783
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda
119907119900 tensioacuten del sistema 119894119898119886119909119897119900119886119889 corriente maacutexima de la carga
108
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
Una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a conocer la
informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 del arreglo fotovoltaico corriente de
cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad y corriente mppt en
condiciones STC del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten deberaacute de ser
corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador A
continuacioacuten se explica cada teacutermino
Tensioacuten de operacioacuten del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del nuacutemero de
paneles en serie que el usurario haya escogido en el recuadro de ldquointerconexioacuten
de moacutedulosrdquo y la tensioacuten mpp (119881119898119901) de cada moacutedulo fotovoltaico Cabe resaltar
que esta tensioacuten es calculada bajo las STC (25degc y 1000119882 1198982frasl ) por tanto este
dato no es totalmente real debido a que en algunas aplicaciones discrepan de
dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de la tensioacuten que el arreglo
fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea Se calcula seguacuten la siguiente
expresioacuten
119881119898119901_119886119903119903119886119910 = 119873119901119904119890119903119894119890 119881119898119901 120786 120784
En donde
119881119898119901_119886119903119903119886119910 tensioacuten de operacioacuten o de punto de maacutexima potencia del arreglo
fotovoltaico seguacuten las STC
119873119901119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie escogidos seguacuten configuracioacuten
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia del panel especificado por el fabricante
Corriente de cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad este dato es
funcioacuten del nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la
opcioacuten escogida por el usuario y de la corriente de cortocircuito (119894119888119888) algunos
autores recomiendan aumentar el dato real en un 25 con el fin de que el
regulador de carga pueda soportar esta condicioacuten sin sufrir dantildeos Asiacute entonces el
109
usuario deberaacute escoger un regulador de carga que tenga una capacidad de
corriente mayor o igual a la calculada [10]
Corriente en condiciones STC del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del
nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la opcioacuten
escogida por el usuario y de la corriente de mpp especificada por el fabricante del
moacutedulo Cabe resaltar que esta corriente es calculada bajo las STC (25degC y
1000119882 1198982frasl ) por tanto este dato no es totalmente real debido a que en algunas
aplicaciones discrepan de dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de
la corriente que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a capacidad de corriente de
regulador PWM tensioacuten nominal del regulador y tensioacuten maacutexima admisible por el
regulador PWM Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el regulador es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten tipo de regulador de
carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWM
La figura 411 representa la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
110
Figura 411 verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWM
En la interfaz representada en la figura 46 (Paraacutemetros que definen la estabilidad
del sistema fotovoltaico) se encuentran los espacios para que el usuario
especifique la temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima
que se encuentra en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar esto con el
fin de que el aplicativo calcule los valores de tensioacuten que resulten importantes para
el dimensionamiento tales como tensioacuten maacutexima 119881119898119901 119898aacute119909 del arreglo fotovoltaico
(calculada con la miacutenima temperatura promedio) tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico (calculada con la maacutexima temperatura promedio) y tensioacuten
maacutexima del arreglo fotovoltaico (calculada en condiciones de circuito abierto y
miacutenima temperatura promedio) Todos estos valores se muestran al usuario una
vez escogido el iacutecono ldquoCALCULARrdquo en la interfaz representada en la figura 411
(los caacutelculos obedecen a las ecuaciones 21 22 y 23)
En el recuadro llamado ldquoVerificacioacuten del regulador PWMrdquo se hacen dos
comparaciones una de ellas es acerca del valor de tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico y la tensioacuten 119881119898119894119899119887119886119905 en donde el banco de bateriacuteas estaacute
descargado El software PVSol expert recomienda que la tensioacuten de la bateriacutea no
sea menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo fotovoltaico (119881119898119901)
esto con el fin de evitar que la tensioacuten del arreglo fotovoltaico se aleje mucho de la
tensioacuten de la bateriacutea cabe resaltar que entre mayor sea esta diferencia de
tensiones menor potencia seraacute aprovechada por el sistema fotovoltaico [37 38]
La tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas es funcioacuten del liacutemite de descarga
descrito en la interfaz representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de
111
bateriacuteas) De esta forma es necesario poder calcular la tensioacuten de acuerdo al
liacutemite de descarga Partiendo de la informacioacuten suministrada en la tabla 6 (Estado
de carga de una bateriacutea) se hace una regresioacuten lineal con el fin de poder
encontrar la expresioacuten que involucre la relacioacuten tensioacuten de la bateriacutea vs estado de
descarga de esta forma se tiene lo siguiente
Figura 412 tensioacuten de la bateriacutea VS estado de carga
De la anterior regresioacuten se tiene entonces
119881119898iacute119899119887119886119905 = 0012 119878119900119888 + 116 120786 120785
En donde
119878119900119888 estado de carga de la bateriacutea (State of charge)
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima de la bateriacutea al liacutemite de descarga especificado
El estado de carga de la bateriacutea se puede representar como liacutemite de descarga de
la siguiente manera
119878119900119888 = 100 minus lim 120786 120786
En donde el valor del liacutemite de descarga seraacute el calculado en la interfaz
representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de bateriacuteas) con el nombre de
ldquoliacutemite de descarga adjuntado al arreglordquo
Es usual que la mayoriacutea de bateriacuteas de uso solar trabajen a 12V sin embargo
existen bateriacuteas que tiene valores distintos los maacutes usuales son 2V y 6V a pesar
de esto la construccioacuten de la bateriacutea es la misma por tanto se puede adaptar la
Y = 0012X + 116
114
116
118
12
122
124
126
128
13
0 20 40 60 80 100 120
Tensioacuten de la bateria VS Estado de carga
112
anterior relacioacuten dividiendo entre 2 para el caso de bateriacuteas de 6V y entre 6 para el
caso de bateriacuteas de 2V
Para encontrar entonces la tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas se debe primero
encontrar el nuacutemero de bateriacuteas en serie De la siguiente forma
119873119887119886119905_119904119890119903119894119890 =119881119900
119881119887119886119905 120786 120787
El nuacutemero de bateriacuteas en serie tomaraacute valores enteros siempre y cuando la
bateriacutea tenga tensiones de 12V 6V o 2V En este trabajo se limita el uso de
bateriacuteas con estos tres tipos de tensiones
Una vez encontrado el nuacutemero de bateriacuteas en serie y la tensioacuten miacutenima de la
bateriacutea escogida para la aplicacioacuten se puede encontrar la tensioacuten miacutenima del
banco de bateriacuteas de la siguiente forma
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898119894119899119887119886119905 120786 120788
En donde
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima en funcioacuten del estado de carga de la bateriacutea
Asiacute entonces una vez encontrado el valor de la tensioacuten miacutenima del banco de
bateriacuteas y la tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico el aplicativo verifica los
valores de tensioacuten de la siguiente forma
60 le119881119898iacute119899119887119886119899119888119900 100
119881119898119901 119898iacute119899 120786 120789
En done
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 tensioacuten cuando el banco de bateriacuteas esta descargado
119881119898119901 119898119894119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre menos moacutedulos en serie escoger otro panel con menor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de aumentar el nuacutemero de
bateriacuteas en serie
113
La segunda comparacioacuten que se hace en el recuadro ldquoverificacioacuten de las tensiones
MPPrdquo es acerca de la tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la
maacutexima tensioacuten del banco de bateriacuteas
La tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas seraacute funcioacuten de la tensioacuten maacutexima de
carga de la bateriacutea y el nuacutemero de bateriacuteas en serie
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar al banco de bateriacuteas la tensioacuten necesaria
para cargarlo este dato seraacute funcioacuten de la tensioacuten de carga ciacuteclica (Cyclic
charging voltaje) especificado por el fabricante de la bateriacutea El usuario debe
especificar este dato en la interfaz representada con la figura 48 (Disentildeo del
banco de bateriacuteas)
Una vez especificado la tensioacuten de carga ciacuteclica el aplicativo podraacute calcular la
tensioacuten maacutexima vista desde el arreglo fotovoltaico para cargar el banco de
bateriacuteas a continuacioacuten se muestra coacutemo
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898aacute119909119887119886119905 120786 120790
119873119887119886119905119904119890119903119894119890 nuacutemero de bateriacuteas en serie
119881119898119886119909119887119886119905 tensioacuten maacutexima de la bateriacutea
119881119898119886119909119887119886119899119888119900 tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar la tensioacuten necesaria para que el banco
de bateriacuteas se cargue de manera satisfactoria por tanto en la etapa de disentildeo del
sistema fotovoltaico se debe garantizar que la tensioacuten maacutexima requerida por el
banco de bateriacuteas no sea mayor a la tensioacuten que puede suministrar el arreglo
fotovoltaico de esta forma el aplicativo deberaacute verificar esta situacioacuten
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 lt 119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 120786 120791
En donde
119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo temperatura
promedio miacutenima
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre maacutes moacutedulos en serie escoger otro panel con mayor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de que disminuya el nuacutemero de
bateriacuteas en serie y por tanto la tensioacuten maacutexima de carga del banco
114
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del regulador
El aplicativo propuesto para este trabajo evaluacutea la capacidad de corriente que el
regulador de carga puede transmitir con la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico junto con un factor de seguridad el 25
La corriente de cortocircuito del regulador se calcula seguacuten el nuacutemero de cadenas
en paralelo y la corriente de cortocircuito de cada panel solar De la siguiente
forma
119868119888119888_119886119903119903119886119910 = 119873119904119905119903119894119899119892 119894119888119888 125 120786 120783120782
En donde
119868119888119888_119886119903119903119886119910 corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico
119873119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de cadenas en paralelo seguacuten configuracioacuten escogida
119894119888119888 corriente de cortocircuito del moacutedulo escogido
En la etapa de disentildeo del sistema fotovoltaico este valor de corriente deberaacute ser
menor a la capacidad de corriente maacutexima del regulador de carga con el fin de
que no sufra dantildeos graves bajo esta circunstancia Aunque los valores
especificados por el fabricante del panel solar estaacuten dados bajo las STC es muy
comuacuten que las aplicaciones solares discrepen de dichas condiciones en ciertas
horas del diacutea se puede obtener valores mayores a los 1000119882 1198982frasl lo que
aumentaraacute la produccioacuten de corriente eleacutectrica es por esta razoacuten que se supone
un 25 de factor de seguridad con el fin de darle al regulador un mejor
dimensionamiento en condiciones de mucha radiacioacuten solar
Seguacuten lo anterior el aplicativo deberaacute hacer la siguiente verificacioacuten
119868119888119888_119886119903119903119886119910 lt 119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120783
En donde
119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 corriente maacutexima del regulador PWM especificada por el fabricante
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de cadenas del arreglo yo cambiando el regulador PWM por otro con
mayor capacidad de corriente
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador
115
En la seccioacuten 4221 se hacen las verificaciones pertinentes a las tensiones de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico para este caso se hace algo muy similar solo
que ya no se tienen en cuenta la tensioacuten de operacioacuten del panel solar si no la
tensioacuten de circuito abierto y junto con la temperatura promedio miacutenima producen la
mayor tensioacuten que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar Asiacute entonces se busca
que el regulador de carga sea capaz de soportar dicha condicioacuten y por tanto en la
etapa de disentildeo se necesita que el aplicativo calcule este dato
Asiacute entonces al aplicar la ecuacioacuten 21 se obtiene el valor de la tensioacuten maacutexima
del arreglo fotovoltaico y en la interfaz descrita en la anterior figura el aplicativo
verificaraacute que dicha tensioacuten no sea mayor a la maacutexima que el regulador de carga
PWM pueda soportar De esta forma se tiene
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 lt 119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120784
119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 tensioacuten maacutexima del regulador de carga especificada por el
fabricante
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de paneles en serie del arreglo escogiendo otro panel que tenga menor
tensioacuten de circuito abierto yo cambiando el regulador PWM por otro con mayor
capacidad de tensioacuten
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor
El aplicativo propuesto para este trabajo verifica que los valores de tensioacuten DC y
potencia maacutexima del grupo de cargas del sistema fotovoltaico sean adecuados
con los valores del inversor escogido el usuario tendraacute entonces una valoracioacuten
acerca de si el dispositivo se puede usar para la aplicacioacuten a desarrollar o si por el
contrario es necesario cambiarlo
En la interfaz representada en la figura 45 (Modelamiento del inversor autoacutenomo)
se entrega al usuario la informacioacuten acerca de la potencia maacutexima que el conjunto
de cargas alcanzariacutea si todo estuviese interconectado a la vez Este trabajo
propone que el inversor sea capaz de soportar dicha situacioacuten con el fin de que
116
las personas beneficiadas de la instalacioacuten solar no tengan limitantes respecto al
nuacutemero de aparatos eleacutectricos que quieran interconectar para lograr esto el
aplicativo verificaraacute que la potencia del inversor escogido por el usuario pueda
operar bajo dicho evento De esta forma se tiene
119875119879119860119862 lt 119875119894119899119907119890119903119904119900119903 120786 120783120785
119875119879119860119862 potencia maacutexima de la demanda
119875119894119899119907119890119903119904119900119903 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga el
cambio pertinente del inversor debido a que este no podraacute trabajar bajo esas
circunstancias
La otra verificacioacuten que el aplicativo hace es acerca de la tensioacuten nominal de
entrada al inversor que es de caraacutecter continuo Este valor deberaacute ser igual a la
tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten a la que operaraacute el banco de
bateriacuteas De esta forma se tiene que
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 = 1198810 120786 120783120786
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 tensioacuten nominal a la entrada del inversor
1198810 tensioacuten del sistema
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y cambie
el inversor por uno que se acople a la tensioacuten escogida del sistema a desarrollar
Con esta comparacioacuten termina el modelamiento de un sistema fotovoltaico aislado
con regulador PWM usando el aplicativo propuesto
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPT
La figura 413 representa la interfaz para modelar un sistema fotovoltaico con
regulador MPPT para acceder a esta el usuario deberaacute escoger el iacutecono
ldquoREGULADOR MPPTrdquo en la interfaz representada con la figura 49 (Seleccioacuten tipo
de regulador de carga)
117
Figura 413 Regulador MPPT
En esta interfaz se entrega al usuario informacioacuten necesaria para encontrar un
regulador tipo MPPT que se ajuste al arreglo fotovoltaico dicha informacioacuten
aparece cuando el usuario escoge el iacutecono ldquoCALCULARrdquo y se describe a
continuacioacuten
Corriente maacutexima de la carga al igual que con el regulador PWM el regulador
MPPT tiene un valor maacuteximo de corriente a la salida para el cual fue disentildeado por
tanto se busca que el regulador sea capaz de soportar la corriente maacutexima de la
carga calculada con la expresioacuten 41
Potencia fotovoltaica instalada este dato da al usuario un indicio del regulador
MPPT que debe escoger debido a que es la potencia que debe transmitir a las
cargas Se calcula de la siguiente forma
119875119891119907_119894119899119904119905 = 119873119901119886119899119890119897119890119904 119875119898119901119901 120786 120783120787
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles calculados
119875119898119901119901 potencia del panel en condiciones STC
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
118
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
De manera similar a la interfaz que representa al modelamiento del regulador
PWM una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a
conocer la informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 (punto de maacutexima potencia) del
arreglo fotovoltaico y corriente de cortocircuito del arreglo esta informacioacuten deberaacute
de ser corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Potencia nominal DC del regulador este dato es especificado por el fabricante del
regulador y significa la cantidad de potencia que el regulador MPPT puede
transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y al banco de bateriacuteas En
algunas eacutepocas del antildeo los arreglos fotovoltaicos pueden producir maacutes potencia
de la especificada por el fabricante del regulador este podraacute soportar dicha
situacioacuten pero solo aprovecharaacute la potencia especificada por el fabricante el resto
la desecharaacute
Tensioacuten maacutexima admisible por el regulador como todo dispositivo electroacutenico los
reguladores de carga tipo MPPT poseen un liacutemite de tensioacuten maacutexima este dato es
especificado por el fabricante y depende netamente de su construccioacuten y
componentes operar por encima de dicho liacutemite podraacute dantildear el regulador o reducir
su esperanza de vida Aunque algunos fabricantes de reguladores poseen una
proteccioacuten contra sobretensiones se recomienda instalar protecciones por aparte
tales como DPS (Dispositivo de Proteccioacuten contra Sobretensiones) en la entrada
de regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con el fin de brindarle un mayor
respaldo al regulador
Maacutexima corriente a la entrada del regulador MPPT al igual que en el caso de la
tensioacuten los reguladores de carga MPPT poseen un liacutemite de corriente que
depende netamente de la construccioacuten del dispositivo estos valores son
especificados en las hojas teacutecnicas del regulador facilitadas por el fabricante con
el fin de que el usuario sepa cuanta corriente el arreglo fotovoltaico puede debe
producir para no dantildear el dispositivo Aunque algunos fabricantes de reguladores
poseen una proteccioacuten contra sobre-corrientes se recomienda instalar
protecciones en la entrada del regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con
119
el fin de abrir el circuito del sistema cuando se desea hacer un mantenimiento o
reparar el regulador y brindarle un mayor respaldo contra fallas al regulador
Liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor miacutenimo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por debajo de este liacutemite causaraacute que el regulador se apague por tanto se intenta
que la tensioacuten de operacioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico calculada con la
maacutexima temperatura promedio sea mayor a este valor asiacute se garantiza que el
arreglo fotovoltaico opere en el punto de maacutexima potencia en todo momento
Liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por encima de este liacutemite implica que el regulador no rastrearaacute el punto de maacutexima
potencia y si alcanza valores muy elevados pondraacute en riesgo el funcionamiento del
regulador por tanto se intenta que la tensioacuten de operacioacuten maacutexima del arreglo
fotovoltaico que es calculada con la temperatura promedio miacutenima sea menor a
este valor asiacute se garantiza que el arreglo fotovoltaico opere en el punto de
maacutexima potencia y no se ponga en riesgo el funcionamiento del dispositivo
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a tensioacuten maacutexima admisible por
el regulador potencia nominal DC del regulador maacutexima corriente a la entrada del
regulador MPPT liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante y liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el inversor es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten de tipo de regulador
de carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoVERIFICACIOacuteN DEL SISTEMArdquo
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPT
La figura 414 representa a la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
120
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPT
De manera similar a la seccioacuten 4221 (Verificacioacuten de las tensiones MPP usando
regulador PWM) el aplicativo calcula las tensiones maacuteximas y miacutenimas en funcioacuten
de la temperatura promedio miacutenima y maacutexima respectivamente la gran diferencia
radica en que la verificacioacuten no se hace respecto a las tensiones de carga y
descarga del banco de bateriacuteas si no respecto a la ventana de tensioacuten de
seguimiento de punto de maacutexima potencia del regulador MPPT que es
especificado por el fabricante De esta manera en la etapa de verificacioacuten del
sistema el aplicativo deberaacute hacer las siguientes comparaciones
119881119898119901 119898iacute119899 gt 119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 120786 120783120788
119881119898119901 119898aacute119909 le 119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 120786 120783120789
En donde
119881119898119901 119898iacute119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo miacutenima temperatura
promedio
119881119898119901 119898aacute119909 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 liacutemite de tensioacuten miacutenima de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
121
119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 liacutemite de tensioacuten maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
Si alguna de las anteriores expresiones no se cumplen en el recuadro de
recomendaciones se hace un comentario con el fin de que el usuario se entere de
dicha situacioacuten y haga los cambios pertinentes tales como escoger otra
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que ajuste los niveles de tensioacuten del inversor
escoger otro panel con mejor caracteriacutesticas de tensioacuten o escoger otro inversor
cuya ventana de tensioacuten se ajuste a las caracteriacutesticas del arreglo fotovoltaico
42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador
MPPT
Seguacuten las caracteriacutesticas constructivas del regulador y sus componentes el
regulador podraacute transmitir cierta cantidad de potencia desde el arreglo fotovoltaico
hacia las cargas por tanto en la etapa de disentildeo se intenta que el regulador tipo
MPPT tenga un liacutemite de potencia tal que sea mayor a la potencia del arreglo
fotovoltaico De esta forma el aplicativo deberaacute verificar lo siguiente
119875119891119907_119894119899119904119905 le 119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 120786 120783120790
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada (ver expresioacuten 415)
119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 potencia DC a la entrada del regulador de carga tipo MPPT
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten Se
recomendaraacute cambiar de regulador por otro con mayor capacidad de potencia con
el fin de aprovechar la potencia generada por el arreglo suponiendo las STC cabe
aclarar que hay eacutepocas del antildeo en donde se puede encontrar una irradiancia
mayor a los 1000119882 1198982frasl por tanto el arreglo fotovoltaico podraacute generar mayor
potencia eleacutectrica que la estipulada por la potencia fotovoltaica calculada bajo las
STC (ver expresioacuten 415) esta situacioacuten no pone en riesgo el regulador de carga
debido a que el regulador solo entregaraacute la potencia nominal y el resto no la
aprovecharaacute generando sistemas fotovoltaicos maacutes ineficientes
Las demaacutes verificaciones de caracteriacutesticas eleacutectricas del regulador MPPT y del
inversor tales como corriente maacutexima del regulador tensioacuten maacutexima del regulador
tensioacuten nominal del inversor y potencia AC del inversor seraacuten iguales a las
realizadas en el caso de las secciones 4222 4223 y 4224 (verificacioacuten de la
122
corriente nominal del regulador verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador y
verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor respectivamente)
De esta manera finaliza la descripcioacuten del aplicativo respecto a sistemas
fotovoltaicos aislados o autoacutenomos con esta propuesta se intenta que la empresa
Colombian Solar Systems SAS pueda disentildear sistemas fotovoltaicos de manera
sencilla y raacutepida teniendo en cuenta la teoriacutea respecto a dichos sistemas existente
en el capiacutetulo dos
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de
bateriacuteas con aplicativo propuesto
En la interfaz representada en la figura 42 (seleccioacuten de tipo de sistema
fotovoltaico) al seleccionar ldquoSISTEMA INTERCONECTADO A REDrdquo el aplicativo
hace llamado a la interfaz descrita en la figura 415
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
La figura 415 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique la radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (paraacutemetro en
kWhm2 explicado en la seccioacuten 222 Recurso solar) el consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (paraacutemetro en kWhmes explicado en la seccioacuten 322 Estudio del consumo anual) y el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar (explicado en la seccioacuten 323) El usuario podraacute entregar estos datos llenando la tabla correspondiente sin embargo suele ser arduo digitar todos estos datos por lo que el aplicativo podraacute importar los datos desde una tabla de Excel para esto el usuario debe seleccionar el ldquoradio buttonrdquo llamado ldquoExportar datos de Excelrdquo una vez seleccionado
123
apareceraacute un botoacuten llamado ldquoAbrir formato para importacioacutenrdquo el cual hace un llamado a un archivo Excel con las siguientes caracteriacutesticas mostradas en la figura 416
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel
Las herramientas encargadas de calcular el recurso solar en una superficie inclinada en una zona especiacutefica comuacutenmente tienen la opcioacuten de exportar los datos a una tabla de Excel lo que facilitaraacute que el usuario pueda pegar dichos datos al formato de importacioacuten llamado desde el aplicativo Una vez listos los datos en el formato se debe seleccionar la regioacuten que se desea exportar a Matlab y regresar a la interfaz descrita en la figura 415 en donde aparece un mensaje descrito en la imagen a continuacioacuten
124
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab
Al seleccionar ldquoOKrdquo aparecen los datos correspondientes en la tabla de la interfaz
representada en la figura 415 (paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema
interconectado a red)
Ya con los datos de consumo y recurso solar el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten correspondiente al porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar este dato determinaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico y del
inversor y por tanto dependeraacute del presupuesto que se disponga para la
instalacioacuten solar tambieacuten se recomienda que no sea un valor muy grande debido
a que es muy probable que se ldquoempujerdquo energiacutea a la red cabe recordar que en un
entorno como el de Colombia no generaraacute ninguna ventaja econoacutemica bajo esta
situacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca seleccioacuten tipo de sistema fotovoltaico
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 418 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario se
pueda enterar de lo que seraacute el arreglo fotovoltaico para cumplir con el porcentaje
de consumo que se desea suplir con energiacutea solar seguacuten su consumo a lo largo
de un antildeo proporcionado por la empresa prestadora del servicio y del recurso
solar en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar para esto el usuario
deberaacute escoger en la interfaz graacutefica el botoacuten ldquoCALCULARrdquo Cabe resaltar que el
resultado entregado en este paso es la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
que no siempre seraacute divisible exactamente por la potencia en STC de un panel
fotovoltaico por tanto es necesario que el usuario entregue a continuacioacuten las
125
caracteriacutesticas del panel solar que se desea usar se debe intentar escoger un
moacutedulo tal que al utilizar varios moacutedulos de estos la suma de potencia se aproxime
tanto como sea posible a la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
anteriormente calculada de esto dependeraacute que el arreglo fotovoltaico produzca el
porcentaje de consumo que se requiere suplir con energiacutea solar y no un porcentaje
mucho mayor (debido a que el aplicativo estaacute programado para aproximar el
nuacutemero de paneles al entero mayor maacutes cercano)
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada
Una vez entregada la informacioacuten del panel que se desea utilizar el usuario podraacute
conocer el nuacutemero de paneles que se necesitan para la aplicacioacuten para esto el
usuario debe escoger en el recuadro llamado ldquoPotencia fotovoltaica instaladardquo el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo a continuacioacuten aparece el nuacutemero de moacutedulos necesarios la
potencia fotovoltaica instalada y la posible interconexioacuten de los paneles seguacuten el
nuacutemero de paneles calculado
El aplicativo calcularaacute los valores de tensioacuten miacutenimos y maacuteximos en operacioacuten del
arreglo fotovoltaico seguacuten la configuracioacuten escogida por el usuario Seguacuten las
expresiones 21 22 y 23 (tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de
temperatura baja promedio tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico
bajo la influencia de una temperatura alta promedio y tensioacuten maacutexima de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de una temperatura baja
promedio respectivamente) el usuario deberaacute consultar los valores de temperatura
promedio miacutenima y maacutexima en la zona en donde se desea hacer la instalacioacuten del
arreglo fotovoltaico esto con el fin de que el aplicativo pueda verificar que los
126
niveles de tensioacuten del arreglo fotovoltaico sean adecuados para el inversor
interactivo con la red escogido por el usuario Por tanto el usuario deberaacute entregar
los datos de temperatura en los espacios pertinentes en la parte inferior de la
interfaz
Una vez entregados los datos de temperatura el usuario podraacute escoger la
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico (nuacutemero de paneles en serie y nuacutemero de
cadenas en paralelo) desplegando el ldquopop-up menuacuterdquo en el recuadro de
ldquointerconexioacutenrdquo Una vez seleccionada la opcioacuten aparece el dato de tensioacuten mpp
del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten daraacute un indicio del valor de tensioacuten que el
arreglo fotovoltaico podraacute alcanzar en STC y seguacuten el nuacutemero de paneles en serie
especificado en la opcioacuten escogida por el usuario
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de los paraacutemetros de consumo y
recurso solar del sistema interconectado a red seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute
continuar con el disentildeo seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 419 representa la interfaz que pretende que el usuario reciba la
informacioacuten necesaria para que pueda escoger un inversor interactivo con la red
que se adapte al arreglo fotovoltaico para esto el usuario debe seleccionar el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo en el recuadro ldquomodelamiento del inversor interactivo con la
redrdquo A continuacioacuten apareceraacute la informacioacuten pertinente a corriente de
cortocircuito del arreglo tensioacuten MPP del arreglo fotovoltaico y potencia
fotovoltaica calculada Dichos conceptos son iguales a los del sistema autoacutenomo
por tanto se calculan seguacuten las expresiones 410 42 y 415 respectivamente
127
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica
El usuario en primera instancia deberaacute buscar un inversor interactivo con la red
que pueda operar la potencia del arreglo fotovoltaico y se adapte a los valores
nominales de la red (tensioacuten frecuencia y fase en el caso de un inversor trifaacutesico)
una vez encontrado un inversor candidato el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten pertinente a dicho inversor en los espacios ubicados en la parte
inferior de la interfaz Debido a que el inversor interactivo con la red tiene
caracteriacutesticas similares al regulador con seguimiento MPP los conceptos
pertinentes a potencia nominal del inversor tensioacuten maacutexima admisible por el
inversor corriente maacutexima a la entrada del inversor eficiencia del inversor y liacutemite
miacutenimo y maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificada por el fabricante seraacuten
los mismos a los utilizados en la seccioacuten 4213 (modelamiento del sistema
usando regulador mppt)
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del caacutelculo de potencia fotovoltaica
instalada seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 420 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
identifique posibles errores del inversor candidato (escogido en la interfaz
representada en la figura 419 inversor interactivo con la red eleacutectrica) el
aplicativo se encarga de hacer sugerencias en el disentildeo del sistema de acuerdo al
error encontrado en el caacutelculo Debido a que este tipo de inversores tiene
caracteriacutesticas similares al de un regulador con seguimiento mpp de un sistema
autoacutenomo las verificaciones realizadas en la seccioacuten 4214 (verificacioacuten sistema
aislado con regulador mppt) seraacuten las mismas que para este caso
128
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red
Adicional a la verificacioacuten de sistema fotovoltaico interactivo con la red el
aplicativo calcula un informe en donde resume el comportamiento del sistema mes
a mes El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del inversor interactivo con la
red eleacutectrica seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con la interfaz acerca del
informe del sistema interconectado a red seleccionando ldquoINFORMErdquo
La figura 421 representa la interfaz que muestra el comportamiento de un sistema
fotovoltaico interconectado a red a lo largo del antildeo El diagrama de barras
muestra la demanda de energiacutea y la energiacutea que el sistema fotovoltaico produce
mes a mes de acuerdo a la potencia fotovoltaica instalada que en este caso es de
15kW la variacioacuten de la produccioacuten energeacutetica por parte del sistema fotovoltaico
dependeraacute de la variacioacuten del recurso solar mes a mes en la zona donde se
requiere de la instalacioacuten en este caso se usoacute la informacioacuten proporcionada por el
software PVSol para un plano inclinado a 10deg acimut 0deg y los datos de medicioacuten
hechas en la estacioacuten del Aeropuerto Matecantildea La primera fila de la tabla
muestra el paraacutemetro 119919119956119953119946119940119952 (Vector horas solar pico a lo largo del antildeo en hd)
que resume el comportamiento del recurso solar en el antildeo de estudio dicha tabla
tambieacuten contiene informacioacuten acerca de la demanda de energiacutea eleacutectrica
especificada como en la seccioacuten 322 la generacioacuten de energiacutea por parte del
arreglo bajo el recurso solar especificada como 120643119943 119946 en la seccioacuten 331 y
porcentaje de energiacutea que el sistema fotovoltaico produce con respecto a la
demanda especificado en la seccioacuten 323 Esto con el fin de que el usuario pueda
observar en una misma interfaz la influencia del recurso solar con la generacioacuten de
129
energiacutea del sistema fotovoltaico y el comportamiento de lo que seraacute el arreglo
fotovoltaico
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red
Esta interfaz termina con el resumen anual de la produccioacuten energeacutetica del sistema el consumo de energiacutea anual y el porcentaje que el sistema fotovoltaico produciraacute al final del antildeo en funcioacuten del tamantildeo del arreglo fotovoltaico del recurso solar y de la eficiencia del inversor interactivo con la red De esta forma se pretende aplicar la teoriacutea acerca de sistemas fotovoltaicos vista
en los anteriores 3 capiacutetulos en un aplicativo para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos propuesta presentada para la empresa Colombian Solar Systems
SAS a manera de praacutectica conducente a trabajo de grado A continuacioacuten se
presenta la comparacioacuten respecto a dos metodologiacuteas de disentildeo la primera
mediante el aplicativo propuesto en este capiacutetulo y la segunda con la simulacioacuten
desarrollada por el software PVSol expert
130
Capiacutetulo 5
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En este capiacutetulo se pretende exponer y comparar los resultados obtenidos por la
metodologiacutea planteada para el aplicativo propuesto para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos y la metodologiacutea de simulacioacuten mediante software comercial
PVSOLreg
Para corroborar la viabilidad de los disentildeos del aplicativo se propuso comparar sus
resultados con los obtenidos por otra metodologiacutea para este caso se utilizoacute la
simulacioacuten en un software especializado PVSOLreg Se propuso desarrollar 4
sistemas fotovoltaicos aislados y 3 sistemas fotovoltaicos interconectados a red
todos desarrollados en territorio colombiano y adquiridos bajo la experiencia de la
empresa Colombian Solar Systems SAS Con esta comparacioacuten se pretende
verificar si los disentildeos obtenidos por el aplicativo son resultados similares o si por
el contrario son muy alejados a los obtenidos por el software cabe resaltar que al
encontrar resultados similares no se garantiza un disentildeo enteramente confiable
sin embargo se puede dar un excelente indicio de un sistema fotovoltaico que esteacute
cercano a suministrar el 100 de la demanda si por el contrario se encuentran
resultados con un amplio margen de error se motiva el estudio para buscar una
metodologiacutea que tenga en cuenta nuevas teoriacuteas y nuevos estudios Sin embargo
para abordar claramente dicha comparacioacuten es necesario hacer una descripcioacuten
acerca de la metodologiacutea sobre disentildeo de sistemas fotovoltaicos con el software
PVSOLreg
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreg
El software PVSOLreg ofrece a los ingenieros y arquitectos una metodologiacutea faacutecil de
usar disentildeada para la praacutectica real tanto para el dimensionamiento como para el
disentildeo la simulacioacuten dinaacutemica y la evaluacioacuten de rendimientos para instalaciones
de energiacutea solar fotovoltaica Estaacute disentildeado tanto para sistemas conectados a red
con inyeccioacuten total asiacute como para sistemas con inyeccioacuten del excedente a la red
El software PVSOLreg puede simular el almacenamiento de energiacutea en sistemas
con bateriacuteas e importar perfiles de carga medidos en pasos de 15 minutos y 1
minuto Ademaacutes puede calcular las peacuterdidas en las cadenas y las peacuterdidas por el
cableado ACDC por inversor Tambieacuten incluye la herramienta de visualizacioacuten en
3D y un caacutelculo detallado de las sombras en instalaciones conectadas a la red con
131
los moacutedulos tanto paralelos como integrados en la cubierta asiacute como sistemas
montados en tejado y en aacutereas libres
Estas son algunas caracteriacutesticas destacadas del software
Acceso a los datos climaacuteticos de maacutes de 8000 lugares en el mundo
Archivo completo con maacutes de 13000 moacutedulos y 3100 inversores
Caacutelculo graacutefico del nuacutemero de moacutedulos en el tejado con configuracioacuten de
varios tipos de tejado
Detallado caacutelculo de sombras con simulacioacuten 3D
Estas caracteriacutesticas sumadas con una experiencia de 20 antildeos en la simulacioacuten
de sistemas fotovoltaicos hace de esta una herramienta importante y por esta
razoacuten se propone usarla como referencia para comparar los resultados del disentildeo
generados por el aplicativo propuesto en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se dan las descripciones generales de los sistemas autoacutenomos
base con los que se haraacute la comparacioacuten
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASE
Los sistemas fotovoltaicos piloto utilizados en este trabajo han sido aportados por
una base de datos propia de la empresa Colombian Solar Systems SAS esta
contiene peticiones de usuarios para soluciones energeacuteticas con sistemas
fotovoltaicos en distintos lugares del paiacutes
A continuacioacuten se presenta las caracteriacutesticas de demanda recurso solar y
estabilidad para cada piloto
521 Piloto sistema aislado 1
La primera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
132
Nuacutemero
de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de
la carga
6 12 4 Bombillos led
2 120 4 Televisor
2 180 6 Portaacutetil
1 200 1 Impresora
1 15 24 Modem
1 180 10 Nevera
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1
Los datos expuestos en la tabla 51 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
171971422 13148
1067 952 8949 9823 11232118021346712939
15553
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
133
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
Horas
solar pico
Enero 171972 555
Febrero 142198 508
Marzo 131477 424
Abril 106698 356
Mayo 95201 307
Junio 89485 298
Julio 98228 317
Agosto 112321 362
Septiembre 118016 393
Octubre 134671 434
Noviembre 129391 431
Diciembre 155527 502
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 298 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
134
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 298
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1
522 PILOTO SISTEMA AISLADO 2
La propuesta dos tiene como objetivo resaltar la importancia del recurso solar en
el lugar donde se desea hacer la instalacioacuten al igual que analizar la importancia de
ajustar a valores adecuados la inclinacioacuten del arreglo de esta forma se planteoacute las
mismas condiciones de la propuesta 1 (tabla 51 Datos de consumo de la
propuesta 1) pero con el recurso solar obtenido en la estacioacuten climatoloacutegica del
aeropuerto en la Isla de San Andreacutes y ajustando la inclinacioacuten a un valor cercano a
la latitud El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se expondraacute a
continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la simulacioacuten
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San
Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la Irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
1684718425 204617784
13987136571332714115160591538113019
15325
050
100150200250
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 15degy acimut 0deg
135
MES IRRADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16847 543
Febrero 18425 658
Marzo 2046 66
Abril 17784 593
Mayo 13987 451
Junio 13657 455
Julio 13327 43
Agosto 14115 455
Septiembre 16059 535
Octubre 15381 496
Noviembre 13019 434
Diciembre 15325 494
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 43 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
136
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 43
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2
523 PILOTO SISTEMA AISLADO 3
La tercera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 60 2 Purificador de
agua
1 30 4 Equipo de
sonido
1 80 5 Televisor
1 10 3 Circuito de carga
para celular
6 9 5 Bombillos led
1 80 12 Nevera
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3
Los datos expuestos en la tabla 56 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
con una inclinacioacuten de 10deg
137
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16417 53
Febrero 14159 506
Marzo 13941 45
Abril 11912 397
Mayo 11229 362
Junio 10858 362
Julio 11813 381
Agosto 12913 417
Septiembre 12807 427
Octubre 13706 442
1641714159 13941
11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 1272314889
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 10deg y acimut 0deg
138
Noviembre 12723 424
Diciembre 14889 48
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 362
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3
524 Piloto Sistema Aislado 4
La cuarta propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Perales ubicado en la ciudad de Ibagueacute en el
departamento de Tolima el usuario solicita una solucioacuten para iluminar un sendero
peatonal con iluminacioacuten led y un sistema fotovoltaico el ensamble de todo el
sistema se realizaraacute en un poste por lo que el sistema fotovoltaico deberaacute ser
pequentildeo y liviano El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 100 12 Iluminaria Led
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4
139
Los datos expuestos en la tabla 59 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Perales
con una inclinacioacuten de 10deg
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 14149 456
Febrero 11943 427
Marzo 12779 412
Abril 10328 344
Mayo 10725 346
1414911943 12779
10328 1072512195
10867 992811646 12202 12507 12695
0
50
100
150
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
140
Junio 12195 407
Julio 10867 351
Agosto 9928 32
Septiembre 11646 388
Octubre 12202 394
Noviembre 12507 417
Diciembre 12695 41
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 32
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 15
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4
Ya con los datos de recurso solar tiempo de recuperacioacuten del sistema y diacuteas de
autonomiacutea se puede desarrollar el disentildeo del sistema fotovoltaico que constaraacute
del caacutelculo de la potencia fotovoltaica necesaria y de la capacidad del banco de
bateriacuteas debido a que a partir de estos dos datos se calcula el nuacutemero de
moacutedulos y de bateriacuteas dependiendo de la capacidad de potencia y capacidad de
almacenamiento respectivamente
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMO
Los resultados de las anteriores propuestas para sistemas aislados se presentan
como la potencia fotovoltaica calculada y la capacidad necesaria del banco de
141
bateriacuteas con estos dos paraacutemetros el usuario podraacute calcular el nuacutemero de paneles
y bateriacuteas dependiendo de la potencia del panel que se desea usar y de la
capacidad de almacenamiento de la bateriacutea en particular respectivamente
(expresiones 225 y 212) Para el caacutelculo se supone una eficiencia del inversor del
90 y una eficiencia de la bateriacutea del 80 estos valores son usualmente
acogidos para disentildeos de sistemas fotovoltaicos [10]
A continuacioacuten se presentan los resultados de la simulacioacuten en el software
PVSOLreg y con el aplicativo propuesto para este trabajo
Resultados Piloto 1
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
2620 W 4807 Ah
Aplicativo 26703 W 534 Ah Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
Para este disentildeo descrito en la tabla 512 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900)
de 48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 2
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
1818 W 4807 Ah
Aplicativo 17389 W 534 Ah Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 513 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 3
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
731 W 4757 Ah
Aplicativo 7289 W 5864 Ah Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
142
Para el disentildeo descrito en la tabla 514 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 4
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
495 200 Ah
Aplicativo 48611 2777 Ah Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 515 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
54 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A RED
Las consultas por usuarios a la empresa Colombian Solar Systems SAS acerca
de este tipo de sistemas son menores que para el caso del sistemas fotovoltaicos
aislados sin embargo la base de datos que proporciona esta empresa puede
suministrar varias propuestas que se estudiaraacuten en esta seccioacuten
541 Piloto sistema interconectado a red 1
Esta propuesta fue solicitada por un usuario que necesitaba disminuir el consumo
de energiacutea eleacutectrica por parte de la electrificadora encargada en un eco hotel de
su propiedad por tanto acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 8220
Febrero 6120
Marzo 6960
Abril 8340
143
Mayo 6600
Junio 6660
Julio 6540
Agosto 7560
Septiembre 7320
Octubre 7800
Noviembre 9060
Diciembre 7800
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para el lugar exacto donde se
desea hacer la instalacioacuten solar A continuacioacuten se ilustra la interfaz graacutefica con la
que un usuario deberaacute interactuar para seleccionar el recurso solar en un lugar
exacto
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
144
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para
una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
En esta propuesta se plantea un 10 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
542 Piloto sistema interconectado a red 2
Esta propuesta fue solicitada por un grupo de usuarios que requieren alimentar
parte de su consumo con energiacutea solar en una zona residencial en la ciudad de
Bogotaacute por tanto se acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso A continuacioacuten se presenta el consumo de
energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 823912
Febrero 744176
Marzo 823912
Abril 765136
Mayo 790644
Junio 76422
Julio 79926
Agosto 79926
1753 15272 15053 13025 12342 11971 12925 14025 1392 14819 13835 16002
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
145
Septiembre 77348
Octubre 793868
Noviembre 76826
Diciembre 793868
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica
ubicada en el aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute La siguiente tabla
ilustra los datos obtenidos seguacuten el software PVSOLreg
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la
ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
543 Piloto sistema interconectado a red 3
Esta propuesta fue solicitada por un usuario en la ciudad de Pasto para una
residencia el usuario busca disminuir el consumo de energiacutea por parte de la
electrificadora encargada y servir de referente para los demaacutes usuarios en la
unidad residencial haciacutea el autoconsumo con energiacuteas renovables por tanto se
acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para solicitar un estudio de
un sistema fotovoltaico interconectado a la red Cabe resaltar que entre los
requerimientos del usuario estaacute el uso de una superficie inclinada a 10ordm y
orientacioacuten Norte (acimut 180ordm) para la instalacioacuten del arreglo fotovoltaico
1640914048 13989
11946 11222 10765 1178 12819 12832 13638 1279614967
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
146
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en un antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 205978
Febrero 186044
Marzo 205978
Abril 191284
Mayo 197661
Junio 191055
Julio 199815
Agosto 199815
Septiembre 19337
Octubre 198467
Noviembre 192065
Diciembre 198467
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg bajo el meacutetodo de
interpolacioacuten debido a la ausencia de una estacioacuten climatoloacutegica con nexo a la
base de datos de MeteoSyn (programa encargado de estudios sobre recurso solar
para software PVSOLreg) La siguiente tabla ilustra los datos obtenidos seguacuten el
software PVSOLreg
147
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto
(Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADOS A RED
Para sistemas interconectados a la red el software PVSOLreg analiza el nuacutemero de
paneles que el usuario quiera implementar pero no consulta el porcentaje de
consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar por parte del arreglo
fotovoltaico cabe recordar que este uacuteltimo es un paraacutemetro fundamental para el
dimensionamiento del arreglo fotovoltaico por parte del aplicativo propuesto por
este trabajo asiacute entonces se analizoacute en primera instancia cada propuesta con el
aplicativo teniendo en cuenta el porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar por parte del arreglo fotovoltaico para cada propuesta para asiacute
calcular un nuacutemero de paneles necesario que seraacute usado por el software
PVSOLreg Esto con el fin de que ambas metodologiacuteas calculen la energiacutea que un
sistema fotovoltaico podraacute suministrar a lo largo del antildeo del estudio
Dicha comparacioacuten ayudaraacute a verificar si el arreglo fotovoltaico calculado por el
aplicativo produce valores de energiacutea al antildeo similares o muy alejados a los
calculados por el software PVSOLreg cabe resaltar que el software calcula la
energiacutea que el arreglo produce cada diacutea del antildeo de acuerdo a la irradiacioacuten
exportada del recurso solar en el lugar donde se desea implementar el arreglo
fotovoltaico esto hace que sea una metodologiacutea adecuada para la comparacioacuten
A continuacioacuten se muestran los resultados para cada propuesta
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1
12384 10757 12208 12019 1265814763 13517 13448 13364 1283 11727 10961
0
50
100
150
200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 15degACIMUT 180deg
148
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 516 y
el recurso solar expuesto en la figura 56 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
La tabla 519 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 1
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 1
Consumo anual 88980kWh
Porcentaje de energiacutea (dato inicial) 10
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 17072kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 24
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 9034kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 8235kWh
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red
149
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 517 y
el recurso solar expuesto en la figura 57 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
La tabla 520 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 2
Consumo anual 9440kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 1572 kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 9
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 311987kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 2912kWh
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red
150
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 518 y
el recurso solar expuesto en la figura 58 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
La tabla 521 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 3
Consumo anual 2360kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 15066 kWhm2
Potencia del panel 180W
Nuacutemero de paneles 3
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 732kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 671kWh
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red
151
56 CONCLUSIONES
Basado en el trabajo de realizado y resultados obtenidos se concluye que
La potencia fotovoltaica calculada para los pilotos correspondientes a sistemas
aislados para ambas metodologiacuteas es similar maacutes no igual esto es debido a que
las metodologiacuteas usan distintas maneras para calcular un arreglo fotovoltaico Sin
embargo los resultados obtenidos no superan un rango de error mayor al 5 lo
que da un indicio de un disentildeo acertado del arreglo fotovoltaico
La capacidad del banco de bateriacuteas para las propuestas de sistemas aislados
involucran unas diferencias considerables para ambas metodologiacuteas es tal el caso
de obtener errores superiores al 11 Cabe resaltar que la simulacioacuten del banco
de bateriacuteas mediante el aplicativo para las cuatro propuestas fueron calculados
teniendo en cuenta perdidas en el inversor y en las bateriacuteas (10 y 20
respectivamente) sin embargo al no tener en cuenta dichas peacuterdidas la capacidad
del banco calculada por el aplicativo para cada uno de los casos es la misma que
la calculada por el software PVSOLreg lo que podriacutea significar que el software
PVSOLreg no tiene en cuenta dichas peacuterdidas a la hora de dimensionar un banco
de bateriacuteas Acoger esta premisa significariacutea ir en contra a lo propuesto por este
trabajo que es siempre tener en cuenta las peacuterdidas de los dispositivos con el fin
de preservar la esperanza de vida de las bateriacuteas y cumplir con el tiempo de
autonomiacutea especificado por el usuario para la aplicacioacuten
Para el caso de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red la diferencia de
produccioacuten de energiacutea bajo un antildeo de estudio calculada por ambas metodologiacuteas
no es mayor al 10 siendo para todos los casos la energiacutea calculada por el
software menor a la calculada por el aplicativo Esto puede significar que el
software tiene en cuenta otras peacuterdidas que el aplicativo no sin embargo las
diferencias no son significativas
152
57 RECOMENDACIONES
Con este trabajo se pretende plantear una metodologiacutea de disentildeo de sistemas
fotovoltaicos mediante el entorno graacutefico de Matlab sin embargo se podriacutea motivar
para trabajos futuros el estudio para desarrollar esta misma metodologiacutea en otros
ambientes graacuteficos con el fin de que el aplicativo sea maacutes portable
Un trabajo complementario a este podriacutea estar basado en la medicioacuten del recurso
solar para un lugar en especiacutefico durante todo un antildeo Esto con el fin de verificar
que tan confiables son las herramientas disponibles para el caacutelculo de radiacioacuten
solar en un lugar en especiacutefico
Para trabajos futuros relacionados con el tema se propone un estudio detallado
sobre el consumo de un usuario en especiacutefico de tal forma que se analice la curva
de potencia en cada hora del diacutea durante un tiempo en especiacutefico esto junto con
un estudio de medicioacuten de irradiacioacuten solar diario podraacuten entregar los datos
suficientes para calcular la energiacutea que se aprovecharaacute de un sistema fotovoltaico
y la que se inyecta a la red esto con el fin de concluir si un arreglo fotovoltaico es
viable para un usuario en especiacutefico Podriacutea motivarse auacuten maacutes el estudio si se
tratara de una entidad que preste un servicio importante a la comunidad como por
ejemplo hospitales colegios universidades aeropuertos etc
Para un trabajo relacionado con el tema se propone estudiar el recurso en un lugar
en especiacutefico de manera detallada con el fin de hacer un estudio probabiliacutestico que
determine un buen valor de los paraacutemetros tiempo de recuperacioacuten del sistema y
diacuteas de autonomiacutea esto con el fin de plantear una metodologiacutea que permita
calcular sistemas fotovoltaicos maacutes confiables
153
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Nota de aceptacioacuten
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
Firma del presidente del jurado
________________________________
Firma del jurado
________________________________
Firma del jurado
Dedicatoria
A todas la personas que de una u otra forma me acompantildearon en este proceso
Juan Pablo Silva Sarasty
AGRADECIMIENTOS
A la empresa Colombian solar Systems SAS y a Julio Ceacutesar Montero por la
oportunidad de desempentildear esta praacutectica conducente en su empresa y por todo la
experiencia adquirida
Al ingeniero Alexander Molina Cabrera por hacer el acompantildeamiento como
profesor guiacutea y que a pesar de sus compromisos laborales en su doctorado
siempre estuvo dispuesto a compartir sus conocimientos
INTRODUCCIOacuteN
Los sistemas fotovoltaicos son una alternativa amigable con el medio ambiente
para producir electricidad a partir de la energiacutea proveniente del Sol Los sistemas
fotovoltaicos pueden ser interconectados a red el sistema produce parte de la
energiacutea que el usuario demande y se toma como respaldo la energiacutea proveniente
de la red y sistemas fotovoltaicos autoacutenomos en donde el arreglo fotovoltaico
(grupo de paneles solares) debe producir la energiacutea necesaria para el consumo
en el diacutea almacenar otra parte para el consumo en las noches y servir de
respaldo para casos en donde la radiacioacuten solar se vea afectada por fenoacutemenos
ambientales involucrando entonces dos fuentes de energiacutea que deberaacuten ser
modeladas en conjunto
En la actualidad existen diversas herramientas que son capaces de modelar un
sistema fotovoltaico arrojando datos de cargabilidad y eficiencia respecto a los
elementos que lo componen es el caso del software especializado PVSOLreg el
cual utiliza bases de datos de irradiacioacuten solar y posee la capacidad de realizar
simulacioacuten de sombras Sin embargo es necesario realizar un aplicativo capaz de
incorporar toda la teoriacutea y conceptos de que consta el disentildeo y caacutelculo de un
sistema fotovoltaico para Colombia con el fin de comparar ambas metodologiacuteas
de disentildeo y asiacute poder obtener un sistema mejor dimensionado
La Universidad Tecnoloacutegica de Pereira se ha caracterizado por el protagonismo de
sus estudiantes y de la Institucioacuten en la innovacioacuten de los diferentes campos de las
ciencias que le competen pero hasta el momento no se han presentado aportes a
el aacuterea de software especializados en sistemas fotovoltaicos es por esto que se
hace necesaria la creacioacuten de un aplicativo con la capacidad de disentildear sistemas
fotovoltaicos que no solo sirva como un referente regional para la implementacioacuten
de este tipo de sistemas de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica si no tambieacuten que
cumpla la tarea de realizar una comparacioacuten de metodologiacuteas entre el algoritmo
propuesto en el proyecto y el software PVSOLreg uno de los maacutes utilizados hasta el
momento por la industria por su novedoso meacutetodo para modelar sombras
En el primer capiacutetulo se abordan los principios del efecto fotoeleacutectrico y
fotovoltaico como conceptos principales de la conversioacuten de energiacutea proveniente
del espectro solar en energiacutea eleacutectrica que puede ser aprovechada para el uso
residencial y comercial En el capiacutetulo 2 se estudian los sistemas aislados su
funcionamiento disentildeo y dimensionamiento En el capiacutetulo 3 se tratan los
sistemas interconectados a red su clasificacioacuten componentes disentildeo y
moldeamiento En el capiacutetulo 4 se explica el funcionamiento del aplicativo
propuesto para este trabajo su entorno graacutefico y expresiones matemaacuteticas tanto
para sistemas interconectados a la red como para los autoacutenomos El capiacutetulo 5
expone las caracteriacutesticas de los pilotos con los cuales se pretende hacer las
comparaciones con las dos metodologiacuteas los resultados obtenidos y las
recomendaciones
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un aplicativo para el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos y
compararlo con el software PVSOLreg
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Alcanzar el estado del arte en el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos
a partir de software y aplicativos especializados
Plantear un aplicativo capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector
residencial y rural (cargas de baja inductancia) para el territorio
colombiano
Modelar el sistema fotovoltaico base en el software especializado
PVSOLreg
9
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIOacuteN
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
TABLA DE CONTENIDOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
CAPIacuteTULO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
11 ANTECEDENTEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
131 Conductores semiconductores y aislanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
132 Unioacuten p-nhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
133 La ceacutelula fotovoltaicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
134 Silicio monocristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
135 Silicio policristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
136 Silicio amorfohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
14 RECURSO SOLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34 141 Factores externos a la superficie de la Tierrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
142 Factores climaacuteticoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
143 Componentes de la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
15 DESARROLLOS EN COLOMBIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
161 Declinacioacuten Magneacuteticahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
162 Trayectoria solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
163 Acimuthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
164 Inclinacioacuten del arreglohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Objetos que crean sombrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
CAPIacuteTULO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
211 El panel fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
2111 Estructura de los paneles solareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21111 La cubierta frontalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
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21112 El material encapsulantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
21113 La cubierta posteriorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21114 El marco metaacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21116 Diodos de bypass helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21117 Diodos de bloqueohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
212 Bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
2121 Tipos de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abiertohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
21212 Bateriacuteas alcalinashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
2122 Especificaciones de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21221 Capacidad de la bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21222 Ritmo y profundidad de descargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
21223 Condiciones ambientaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
213 Regulador de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
2131 Reguladores PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
2132 Reguladores MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
214 Inversores autoacutenomoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 70
2141 Clasificacioacuten de inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21411 Inversores de onda cuadradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21412 Inversores de onda cuadrada modificadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21413 Inversores de onda sinusoidalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
2142 Caracteriacutesticas de los inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72 22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
221 Estimacioacuten del consumo y cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
222 Recurso solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphellip 78
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 81
CAPIacuteTULO 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 85
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 85
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA 90
11
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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322 Estudio del consumo anualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solarhelliphelliphelliphellip 91
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblicohelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
331 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
CAPIacuteTULO 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 96
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 97
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 100
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuestohelliphelliphelliphellip 100
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWMhelliphellip 107
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 109
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphellip 110
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 119
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPThelliphelliphelliphelliphelliphellip 120 42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador MPPT 121
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas con aplicativo propuestohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
CAPIacuteTULO 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASEhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
521 Piloto sistema aislado 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
522 Piloto sistema aislado 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
523 Piloto sistema aislado 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
524 Piloto sistema aislado 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
54 Sistemas fotovoltaicos interconectados a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
541 Piloto sistema interconectado a red 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
542 Piloto sistema interconectado a red 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 144
543 Piloto sistema interconectado a red 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 147
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 148
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 149
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
12
56 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
57 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 152
BIBLIOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 153
13
IacuteNDICE DE FIGURAS Figura 11 Primera celda solar 17
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico 19
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 23
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 23
Figura 15 Efecto fotovoltaico 29
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino 31
Figura 17 Panel solar silicio policristalino 32
Figura 18 Panel de silicio amorfo 33
Figura 19 Espectro solar 35
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten 37
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica 42
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira 43
Figura 21 Componentes de un panel solar 48
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica 50
Figura 23 Modelo eleacutectrico de un panel solar 51
Figura 24 Modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra 52
Figura 25 Funcionamiento de diodo de bypass 52
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo 53
Figura 27 Curva caracteriacutestica de una celda solar 54
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar 55
Figura 29 Efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar 55
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto 58
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA 59
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM 60
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea 63
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar 66
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT 70
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida 72
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor 73
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el aplicativo 99
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico 100
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo 101
Figura 44 Informacioacuten de consumo 101
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo 102
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico 103
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria 104
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas 105
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga 106
Figura 410 Regulador PWM 107
Figura 411 Verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM 110
Figura 412 Tensioacuten de la bateriacutea VS Estado de carga 111
14
Figura 413 Regulador MPPT 117
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT 120
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
122
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel 123
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab 124
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada 125
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica 127
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red 128
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red 129
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
132
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
134
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
137
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
139
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
143
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
144
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
145
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto (Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
147
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
148
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
149
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
150
15
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas fotovoltaicas comerciales
33
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar
36
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente
36
Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia 41
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
45
Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira 45
Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea 64
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1 132
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
133
Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1 134
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
135
Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2 136
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3 136
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
138
Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3 138
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4 138
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
140
Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4 140
Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
141
Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
142
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980 kWhantildeo
143
16
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996 kWhantildeo
145
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360 kWhantildeo
146
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red 148
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red 149
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red 150
17
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
Capiacutetulo 1 REFERENTE TEOacuteRICO 11 ANTECEDENTES El intereacutes en el estudio del aprovechamiento de la energiacutea solar tuvo su origen en
1839 cuando el fiacutesico franceacutes Alexandre Edmond Becquerel analizoacute a profundidad
el fenoacutemeno de la fosforecencia a traveacutes del estudio de cuerpos que tienen la
propiedad de emitir luz propia en la oscuridad despueacutes de haber sido expuestos a
la irradiacioacuten de un foco de luz [1] En 1873 el cientiacutefico britaacutenico Willoughby Smith
estudioacute el comportamiento del selenio bajo la exposicioacuten a la luz y concluyoacute que
este aumenta su capacidad de conducir electricidad a medida que la exposicioacuten a
la luz aumentaba [2] Diez antildeos maacutes tarde Charles Fritts inventor
estadounidense creoacute las primeras celdas solares las cuales usaban uniones
formadas por el recubrimiento de los semiconductores hechos de selenio con una
capa ultra delgada casi transparente de oro ver figura 1 Esta fue muy poco
eficiente transformando menos del 1 de la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica
Sin embargo este descubrimiento demostroacute la viabilidad del uso de la energiacutea
solar para generar electricidad [3]
Figura 11 Primera celda solar tomada de The Encyclopedia OF EARTH Fritts
Charles Edgar 22 de Agosto del 2008 Disponible en
httpwwweoearthorgviewarticle152869
En 1887 Heinrich Hertz descubrioacute por accidente lo que hoy se conoce como
efecto fotoeleacutectrico Hertz generoacute una chispa oscilante mediante una bobina de
induccioacuten entre dos pequentildeas esferas metaacutelicas las cuales el denominoacute el
transmisor induciendo una chispa similar entre dos esferas de metal diferentes
18
conectadas a un aro de alambre que eacutel denominoacute el receptor y que a su vez no
teniacutea conexioacuten eleacutectrica alguna con el transmisor Con este experimento Hertz
estudiaba la teoriacutea de ondas electromagneacuteticas propuesta por Maxwell en donde
una carga acelerada produciriacutea un campo eleacutectrico cambiante de manera no
uniforme que a su vez produciriacutea un campo magneacutetico cambiante y asiacute
sucesivamente Hertz dedujo que el componente de campo eleacutectrico cambiante
causa cargas inducidas en el receptor lo que produce la chispa con las mismas
caracteriacutesticas del transmisor Hertz observoacute que para reproducir fielmente la
chispa inducida la separacioacuten de las esferas del receptor debe ser menor a un
miliacutemetro lo que le dio mucha dificultad al anaacutelisis de este estudio Hertz intento
solucionar este problema encerrando el receptor en un sitio oscuro lo que
facilitaba la visualizacioacuten de la chispa sin embargo descubrioacute que su intensidad
era claramente maacutes deacutebil en estas condiciones al cabo de un tiempo descubrioacute
que podiacutea aumentar la intensidad la de chispa mediante la iluminacioacuten con luz
visible o ultravioleta Estudios realizados en 1897 por JJ Thomson demostraron
que este aumento de la sensibilidad fue el resultado de la luz que empuja a los
electrones [4-7]
Fue entonces en 1905 cuando Albert Einstein con su artiacuteculo sobre el efecto
fotoeleacutectrico llamado On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and
Transformation of Light (ldquoHeuriacutestica de la generacioacuten y conversioacuten de la luzrdquo)
introdujo un cambio fundamental a la teoriacutea existente del efecto fotoeleacutectrico que
en aquel entonces era acogida por la teoriacutea de Maxwell en donde la luz es
modelada como una onda continuacutea y por ende su energiacutea va relacionada
netamente a esta
Einstein proponiacutea que la luz estaacute formada por ldquopaquetes de partiacuteculasrdquo llamados
fotones y que la energiacutea de cada fotoacuten de luz es igual a la frecuencia multiplicada
por una constante De este modo un fotoacuten por encima de un umbral de frecuencia
tiene la energiacutea requerida para expulsar un solo electroacuten justificando asiacute el
fenoacutemeno observado por Hertz al exponer el receptor a luz ultravioleta Asiacute la
energiacutea de electrones expulsados individuales aumenta linealmente con la
frecuencia de la luz
De esta manera los dos factores que afectan a la energiacutea cineacutetica maacutexima de los
fotoelectrones (o electrones liberados) son la frecuencia de la radiacioacuten incidente
y el material de la superficie La energiacutea de los electrones aumenta con la
frecuencia de la luz incidente de una manera lineal con pendiente igual a la
constante de Planck Cada curva tiene un intercepto en el eje de la frecuencia
diferente lo que demuestra que la frecuencia de umbral estaacute en funcioacuten del
material La mayoriacutea de los elementos tienen frecuencias de umbral ultravioleta
pero existen algunos como el potasio que tienen un umbral suficientemente bajo
19
como para ubicarlo entre el amarillo y el verde Los materiales con los valores maacutes
bajos son los que se encuentran bajo el nombre de semiconductores algunos
incluso llegan debajo del infrarrojo cercano [8]
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico imagen tomada de The Physics Hyper Text Book Photoelectric Effect Disponible en httpphysicsinfophotoelectric
El efecto fotoeleacutectrico actualmente se conoce como el hecho de que un material
pueda desprender electrones por un conductor gracias a la energiacutea recibida por
un haz de luz El haz de luz emite fotones que son partiacuteculas portadoras de todas
las formas de radiacioacuten La energiacutea transmitida por el fotoacuten es absorbida por el
electroacuten haciendo que este tenga la energiacutea suficiente para escapar del aacutetomo El
efecto fotoeleacutectrico ha permitido desarrollar ademaacutes del laacuteser sateacutelites de
comunicacioacuten y la energiacutea eleacutectrica a partir de radiacioacuten solar entre otros
Los aportes realizados por Einstein acerca del fenoacutemeno fotoeleacutectrico le hicieron
merecedor del Premio Nobel de Fiacutesica en 1922 [9]
Por otra parte en 1918 el cientiacutefico polaco Ene Czochralski produjo un meacutetodo
para hacer crecer monocristales de metal Lo que inspiroacute los estudios
fotoeleacutectricos con selenio a lo largo de los antildeos 30 a pesar de su baja eficiencia y
sus altos costos Maacutes adelante en 1948 Gordon Teal y John Little adaptaron el
meacutetodo de Czochralski para el crecimiento de los cristales para producir
germanio monocristalino y despueacutes producir silicio
20
En 1950 los laboratorios Bell comenzaron la buacutesqueda de una viacutea confiable para
energizar los sistemas de comunicacioacuten remotos Los cientiacuteficos de Bell
descubrieron que el silicio el segundo elemento maacutes abundante de la Tierra era
sensible a la luz y cuando se le trataba con ciertas impurezas generaba una
tensioacuten eleacutectrica considerable Este fenoacutemeno es causado por la recoleccioacuten de
cargas generadas en el efecto fotoeleacutectrico para generar energiacutea eleacutectrica este
comportamiento se conoce como efecto fotovoltaico y es la base de
funcionamiento de las celdas solares En 1954 Bell desarrollo una celda basada
en silicio que alcanzaba el 6 de eficiencia
Poco despueacutes en 1958 T Mandelkorn creoacute ceacutelulas fotovoltaicas de silicio n-on-P
(laacutemina de silicio dopada tipo n en la parte frontal y tipo p en la parte posterior)
con eficiencias del 9 que son maacutes resistentes al dantildeo por radiacioacuten y son maacutes
adecuadas para actividades espaciales que fueron utilizadas para el Vanguard l
conocido como el primer sateacutelite artificial alimentado con energiacutea solar [10]
En 1963 Sharp logroacute ser la primera compantildeiacutea en producir masivamente celdas
solares marcoacute un paso significativo para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a
partir de energiacutea solar dando su aporte en tiempos de preocupacioacuten internacional
respecto a la conservacioacuten del medioambiente Sin embargo el medio ambiente no
fue el uacutenico campo en el que se expandieron estos estudios la NASA en 1966
lanzo a la oacuterbita un observatorio astronoacutemico con una configuracioacuten fotovoltaica de
1kw y en 1972 la Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japoacuten (NASDA)
autorizoacute a Sharp para equipar con celdas solares el proyecto que pondriacutea en oacuterbita
al sateacutelite ldquoUmerdquo El reto para ese entonces fue soportar los severos cambios de
temperatura y radiacioacuten coacutesmica presentes en el espacio sin embargo el
comportamiento de los sistemas puestos a bordo fueron adecuados lo que
impulsariacutea en el futuro la utilizacioacuten de este tipo de generacioacuten de energiacutea para
usos espaciales debido a su faacutecil autonomiacutea y confiabilidad en este entorno [11
12]
En 1974 Japoacuten lanzoacute un importante proyecto con fines investigativos ldquoSunshine
Projectrdquo el cual fue promovido por el Ministerio de Comercio e Industria de Japoacuten
que teniacutea por objeto el desarrollo de las siguientes fuentes de energiacutea
1 Energiacutea solar
2 Energiacutea geoteacutermica
3 Gasificacioacuten del carboacuten y licuefaccioacuten
4 Energiacutea del hidroacutegeno
21
Este proyecto se promovioacute a escala nacional con la plena cooperacioacuten de las
organizaciones nacionales de institutos de investigacioacuten universidades y
empresas privadas asiacute como mediante la cooperacioacuten internacional El Sunshine
Project teniacutea como fin investigar aspectos importantes de las formas de
generacioacuten mencionadas anteriormente [13]
De manera similar en 1977 se fundoacute el Laboratorio Nacional de Energiacutea
Renovable (NREL por sus siglas en ingleacutes) en Estados Unidos fue denominado
primer laboratorio de energiacutea renovable y la eficiencia energeacutetica de investigacioacuten
y desarrollordquo y se financia a traveacutes del Departamento de Energiacutea de EEUU (DOE
por sus siglas en ingleacutes) El NREL se caracterizoacute por sus estudios en energiacutea
fotovoltaica desarrollando e impulsando este tipo de generacioacuten en Estados
Unidos Las instalaciones del campus del NREL dedicadas a la investigacioacuten
fotovoltaica poseen sistemas fotovoltaicos capaces de satisfacer las necesidades
de los ingenieros investigadores en esta aacuterea Este notable intereacutes en las
universidades y centros de investigacioacuten alrededor de todo el mundo llevoacute a
grandes logros en 1980 respecto a eficiencia de las ceacutelulas el maacutes importante fue
el presentado por la Universidad de Delaware en Estados Unidos que desarrolloacute
la primera ceacutelula solar de peliacutecula delgada que obtiene una eficiencia del 10
utilizando sulfuro de cobre (Cu2S) y sulfuro de cadmio (CdS) Lo que conllevariacutea a
grandes avances en cuestioacuten de produccioacuten de energiacutea fotovoltaica
A lo largo de la deacutecada de los ochentas y gracias a los avances de los 70 parecioacute
aceptarse que el liacutemite praacutectico para la eficiencia de las ceacutelulas de Silicio se
situaba alrededor de un 20 sin embargo los liacutemites teoacutericos suponiacutean un 337
[14] A mediados de los 80 se introducen algunas innovaciones que conducen a un
raacutepido incremento del rendimiento de estos dispositivos Estas mejoras fueron
basadas en reducir las recombinaciones en la estructura de la ceacutelula y en
particular en sus superficies y en sus contactos metaacutelicos Varios hechos
destacables ocurrieron en esta deacutecada tales como el ocurrido en la universidad de
Gales del Sur en donde se fabricoacute una ceacutelula fotovoltaica de silicio que llegoacute al
20 de eficiencia tambieacuten gracias a los avances en nuevos conceptos como
pasivacioacuten de la superficie (formacioacuten de una peliacutecula muy delgada sobre la
superficie de un material que lo enmascara en contra de la accioacuten de agentes
externos) en la universidad de Stanford en 1988 se disentildeoacute una ceacutelula de 851198881198982
que alcanzoacute una eficiencia del 223 en condiciones normales de operacioacuten [15]
En septiembre de 2013 se anuncioacute la obtencioacuten de un nuevo record de eficiencia
de conversioacuten fotovoltaica del 447 Este tipo de ceacutelulas estaacute catalogada como
ldquoceldas taacutendemrdquo o de ldquomultiunionesrdquo que consta de la unioacuten de varias subceldas
fabricadas una encima de la otra de forma tal que se compactan para formar una
sola pieza (monoliacutetico) El record se establecioacute usando sistemas oacutepticos que
22
logran concentrar la radiacioacuten en la superficie de una celda y los materiales
usados son combinaciones de los elementos quiacutemicos del grupo III y V de la tabla
perioacutedica que son Arseacutenico Indio Foacutesforo y Galio entre otros El costo de este tipo
de ceacutelula es elevado (lo que no hace posible su uso de manera comercial) y solo
se justifica su inversioacuten en condiciones en donde la incidencia solar sea en lo
posible ininterrumpida es decir en lugares que no posean muchas nubes como
en los desiertos e implementar un sistema de seguimiento solar de dos ejes lo que
incrementariacutea potencialmente el costo debido al factor mantenimiento que asocia
una estructura en movimiento [16]
Sin embargo se siguen haciendo aportes en la categoriacutea de ceacutelulas comerciales
es el caso de Panasonic al anunciar en febrero de 2013 su reacutecord mundial de
eficiencia de conversioacuten fotovoltaica usando ceacutelulas de silicio cristalino lo que las
hace maacutes econoacutemicas para el mercado a comparacioacuten de las ceacutelulas ldquotaacutendemrdquo
con un 247 de eficiencia superando al impuesto por Sun Power con un 242
en 2012 Este logro fue implementado bajo la utilizacioacuten de silicio monocristalino
lo que la hace mucho maacutes econoacutemica Panasonic uso una tecnologiacutea de
fabricacioacuten de ceacutelulas fotovoltaicas llamadas HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin layer) que se componen de pequentildeas placas hiacutebridas monocristalinas de
silicio que se recubren de una capa delgada de silicio amorfo Este meacutetodo pudo
crear una ceacutelula de tan solo 98 micras de espesor lo que conlleva a usar menos
material por ceacutelula [17]
Simultaacuteneamente a los avances respecto a la eficiencia de las ceacutelulas
fotovoltaicas se realizaron importantes aportes respecto a la capacidad
fotovoltaica instalada desde principios de los antildeos 90 en la figura 13 se observa
el comportamiento de este aspecto en los uacuteltimos antildeos Se asegura que el parque
fotovoltaico aumenta en un 35 por antildeo desde 1998 y la Asociacioacuten Europea de
Energiacutea Fotovoltaica preveacute que el parque instalado podriacutea alcanzar unos 1 800
GW para el 2030 para una produccioacuten que representa el 14 del consumo
mundial de electricidad y capaz de dar suministro a 45 mil millones de personas
[18 19]
23
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Seguacuten el Renewables Global Status Report 2011 Europa concentra maacutes del 75
de capacidad fotovoltaica instalada en el mundo siendo Alemania el paiacutes con
mayor aumento en el 2010 y con mayor capacidad fotovoltaica instalada
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 Tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Aunque la capacidad promedio de los sistemas fotovoltaicos ha aumentado existe
un intereacutes creciente en los sistemas de pequentildea escala particularmente en los
paiacuteses en desarrollo Estos sistemas representan el 5 del mercado global y
desde los antildeos 80 este mercado ha sido creciente en Aacutefrica Asia y Ameacuterica Latina
24
en la medida en que los precios de la generacioacuten con combustibles en las zonas
aisladas son comparables con los de esta nueva tecnologiacutea [20]
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICA
El desarrollo tecnoloacutegico va iacutentimamente ligado con la capacidad de recursos
energeacuteticos que se puedan aprovechar por el ser humano A su vez el crecimiento
tecnoloacutegico es el que determina la utilizacioacuten de ciertos tipos de energiacutea y por
tanto la disponibilidad de este recurso Estos recursos energeacuteticos son usados por
el hombre con el objeto de satisfacer algunas de sus necesidades en el mayor de
los casos en forma de calor y trabajo que son posibles gracias al manejo de
electricidad
Hacia finales del siglo XIX se inventaron las primeras centrales teacutermicas que
requieren para su funcionamiento combustibles como la gasolina el diesel el gas
natural el carboacuten etc Antildeo tras antildeo se fueron sofisticando este tipo de maacutequinas
siendo maacutes econoacutemicas seguras confiables eficientes y abundantes logrando de
esta forma satisfacer demandas eleacutectricas en lugares donde los recursos hiacutedricos
no son eficaces Este tipo de maacutequinas operan bajo el principio de conversioacuten de
energiacutea quiacutemica almacenada en los combustibles en energiacutea eleacutectrica capaz de
ser transmitida y aprovechada por el ser humano Sin embargo la transformacioacuten
de dicha energiacutea genera residuos toacutexicos para el medio ambiente En un principio
la explotacioacuten de estos recursos que son derivados del petroacuteleo se consideraron
ilimitados y su impacto ambiental se consideraba despreciable sin embargo
estudios posteriores evidenciaron alteraciones atmosfeacutericas a nivel mundial como
el aumento en la concentracioacuten de dioacutexido de carbono en la atmoacutesfera
responsable del efecto invernadero lo que generoacute un aumento de temperatura
promedio a nivel mundial logrando asiacute el derretimiento del polo norte y por ende
el crecimiento del nivel de los mar
Es por esto que se hace necesario la buacutesqueda e implementacioacuten de nuevas
formas de generacioacuten de energiacutea amigables con el medio ambiente como la
energiacutea eoacutelica fotovoltaica entre otras La energiacutea fotovoltaica aprovecha la
energiacutea proveniente del Sol captando esta mediante celdas fotoeleacutectricas
capaces de convertir la luz en un potencial eleacutectrico sin que tenga lugar a un
efecto teacutermico es uno de los meacutetodos maacutes limpios y simples de produccioacuten
energeacutetica sin desechos peligrosos para el medio ambiente conocidos por el
hombre Parte de una fuente inagotable la energiacutea que emitida por el Sol y
absorbida por la atmoacutesfera terrestre Los cientiacuteficos consideran que si esta energiacutea
fuese aprovechada en su totalidad solo bastariacutea media hora para abastecer la
demanda energeacutetica mundial durante todo un antildeo Sin embargo esto es a nivel
teoacuterico pues a nivel praacutectico es imposible [15 21]
25
Aun asiacute cada vez es maacutes y mejor aprovechada la energiacutea fotovoltaica abarcando
cada vez maacutes campos de aplicacioacuten que variacutean desde sateacutelites suministro de
electricidad para poblaciones lejanas e incluso vehiacuteculos alimentados por energiacutea
solar
La principal desventaja de esta forma de generacioacuten es su elevado costo aunque
la materia prima con la que se componen los paneles solares sea el silicio que es
el segundo elemento maacutes abundante en la Tierra algunos son fraacutegiles y sensibles
compuestos por semiconductores cristales etc que requieren mantenimiento
constante y a menudo deben ser reemplazados
Los encargados de hacer la conversioacuten de energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica se
llaman moacutedulos fotovoltaicos o paneles solares un solo panel generalmente no
es capaz de suministrar suficiente energiacutea para una carga debido a que en el
mejor de los casos no llegaraacuten ni siquiera a un 40 de eficiencia No obstante
este problema se soluciona agrupando un mayor nuacutemero de paneles que
funcionen conjuntamente para producir mayor energiacutea En este orden de ideas se
busca mayor eficiencia de paneles a menor costo con el fin de usar menos
espacio y que la produccioacuten energeacutetica sea econoacutemicamente sostenible
Los problemas teacutecnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energiacutea
solar son los siguientes
1 Gran dispersioacuten de la energiacutea solar sobre la superficie de la Tierra
2 Caraacutecter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiacioacuten
solar
Se calcula que a grandes rasgos la radiacioacuten que recibe una superficie horizontal
es del orden de 11198961199081198982 al medio diacutea variando ciertas condiciones como latitud
del lugar nubosidad sombras y humedad Esto da como resultado un gran
problema de intermitencia que en muchos casos no obedece al comportamiento
tiacutepico de la demanda es decir que en ocasiones se recibe maacutes energiacutea de la que
se necesita y en otros casos se consume maacutes energiacutea de la que el sistema
fotovoltaico puede suministrar Lo anterior evidencia la importancia de un sistema
de almacenamiento capaz de retener energiacutea cuando esta no sea consumida y
entregue energiacutea a las cargas cuando la radiacioacuten solar no sea suficiente En
algunos casos en donde la demanda sea de suma importancia se puede contar
con un sistema de respaldo o fuentes suplementarias de energiacutea lo que hariacutea que
el sistema sea maacutes confiable
Seguacuten el anterior orden de ideas para el aprovechamiento de la energiacutea solar es
necesario realizar los siguientes procesos
26
1 Captacioacuten y concentracioacuten de la energiacutea solar
2 Transformacioacuten para su utilidad
3 Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo
de autonomiacutea establecido
4 Disposicioacuten de una fuente de energiacutea suplementaria disponible si se supera
el tiempo de autonomiacutea
5 Control de la energiacutea almacenada para que pueda ser utilizada en conjunto
con el sistema de captacioacuten de energiacutea
De esta forma se evidencia que es de vital importancia para el sistema el
correcto dimensionamiento de los diacuteas de autonomiacutea para cada caso en particular
teniendo en cuenta que cuanto mayor y mejor sea el dimensionado del sistema de
almacenamiento menor seraacute la dependencia de fuentes energeacuteticas externas de
apoyo
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICA
131 Conductores semiconductores y aislantes
El modelo moderno del aacutetomo describe las posiciones de los electrones en un
aacutetomo en teacuterminos de probabilidades Un electroacuten se puede encontrar
potencialmente a cualquier distancia del nuacutecleo pero dependiendo de su nivel de
energiacutea tiende a estar con maacutes frecuencia en ciertas regiones alrededor del nuacutecleo
que en otras estas zonas son conocidas como orbitales atoacutemicos [22]
A los electrones de la zona maacutes alejada se les denomina electrones de valencia y
poseen la caracteriacutestica de interactuar con otros electrones de valencia formando
una red cristalina El comportamiento de esta interaccioacuten clasifica materiales en
conductores semiconductores y aislantes La diferencia entre estos tres se basa
en la resistencia que opone el paso de corriente sobre un material La corriente
eleacutectrica se define como la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo
Cuando en los extremos de un material se aplica un voltaje se crea un campo
eleacutectrico dentro del mismo y los electrones pertenecientes a la oacuterbita exterior de un
aacutetomo de este material estaraacuten sometidos a una fuerza dada por
119865 = 119902 lowast 119864 120783 120783
Donde
119902 = 119907119886119897119900119903 119889119890 119897119886 119888119886119903119892119886 119890119899 119888119906119897119900119898119887119894119900119904
119864 = 119881119886119897119900119903 119889119890119897 119888119886119898119901119900 119890119897eacute119888119905119903119894119888119900 119890119899 119881119898
27
En materiales conductores es maacutes faacutecil generar movimiento de electrones en la
banda de valencia bajo la accioacuten de una fuerza generada por el producto entre la
carga y el campo eleacutectrico por esta razoacuten el nivel de conductividad en estos
materiales es grande a comparacioacuten de los materiales aislantes como el vidrio el
diamante y la porcelana que aun con elevados valores de campo eleacutectrico la
fuerza que ejerce este sobre los electrones no es la suficiente para generar
movimiento y por ende conducir electricidad [21]
El silicio cuenta con 14 electrones y a su vez el germanio con 32 electrones de los
cuales 4 son de valencia que se unen con otros 4 electrones de valencia de otros
aacutetomos De esta manera dentro de un cristal de silicio no existiraacuten electrones
libres lo que en esta configuracioacuten (estructura cristalina) se consideran elementos
aislantes
A una configuracioacuten cristalina de silicio o de germanio se le incorporan aacutetomos de
otras sustancias (impurezas) la conductividad de este material va a variar
draacutesticamente convirtieacutendolos en semiconductores de esta forma si algunos
aacutetomos de silicio en la configuracioacuten de cristal se sustituyen por aacutetomos de foacutesforo
el cual tiene 5 electrones en la banda de valencia 4 de estos se uniraacuten
covalentemente a los otros 4 electrones de silicio quedando libre el quinto
electroacuten que se podraacute separar maacutes faacutecilmente del aacutetomo mediante una
estimulacioacuten aportada por una fuente externa de energiacutea A esta nueva
configuracioacuten se la conoce como semiconductor ldquotipo nrdquo en donde predomina el
flujo de electrones De esta misma forma si algunos aacutetomos de silicio en la
configuracioacuten de cristal se sustituyeran por aacutetomos de boro que tienen 3
electrones de valencia se llegariacutea a una situacioacuten en donde seriacutea necesario un
electroacuten adicional para completar los enlaces quiacutemicos con los aacutetomos adyacentes
de silicio Este electroacuten que falta se denomina ldquohuecordquo y a esta configuracioacuten se la
conoce como semiconductor ldquotipo prdquo
El proceso de introduccioacuten de aacutetomos que ceden o toman electrones se ha
convertido en un proceso robotizado en donde los aacutetomos de las substancias
dopantes se introducen usando cantildeones electroacutenicos que bombardean los
cristales (proceso de implantacioacuten) Industrialmente se usa el cristal de silicio
porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio[15
21]
132 Unioacuten p-n
Al juntar una barra de material ldquotipo prdquo con una barra de material ldquotipo nrdquo se
produce una nueva unioacuten conocida como unioacuten p-n
28
Los electrones que se encuentren en estado libre dentro de la zona del material
ldquotipo nrdquo detectaraacuten una regioacuten en donde no existen electrones libres generando un
flujo de estos electrones portadores hacia la otra zona como intento de equilibrio
Del mismo modo los huecos existentes en la ldquozona prdquo detectaraacuten una regioacuten en la
que no existen huecos y se produciraacute por tanto un flujo de cargas positivas en
sentido contrario al flujo de electrones Debido al avance de este proceso de flujo
de electrones y huecos se produce un exceso de cargas con potencial negativo
en la ldquozona prdquo y un exceso de cargas con potencial positivo en la ldquozona nrdquo
Por tanto en el aacuterea de unioacuten de los dos materiales se origina un campo eleacutectrico
que aumenta a medida que los huecos y electrones se siguen difundiendo hacia
lados opuestos Este proceso no terminaraacute hasta que el potencial eleacutectrico de este
campo alcance un valor que impida el posterior flujo de electrones y huecos Una
vez se llega a este punto de equilibrio se habraacute creado en la estructura p-n un
campo eleacutectrico sin la ayuda de campos eleacutectricos externos
Asiacute entonces si la energiacutea que suministra el Sol en forma de fotones al
interactuar con una superficie de silicio tipo p posee la frecuencia miacutenima
necesaria para generar la energiacutea para romper un enlace de la estructura del
silicio (band-gap) seraacute absorbido y con ello se crearaacute una nueva pareja de
electroacuten-hueco el efecto de esta nueva pareja seraacute que el electroacuten liberado se
trasladaraacute hacia la zona n como una accioacuten de recuperar el equilibrio De esta
misma forma si el fotoacuten incide sobre la zona n se generaraacute una nueva pareja
electroacuten-hueco pero en este caso el hueco se traslada a la zona p El resultado
de este flujo es la acumulacioacuten de cargas positivas en la zona p y de cargas
negativas en la zona n dando origen a un campo eleacutectrico opuesto al creado por
el mecanismo de difusioacuten
Al aumentar el nuacutemero de fotones que incide sobre la unioacuten aumenta el campo
que anula el inicial hasta llegar a un valor umbral en el que ya no hayan campos
internos que separen cada pareja de electroacuten-hueco Esta es la condicioacuten que
determina la tensioacuten a circuito abierto de la ceacutelula fotovoltaica Este potencial
eleacutectrico evidencia las causas del efecto fotovoltaico
29
Figura 15 Efecto fotovoltaico tomada de SUSTAINABLE ENERGY SYSTEMS The
Photovoltaic Effect 3 de Enero del 2012 Disponible en httpsustainableenergysystemzcomthe-
photovoltaic-effect172
Al establecer un circuito eleacutectrico externo entre las dos superficies los electrones
acumulados fluiraacuten a traveacutes de eacutel regresando a su posicioacuten inicial Este flujo de
electrones forma lo que se conoce como una corriente fotogenerada o fotovoltaica
133 La ceacutelula fotovoltaica
Las ceacutelulas o celdas solares se fabrican a partir de planchas de silicio el cual es
un elemento muy abundante en el planeta Tierra debido a que es uno de los
componentes que forman la arena (dioacutexido de silicio SiO2) En su forma maacutes
pura el silicio semiconductor se emplea en la industria de la microelectroacutenica
como base para los microchips
Fiacutesicamente una ceacutelula fotovoltaica es un diodo con una superficie muy amplia
generalmente tiene un grosor que variacutea entre los 025 y 035 mm y una forma
generalmente cuadrada con una superficie aproximada de 100cm2 El proceso de
fabricacioacuten variacutea seguacuten las cualidades que se quieran obtener (rendimiento
flexibilidad economiacutea) A maacutes pureza maacutes altos costos para una calidad que no
va a suponer un incremento sustancial de rendimiento
Las ceacutelulas fotovoltaicas de silicio pueden construirse de cristales monocristalinos
policristalinos o de silicio amorfo La diferencia entre ellas radica en la forma como
estaacuten dispuestos los aacutetomos de silicio en la estructura cristalina Esta hace que
tengan eficiencias diferentes La eficiencia de una ceacutelula fotovoltaica es el
porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad Las celdas solares de
silicio monocristalino y policristalino tienen casi la misma eficiencia que supera a
la del amorfo sin embargo este uacuteltimo es el maacutes econoacutemico de ambos [21]
134 Silicio monocristalino
30
Las celdas de Silicio monocristalino representan el estaacutendar de la tecnologiacutea
fotovoltaica comercial Para fabricarlas el silicio es purificado mediante la
introduccioacuten de una varilla de ldquocristal germenrdquo de silicio fundido a unos 1400degC y
cristalizado ya sea en lingotes o en laacuteminas delgadas posteriormente el silicio es
rebanado en obleas delgadas para definir las celdas individuales posteriormente
las obleas se pulen por ambas caras Durante el proceso de corte y pulido se
desperdicia casi la mitad del material Una vez pulidas las celdas se introduce por
difusioacuten a alta temperatura un material dopante tiacutepicamente boro si se desea que
el semiconductor sea tipo p y foacutesforo si se desea que el semiconductor sea tipo
n Esta forma de obtencioacuten del silicio para usos fotovoltaicos se conoce como el
meacutetodo Czochralski
En el anterior meacutetodo la mayoriacutea de veces se hace el dopado con boro con el fin
de caracterizar el semiconductor tipo p Para la unioacuten n-p se difunden aacutetomos de
foacutesforo que se depositan sobre una cara y alcanzan cierta profundidad en
superficie Asiacute se consigue que una de las zonas tenga deficiencia de aacutetomos
(tipo p) y la otra cara exceso de aacutetomos (tipo n) Debido a esta diferencia de carga
eleacutectrica en el material se produce un campo eleacutectrico encargado de empujar a
los electrones a salir de la ceacutelula por la superficie de la capa n lo que conlleva al
establecimiento de una corriente eleacutectrica con la interaccioacuten de la energiacutea
proveniente del Sol en forma de fotones
La ceacutelula que se obtiene ha de estar dotada de unos contactos eleacutectricos para
poder canalizar la energiacutea que produce cuando recibe insolacioacuten Estos contactos
sobre la cara asoleada se reparten en forma ramificada y se unen a dos contactos
principales Es comuacuten para la fabricacioacuten de contactos usar procedimientos
serigraacuteficos dado su bajo costo y la facilidad de automatizacioacuten En la cara
posterior que no recibe el sol el material suele extender a toda la superficie o
formar una malla metaacutelica muy tupida esta se recubre con un tratamiento
antirreflexivo de bioacutexido de titanio o zirconio
La mayoriacutea de las ceacutelulas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente
05v independientemente del aacuterea superficial de la celda sin embargo mientras
mayor sea la superficie mayor seraacute la capacidad en corriente que pueda
suministrar
31
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino
El proceso de construccioacuten de paacuteneles monocristalinos es muy costoso y requiere
mucha energiacutea aunque se obtiene un cristal maacutes eficaz con rendimientos en
laboratorio del 15 al 18 Se distinguen por su color azul homogeacuteneo o negro Los
moacutedulos fabricados con tal material tienen tal calidad que algunos fabricantes los
garantizan por 25 antildeos
135 Silicio policristalino
Las ceacutelulas de silicio policristalino se obtienen de planchas de silicio policristalino
que son maacutes econoacutemicas que las planchas de silicio monocristalino Se obtienen
por un proceso de moldeo a partir de pasta de silicio formado por muacuteltiples
cristales de silicio la cual es fundida y vertida en un molde donde se deja asentar
lentamente con lo cual se obtiene un soacutelido formado por muchos pequentildeos
cristales Una vez listo este material se corta en planchas de menor espesor que
las monocristalinas (solo algunas micras) Estas ceacutelulas son maacutes econoacutemicas que
las ceacutelulas monocristalinas sin embargo no son igual de eficientes debido a sus
imperfecciones en su estructura cristalina Aunque su eficiencia ronda entre el
12 y el 14 su costo ha hecho que sean muy usadas de manera comercial
Su composicioacuten a partir de pequentildeos cristales hace que su color no sea uniforme
como las ceacutelulas monocristalinas esta caracteriacutestica hace que su color tenga
diferentes tonalidades de azul
32
Tanto este proceso como el anterior casi la mitad del silicio se pierde como polvo
durante el cortado La garantiacutea de este producto suele ser de 20 antildeos
dependiendo del fabricante
Figura 17 Panel solar silicio policristalino
136 Silicio amorfo
El silicio amorfo es silicio en una forma cristalina con defectos en sus enlaces
atoacutemicos Sin embargo si el silicio amorfo se deposita de tal manera que contenga
una pequentildea cantidad de hidroacutegeno estos aacutetomos de hidroacutegeno saturan muchos
de los huecos de la red cristalina permitiendo asiacute a los electrones moverse a
traveacutes del silicio tipificaacutendose gracias a la accioacuten del dopaje como un material
tipo p o tipo n En cualquier caso en las regiones p o n obtenidas la vida media de
los portadores de carga es reducida
Se obtiene de un proceso de produccioacuten relativamente simple econoacutemico con
poco gasto de energiacutea lo que hace posible la produccioacuten de ceacutelulas a gran escala
Las ceacutelulas de silicio amorfo se obtienen depositando capas delgadas de silicio
sobre un substrato de bajo costo que puede ser vidrio plaacutestico o similar y son de
color marroacuten homogeacuteneo Tienen dos principales desventajas baja eficiencia
respecto a ceacutelulas monocristalinas y policristalinas (cerca del 10 lo que conlleva
a utilizar mucha maacutes aacuterea) y las ceacutelulas se ven envueltas en un proceso de
degradacioacuten en los primeros meses de funcionamiento reduciendo la eficiencia a
lo largo de su vida uacutetil
Las ceacutelulas amorfas son utilizadas en aplicaciones en donde se demande poca
electricidad por ejemplo Relojes calculadoras luces de prados etc [15 21 23]
33
Figura 18 Panel de silicio amorfo tomada de ENGANGET Xunlight Logra Crear Paneles
Solares Flexibles de Gran Tamantildeo 6 de Junio del 2009 Disponible en
httpesengadgetcom20090605xunlight-logra-crear-paneles-solares-flexibles-de-gran-tamano
CEacuteLULAS RENDIMIENTO LABORAL
RENDIMIENTO DIRECTO
CARACTERIacuteSTICAS FABRICACIOacuteN
Monocristalino
24
15-18
Es tiacutepico los azules homogeacuteneos y la conexioacuten de las ceacutelulas individuales entre si (Czochralsky)
Se obtiene de silicio puro fundido y dopado con fosforo
Policristalino
19-20
12-14
La superficie estaacute estructurada en cristales y contiene distintos tonos azules
Igual que el monocristalino solo que se disminuye el nuacutemero de fases de cristalizacioacuten
Amorfo
16
lt10
Tiene un color homogeacuteneo (marroacuten) no tiene conexioacuten visible entre ceacutelulas
Tiene la ventaja de depositarse en forma de laacutemina delgada y sobre un sustrato como vidrio o plaacutestico
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas
fotovoltaicas comerciales
34
14 RECURSO SOLAR
Seguacuten la explicacioacuten del efecto fotoeleacutectrico propuesta por Albert Einstein la
energiacutea de la luz va ligada netamente a la frecuencia de los fotones que esta
contenga de esta forma se comporta la energiacutea contenida en los rayos del Sol en
donde se puede modelar la siguiente ecuacioacuten llamada ldquoecuacioacuten de Plankrdquo
119864 = ℎ lowast 119881 120783 120784
En donde
119864 Energiacutea de los fotones
ℎ Constante de Planck que equivale a 662510minus34Js
119881 Frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de la luz
De esta manera la energiacutea proveniente del Sol a la Tierra seraacute el resultado del
producto entre la constante de Planck y la suma de las frecuencias que tiene cada
fotoacuten del espectro solar Sin embargo no toda esa energiacutea es aprovechada en la
superficie terrestre debido a que existen fotones con poca frecuencia y por ende
poca energiacutea incapaz de atravesar la atmoacutesfera
La energiacutea que se obtiene en la atmoacutesfera terrestre es una mezcla de radiaciones
de longitudes de onda formada por radiacioacuten ultravioleta luz visible y radiacioacuten
infrarroja Una de las funciones de la capa de ozono es filtrar parte de esta
energiacutea y de esta manera formar el espectro solar terrestre En la siguiente
imagen se puede mostrar la situacioacuten descrita [24]
35
Figura 19 Espectro solar tomada de ADMATNET Espectro Solar Disponible en
httpadmatnetcomwp-contentuploads201310espectro-solar-vs-SC1jpg
En donde la longitud de onda (120574) y la frecuencia (119891) de la ondas
electromagneacuteticas se relacionan mediante la expresioacuten
120574 =119888
119891 120783 120785
En donde
119888 Velocidad de la luz a la cual se desplazan todas las ondas electromagneacuteticas
Asiacute entonces se sabe que seguacuten la Ley de Planck que permite calcular la
radiacioacuten emitida por un cuerpo negro el Sol emite unos 38 lowast 1023kw solo una
pequentildea cantidad es absorbida por la atmoacutesfera y es conocida como la radiacioacuten
terrestre que variacutea de acuerdo a ciertas condiciones geograacuteficas a lo largo del
antildeo
Un paraacutemetro fundamental para comprender el comportamiento de la radiacioacuten
terrestre es la ldquoconstante solarrdquo que es la cantidad de energiacutea que incide
perpendicularmente en 1 1198982 de aacuterea ubicada en la parte exterior de la atmoacutesfera
Su valor es 1338 119908 1198982frasl y variacutea un plusmn3 en el antildeo debido a que la Tierra tiene una
trayectoria eliacuteptica alrededor del Sol [15 21]
La radiacioacuten del Sol no es absorbida en su totalidad por la atmoacutesfera esta se
debilita por accioacuten de la reflexioacuten difusioacuten y absorcioacuten Se dice que en ciertas
36
condiciones tales como diacutea perfectamente claro ausencia de sombras y con los
rayos cayendo perpendicularmente a un plano horizontal casi las tres cuartas
partes de la energiacutea proveniente de Sol alcanzaraacuten dicho plano El resto se refleja
en la atmoacutesfera y se dirige al espacio exterior La atmoacutesfera juega un papel de
filtro sobre la radiacioacuten ultravioleta y gran parte de la infrarroja siendo estas
absorbidas por el ozono Asiacute entonces la constante solar ya no es vaacutelida en ninguacuten
nivel terrestre donde bajo las condiciones nombradas anteriormente se dice que
en 11198982 de superficie a nivel del mar con los rayos llegando de forma
perpendicular cerca de 1000 119908 1198982frasl seraacuten disponibles
La anterior situacioacuten puede variar considerablemente dependiendo de las
condiciones encontradas en el ambiente Algunas de estas son momento del diacutea
variacutea de un lugar a otro especialmente en lugares montantildeosos la elevacioacuten solar
(posicioacuten relativa del Sol en el cielo) que depende de la latitud del lugar la altitud
donde se sabe que a mayor altura existiraacute menor espesor de atmoacutesfera y por ende
mayor energiacutea disponible en forma de radiacioacuten solar
En la tabla 12 se puede observar a grandes rasgos como variacutea la intensidad de la
radiacioacuten en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar y coacutemo influyen ciertas
condiciones climatoloacutegicas
VARIACIOacuteN DE LA RADIACIOacuteN INCIDENTE CON LA ALTITUD
ALTITUD SOBRE EL NIVEL DEL MAR
0 900 1500 2250 3000
INTENSIDAD DE LA RADIACIOacuteN
(w119950120784)
950 1050 1100 1150 1190
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del
mar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y
Cualificacioacuten Meacutexico 2008
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS EN LA RADIACIOacuteN INCIDENTE
CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS
RADIACIOacuteN
GLOBAL(w119950120784)
PORCENTAJE DE RADIACIOacuteN DIFUSA
CIELO DESPEJADO 750-1000 10-20
CIELO PARCIALMENTE NUBOSO
200-500 20-90
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente tomada de
Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
37
De esta manera existen entonces dos factores fundamentales que hacen que la
radiacioacuten solar sea de caraacutecter intermitente Se nombran a continuacioacuten
141 Factores externos a la superficie de la Tierra
Son los de caraacutecter dependiente a la posicioacuten de la Tierra respecto al Sol como
bien se sabe la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol es eliacuteptica por lo que la
energiacutea proveniente del Sol no seraacute constante a lo largo del antildeo debido a que en
ciertas eacutepocas esta deberaacute atravesar mayor distancia y por tanto mayor masa lo
que en este caso disminuiraacute la energiacutea proveniente del Sol Tambieacuten involucran
las coordenadas geograacuteficas del lugar considerando latitud y longitud que
condicionan baacutesicamente el recorrido de la radiacioacuten a traveacutes de la atmoacutesfera y el
aacutengulo de incidencia de los rayos solares Son funcioacuten pues de la altura solar en
cada instante
142 Factores climaacuteticos
Estos factores involucran la atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por parte de agentes
internos al ambiente terrestre tales como nubes cantidad de vapor de agua
contaminacioacuten ozono etc Contenidos en la atmoacutesfera y que fundamentalmente
atenuacutean la radiacioacuten solar por concepto de absorcioacuten reflexioacuten y difusioacuten de la
radiacioacuten [15 21 25]
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten tomada de HERNANDEZ PEDRO J Efectos Teacutermicos de Los Materiales Disponible en httppedrojhernandezcomtagconceptos-2
143 Componentes de la radiacioacuten solar Seguacuten la forma como llegue la luz solar a la superficie de la Tierra se pueden clasificar en tres formas diferentes Radiacioacuten solar directa es captada desde una superficie terrestre que posee un uacutenico aacutengulo de incidencia Es decir es la que viaja en liacutenea recta desde la atmoacutesfera hasta la superficie terrestre
38
Radiacioacuten solar dispersa o difusa es la energiacutea que ha sido desviada por accioacuten de los gases disponibles en el ozono esto explica que una superficie con sombra o sin luz solar se encuentre iluminada incluso a pesar de su condicioacuten Radiacioacuten solar albedo es la radiacioacuten reflejada por el suelo o alguna otra superficie Cuando la fuente de luz es el Sol se usa el teacutermino albedo en lugar de reflectancia Esta es variable de un lugar a otro por ejemplo la superficie de un cuerpo negro tendraacute un albedo de cero sin embargo una superficie cubierta de nieve tendraacute un albedo de aproximadamente 09 y para el suelo mojado tendraacute un albedo de 018 (la superficie de un cuerpo negro es un elemento ideal y netamente teoacuterico por ende inexistente)
En teacuterminos generales se define al albedo como
120566 =119877119903
119877119894 120783 120786
En donde
119877119903 es la radiacioacuten reflejada por la superficie
119877119894 es la radiacioacuten incidente en la superficie
La radiacioacuten incidente puede tener entonces dos componentes radiacioacuten directa y
radiacioacuten difusa [21]
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solar
Se pueden destacar los siguientes
Datos de estaciones cercanas
Los valores arrojados por este meacutetodo podraacuten ser acertados si solamente se trata
de un lugar llano y la distancia entre la estacioacuten y el lugar que se planea energizar
es menor a 10 km Sin embargo en la ausencia de alguna otra opcioacuten esta podriacutea
ser una opcioacuten previa donde se podriacutea dar una idea de coacutemo puede ser la
radiacioacuten en un lugar en especiacutefico
Interpolar valores a partir de medidas de la radiacioacuten solar en otras estaciones
La informacioacuten acerca de la radiacioacuten entregada por este meacutetodo puede llegar a
ser confiable si el nuacutemero de estaciones en un lugar es considerable y
dependiendo del tipo de terreno es decir que la interpolacioacuten puede verse
afectada si entre estaciones no tienen en cuenta terrenos en donde la altura
humedad y nubes puedan afectar el resultado
39
Modelos de interpolacioacuten que tienen en cuenta la topografiacutea
Este meacutetodo puede llegar a ser efectivo debido a que tienen en cuenta la
desventaja del iacutetem anterior sin embargo es escaso tener acceso a esta
informacioacuten debido a la complejidad que involucrariacutea tener en cuenta toda la
topologiacutea geograacutefica de un paiacutes como Colombia
Meacutetodo de tratamiento de imaacutegenes de sateacutelites
Es el meacutetodo maacutes exacto para encontrar la radiacioacuten solar en un sitio determinado
Es el resultado de la reflexioacuten de los rayos solares en la superficie de la Tierra
Este meacutetodo se caracteriza por llevar impliacutecito los factores externos a la superficie
de la Tierra y los factores climaacuteticos y topograacuteficos [25 26]
15 DESARROLLOS EN COLOMBIA
Colombia es un paiacutes que produce en su gran mayoriacutea energiacutea eleacutectrica a partir de
la energiacutea potencial almacenada por embalses (centrales hidroeleacutectricas) Este
tipo de generacioacuten aprovecha el movimiento del agua para convertirlo en corriente
eleacutectrica comercial su impacto ambiental es mucho menor que en las energiacuteas
foacutesiles (no produce gases de efecto invernadero ni contamina a la atmoacutesfera) su
explotacioacuten apenas requiere mantenimiento y el almacenamiento de agua tambieacuten
se puede utilizar para plantaciones Sin embargo su construccioacuten implica un gran
impacto ambiental al ser necesaria la inundacioacuten de valles y desplazamiento de
poblacioacuten constituyen una de las principales causas directas e indirectas de
peacuterdida de millones de hectaacutereas de bosques muchas de ellas abandonadas bajo
el agua y en descomposicioacuten Se modifican las condiciones fiacutesicas y quiacutemicas del
riacuteo como salinidad temperatura y nutrientes debido a que el agua embalsada
altera las condiciones naturales del riacuteo
La produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en Colombia empleando sistemas fotovoltaicos
ha tenido un enfoque en el sector rural en donde el gran costo de generacioacuten
provocados por los altos precios en los combustibles y los costos de operacioacuten y
mantenimiento hace que la generacioacuten fotovoltaica sea una opcioacuten adecuada y
confiable a largo plazo Estos sistemas empezaron en Colombia con la empresa
Telecom a comienzos de los antildeos 80s con el apoyo de la Universidad Nacional
Se desarrollaron proyectos con pequentildeos generadores fotovoltaicos de 60 Wp
con los cuales energizaron radioteleacutefonos y algunos sistemas de comunicacioacuten
adicionales en 1983 ya se habiacutean instalado 2950 de este tipo de sistemas y
alcanzaron una potencia instalada entre 3 a 4 kWp para antenas satelitales
terrenales
40
Muchas empresas optaron por instalar sistemas fotovoltaicos para energizar sus
sistemas de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas fotovoltaicos
para alimentar repetidoras de microondas boyas estaciones remotas bases
militares y algunas viviendas en las zonas rurales Seguacuten estudios realizados en
1983 y 1994 se importaron 48499 moacutedulos solares para una potencia de 205
MWp de estos el 411 para proyectos de telecomunicaciones el 465 para
electrificacioacuten rural y el 124 para otras operaciones El mismo estudio determino
que para 248 sistemas fotovoltaicos equivalentes a 419 moacutedulos el 56 de los
sistemas funcionaban correctamente mientras que el 37 funcionaban con
problemas y el 8 estaban fuera de servicio Como fuente principal de problemas
encontraron la falta de miacutenimo mantenimiento componentes dantildeados partes sin
reemplazo y sistemas subestimados Esto evidencia que los dimensionamientos
no son adecuados para estos sistemas al igual que un olvido teacutecnico para estos
usuarios con respecto a mantenimiento y ajustes al sistema En los uacuteltimos 10
antildeos tampoco se ha evidenciado estudios similares a este en donde se muestre
el estado real de dichos sistemas [28]
En promedio los sistemas para electrificacioacuten rural constan de un panel entre 50 y
70 Wp una bateriacutea entre 60 y 120 Ah y un regulador Lo que producen una
energiacutea miacutenima para satisfacer las necesidades maacutes baacutesicas del sector rural El
costo actual de estos pequentildeos sistemas oscila entre US$ 1200 a 1500 afectando
principalmente los altos costos de instalacioacuten en las zonas remotas
Durante los uacuteltimos antildeos se han instalado muchos maacutes sistemas en los programas de electrificacioacuten rural con fuerte financiacioacuten del Estado haciendo uso actualmente de recursos como el FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energizacioacuten de las Zonas No Interconectadas) El IPSE (Instituto para la Promocioacuten de Soluciones Energeacuteticas) es en la actualidad la institucioacuten que lidera las acciones del Estado en la energizacioacuten del campo colombiano Seguacuten esta institucioacuten hay en la actualidad maacutes de 15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones Pero ademaacutes el IPSE tiene en desarrollo soluciones innovadoras como sistemas hiacutebridos en donde se combinan por ejemplo la energiacutea solar fotovoltaica y las plantas diesel para reducir los costos de generacioacuten del diesel y emplear el generador como respaldo [29] El Estado tambieacuten cuenta con una institucioacuten encargada de recopilar la informacioacuten de la energiacutea solar disponible en el territorio colombiano el IDEAM (Instituto de Estudios Ambientales) es la entidad encargada de cumplir con esa tarea empleando la informacioacuten de 383 estaciones de brillo solar medido con helioacutegrafos Campebell-Stokes 32 estaciones de referencia y 39 estaciones radiomeacutetricas unas con actinoacutegrafo Fuess y otras con piranoacutemetros Eppley Blanco y negro y PSP Con esta informacioacuten recopilada mes a mes se corrioacute el modelo de Angstrom modificado dando como resultado los mapas de radiacioacuten solar para superficies horizontales publicados en el 2005 expuestos en el anexo 1
41
Como conclusioacuten al anterior estudio se presenta la tabla 14 en donde se muestra la energiacutea sobre metro cuadrado a lo largo del antildeo para las regiones del paiacutes
REGIOacuteN kWh119950120784antildeo
GUAJIRA 2190
COSTA ATLAacuteNTICA 1825
ORINOQUIA 1643
AMAZONIA 1551
ANDINA 1643
COSTA PACIacuteFICA 1278 Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia
Sin embargo este estudio presenta deficiencias para ser considerado adecuado a la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico debido a la poca confiabilidad de los resultados entregados para el dimensionamiento en las diferentes zonas del paiacutes ya que la densidad de estaciones climatoloacutegicas es insuficiente para el caacutelculo adecuado del modelo Angstrom modificado El caacutelculo maacutes confiable se presenta en la zona Andina debido a que en esta regioacuten la maacutes elevada del paiacutes
se tiene la mayor densidad de estaciones climatoloacutegicas por 1198961198982 mientras que en la zona paciacutefica existe la menor densidad de las mismas Adicional a esto no resulta muy uacutetil tener los mapas de radiacioacuten solar promedio mes a mes debido a que solo es informacioacuten indicativa y carece de informacioacuten maacutes detallada como radiacioacuten en un lugar especiacutefico radiacioacuten sobre un plano inclinado e incluso recomendaciones sobre una mejor inclinacioacuten y orientacioacuten del generador fotovoltaico Sin embargo existen herramientas capaces de recopilar informacioacuten de las estaciones meteoroloacutegicas existentes en una regioacuten y correr un sistema de interpolacioacuten un poco maacutes preciso con respecto a una ubicacioacuten inclinacioacuten y orientacioacuten detallada Es el caso de la base de datos llamada Meteonorm y el modelo usado por MeteoSyn para generar datos de radiacioacuten solar en un sitio determinado Ambos son usados por distintos software como es el caso de PVSOLreg que es capaz de calcular y disentildear sistemas fotovoltaicos [20] 16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA EL DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 161 Declinacioacuten Magneacutetica Se conoce como declinacioacuten magneacutetica a la diferencia entre el norte o sur magneacutetico comprendido por una bruacutejula y el verdadero o geograacutefico punto cardinal La bruacutejula se orienta con el campo magneacutetico de la Tierra que no siempre estaacute alineado con el eje de rotacioacuten por lo que la orientacioacuten de los moacutedulos
42
fotovoltaicos se debe trabajar con el norte geograacutefico y no con el magneacutetico Se presenta la figura 111 en donde se observa que para Colombia la declinacioacuten magneacutetica esta en unos 8ordm grados al Este
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica tomada de Global Top Variacioacuten Magneacutetica Disponible en httpwwwgtop-techcomesproductVariacin-magnticaSoftware_Services_16htmlprettyPhoto[rm-prd-photoshow]0
De esta manera se debe ajustar la orientacioacuten entregada con la bruacutejula con unos 8ordm al Este para aplicaciones fotovoltaicas en Colombia [10 29] 162 Trayectoria solar La posicioacuten del Sol variacutea diariamente desde el amanecer hasta el ocaso dependiendo de la latitud del lugar asiacute por ejemplo para lugares ubicados en el hemisferio Norte de la Tierra el Sol sale por el Este se desplaza en direccioacuten Sur y se pone en el Oeste Se debe aclarar que es la Tierra la que cada diacutea hace una rotacioacuten completa alrededor de su eje lo que crea una sensacioacuten estaacutetica en el observador por tanto es costumbre decir que ldquoel Sol realiza un recorrido ldquo aunque en realidad es la Tierra la que hace el recorrido alrededor del Sol se seguiraacute manejando con fines praacutecticos el termino trayectoria solar La Tierra tiene dos movimientos la rotacioacuten sobre su eje y la traslacioacuten alrededor del sol esta uacuteltima sigue una trayectoria eliacuteptica que da lugar a las estaciones del antildeo La combinacioacuten de ambos movimientos genera que se observe una variacioacuten de la trayectoria solar a lo largo del antildeo Este es un factor de intereacutes para la ubicacioacuten orientacioacuten e inclinacioacuten de los moacutedulos fotovoltaicos debido a que se intenta que esteacuten plenamente orientados hacia el Sol con el fin de que la incidencia de la luz en el panel sea siempre plena
43
Se presenta la figura 112 donde se observa dicha variacioacuten a lo largo del antildeo para la ciudad de Pereira [30]
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira disponible en SUN EARTH TOOLS Ubicador Geograacutefico Solar Disponible en httpwwwsunearthtoolscomdptoolspos_sunphplang=es
En figura 112 se muestran tres trayectorias solares la superior representa el solsticio de verano o solsticio de Junio la del medio representa una fecha de ejemplo y la inferior representa el solsticio de invierno o solsticio de Diciembre Asiacute entonces se definen dos paraacutemetros fundamentales 163 Acimut Es la localizacioacuten aparente del Sol al Este u Oeste del sur verdadero se mide en grados al Este u Oeste Se puede optimizar el rendimiento diario de los colectores si estos se fijan frente al sur geograacutefico es decir acimut 0deg 164 Inclinacioacuten del arreglo Es el aacutengulo que forma el arreglo de paneles con el plano horizontal Se intenta que este sea adecuado para que la incidencia de los rayos solares sea perpendicular a la superficie captadora [10 21] Seguacuten la imagen para que los paneles esteacuten en todo momento perfectamente inclinados hacia el sol se deberaacute estar dispuesto sobre un mecanismo de anclaje que permita la movilidad tanto en su eje horizontal como en su eje vertical Sin
44
embargo para paiacuteses cercanos a la liacutenea ecuatorial no es necesario dicho mecanismo debido a que las variaciones no son muy bruscas a diferencia de paiacuteses muy alejados de la liacutenea ecuatorial en donde si no se dispone de un sistema mecaacutenico para dicha aplicacioacuten se intenta fijar la inclinacioacuten de acuerdo a la eacutepoca del antildeo en donde se desee utilizar el sistema de captacioacuten solar asiacute entonces algunos autores especifican que para el hemisferio norte de la Tierra en eacutepocas de invierno se inclinan los paneles 20deg mayor que la latitud para primavera y verano se fijan en 10deg menor que la latitud y la utilizacioacuten para todo el antildeo 10deg mayor que la latitud La altura del Sol por encima del horizonte se llama altitud la cual se mide en grados por encima del horizonte De esta forma al amanecer y al ocaso la altitud seraacute de cero grados Para el hemisferio Norte de la Tierra cuando el Sol estaacute sobre el sur verdadero (acimut 0ordm) estaraacute en su altitud maacutexima para ese diacutea Esta hora se conoce como medio diacutea solar y variacutea a causa de la rotacioacuten de la Tierra sobre su eje inclinado Para el caso de Colombia existen maacutes cantidad de diacuteas en donde el Sol posee una trayectoria hacia el sur que hacia el norte lo que convendriacutea inclinar los paneles hacia el sur (acimut=0deg) sin embargo existen otras opciones para mejorar la captacioacuten a partir de estructuras fijas que posean la manera de variar la inclinacioacuten Asiacute entonces el usuario podraacute variar la inclinacioacuten en dos o maacutes puntos dependiendo de la estructura fijada en los paneles de tal forma que para eacutepocas del antildeo en donde sean predominantes las trayectorias solares en direccioacuten norte el arreglo pueda tener la opcioacuten de adaptarse De acuerdo a la experiencia aportada por la empresa Colombian Solar Systems sitio en donde se llevoacute a cabo este proyecto se recomienda que la inclinacioacuten de los paneles no sea menor de 10deg debido a que es la inclinacioacuten necesaria para que el agua de la lluvia y los residuos del ambiente resbalen y no sean inconvenientes para la captacioacuten solar [10 21] En la tabla 15 se da a conocer el comportamiento de la radiacioacuten en la ciudad de Pereira (estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea) con distintas inclinaciones
45
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
De la tabla 15 se observa que la radiacioacuten en los meses de Mayo Junio Julio y Agosto es mayor para inclinaciones hacia el Norte sin embargo para el resto del antildeo la radiacioacuten es mayor para inclinaciones hacia el Sur En la tabla 16 se resume el comportamiento de la radiacioacuten solar anual en la ciudad de Pereira seguacuten el software PVSOLreg
Acimut Inclinacioacuten Radiacioacuten acumulada anual en [kWhmsup2]
Descripcioacuten
180deg 30deg 1373 Cara al Norte
180deg 15deg 1505 Cara al Norte
180deg 10deg 1535 Cara al Norte
180deg 5deg 1557 Cara al Norte
0deg 0deg 1570 Horizontal
0deg 5deg 1576 Cara al Sur
0deg 10deg 1574 Cara al Sur
0deg 15deg 1563 Cara al Sur
0deg 30deg 1485 Cara al Sur Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira
EneroFebre
roMarz
oAbril Mayo Junio Julio
Agosto
Septiembr
e
Octubre
Noviembre
Diciembre
Acimut 180deg inclinacioacuten 30deg 10683 10448 12242 11513 12025 12145 12896 13125 11767 10942 9472 10036
Acimut 180deg inclinacioacuten 15deg 13369 12342 13376 12123 12182 12125 12992 13563 1263 12445 11064 12318
Acimut 180deg inclinacioacuten 10deg 14143 12849 13626 12205 12111 11992 12887 1357 12795 12829 11508 1297
Acimut 180deg inclinacioacuten 5deg 14839 13288 13809 12225 11979 11797 12716 13509 12895 13149 11899 13557
Acimut 0deg inclinacioacuten 0deg 15454 13654 13923 12182 11787 11542 12478 13378 12931 13404 12234 14075
Acimut 0deg inclinacioacuten 5deg 15981 13945 13967 12078 11536 11228 12176 13178 12901 1359 12509 14521
Acimut 0deg inclinacioacuten 10deg 16417 14159 13941 11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 12723 14889
Acimut 0deg inclinacioacuten 15deg 16759 14294 13845 11687 10867 10435 1139 12582 12648 13752 12873 15179
Acimut 0deg inclinacioacuten 30deg 17197 1422 13148 1067 952 8949 9823 11232 11802 13467 12939 15553
020406080
100120140160180200
kWhm
sup2
Radiacioacuten Aeropuerto Matecantildea para distintos planos
46
165 Objetos que crean sombra Este paraacutemetro es de suma importancia para el disentildeo de cualquier sistema fotovoltaico debido a que afecta netamente el rendimiento de los paneles Este factor es muy variable de acuerdo a la ubicacioacuten del lugar Se pretende que las sombras sean reducidas lo maacuteximo posible sin embargo estas suelen aparecer con mayor persistencia en eacutepocas del antildeo donde la altitud del Sol es menor Un meacutetodo para evaluar sombras en Colombia constariacutea del anaacutelisis de los diacuteas en donde la altitud del Sol es menor asiacute entonces tendriacutea en cuenta los diacuteas de solsticio de Junio (21 de Junio) y el solsticio de Diciembre (21 de Diciembre) para hacer un anaacutelisis visual de sombras que intervienen en el arreglo y evaluar si estas pueden ser retiradas para mejorar la captacioacuten o por el contrario no es posible retirarlas lo que conlleva a un menor rendimiento [10]
47
Capiacutetulo 2
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Los sistemas autoacutenomos o independientes de la red son una buena opcioacuten para
abastecer de energiacutea eleacutectrica zonas de difiacutecil acceso constan de un arreglo
fotovoltaico encargado de transformar la energiacutea proveniente del Sol en energiacutea
eleacutectrica un banco de bateriacuteas que se encargaraacute de suministrar energiacutea en horas
del diacutea en donde la radiacioacuten sea miacutenima o nula un regulador encargado de
adecuar la tensioacuten y la corriente para cargar el banco de bateriacuteas y protegerlo de
sobrecargas y descargas profundas y un inversor que convierte la corriente
continua en corriente alterna adecuada para suministrar las cargas
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTOacuteNOMO
Para entender el funcionamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo se necesita
comprender el funcionamiento de cada uno de los elementos que lo componen
para posteriormente entrar en detalles en el modelamiento del sistema fotovoltaico
como tal
211 El panel fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos tienen como misioacuten captar la energiacutea en forma de
fotones provenientes del Sol para generar corriente eleacutectrica capaz de ser
almacenada y aprovechada para cualquier uso
Estaacuten compuestos de ceacutelulas solares que al ser tratadas individualmente no seriacutean
capaces de proporcionar niveles de tensioacuten y corriente adecuados para el
consumo Son fraacutegiles eleacutectricamente no aisladas y carecen de soporte mecaacutenico
es por estas razones que es necesario ensamblarlas de una manera adecuada
para constituir una estructura uacutenica riacutegida y hermeacutetica
En el conjunto del panel FV las ceacutelulas o celdas solares deben ser iguales de lo
contrario se presentaraacuten sectores en el panel fotovoltaico con altas temperaturas
Estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute en serie yo en paralelo de forma que la
tensioacuten y corriente alcancen valores adecuados Es frecuente que primero se
conecten ceacutelulas en serie hasta ajustar un nivel de tensioacuten y posteriormente
asociar en paralelo varias cadenas de esta serie para alcanzar niveles de corriente
deseados [21]
2111 Estructura de los paneles solares
48
Aunque cada empaquetadura puede variar entre distintos fabricantes existen
varias caracteriacutesticas comunes entre ellos como el uso de una estructura de
ldquoSaacutendwichrdquo donde ambos lados de las ceacutelulas quedan mecaacutenicamente protegidos
Los paneles solares estaacuten formados por los siguientes elementos cubierta frontal
material encapsulante ceacutelulas o celdas solares y sus conexiones eleacutectricas
cubierta posterior y arco metaacutelico Otros elementos que pueden llegar a ser parte
del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores [21]
Figura 21 Componentes de un panel solar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar
Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
21111 La cubierta frontal
Sirve para proteger las ceacutelulas contra las inclemencias del tiempo e impactos Es
vidrio templado de 3 a 4mm de espesor y al que se le ha dado una textura que
minimiza la reflexioacuten de la luz y favorece la transmisioacuten hacia el material
semiconductor en algunos casos de hasta el 91 Tambieacuten los hay en materiales
orgaacutenicos y plaacutesticos de alta resistencia [15 21]
21112 El material encapsulante
Se encuentra entre el vidrio y las ceacutelulas y tambieacuten las recubre en la parte
posterior Se intenta que sea un material con iacutendice de refraccioacuten parecido al del
vidrio utilizado en la cubierta frontal con el fin de evitar peacuterdidas producidas por el
traspaso de la radiacioacuten entre el aire encapsulado por la cubierta frontal y la ceacutelula
49
Tiene la funcioacuten de proteger la ceacutelula de la entrada de polvo impurezas agua y
acumulacioacuten de humedad ademaacutes de proporcionar amortiguamiento de impactos
y absorber tensiones debido a sus caracteriacutesticas elaacutesticas Es usual que este
material sea un copoliacutemero denominado EVA (etileno-vinil-acetato) este no se
degrada faacutecilmente solo a temperaturas y niveles de iluminacioacuten muy elevados
Los paneles que usan laacuteminas plaacutesticas en la superficie colectora suelen perder
hasta un 20 del valor inicial de transmisividad despueacutes de muchos antildeos de uso
(aproximadamente 20 antildeos) mientras que los que usan vidrio templado pierden
alrededor de 5 debido a que este material resiste la accioacuten deteriorante de los
rayos ultravioleta [21]
21113 La cubierta posterior
Sirve de proteccioacuten y cerramiento al moacutedulo fundamentalmente contra los agentes
atmosfeacutericos ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad Estaacute
formada por varias capas de un aislante eleacutectrico llamado Tedlar que al ser
opacas y de color blanco reflejan la luz que ha logrado pasar por las ceacutelulas
haciendo que vuelva a la parte frontal donde puede ser reflejada e incidir de
nuevo en las ceacutelulas En otros casos la cubierta posterior puede ser de aluminio
con lo que mejora la disipacioacuten de calor al exterior lo cual es un factor muy
importante para determinar la potencia de salida de un panel FV [21]
21114 El marco metaacutelico
Es la parte que le da rigidez y permite que se pueda formar montando estructuras
Es de Aluminio anodizado acero inoxidable o similar con soporte para poder
empotrar al moacutedulo en una estructura Este debe estar conectado a un conductor
de toma a Tierra [21]
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica
Las cajas de conexioacuten se encuentran situadas en la parte inferior del panel y
tienen acceso a los bornes del panel (terminal positivo y negativo del panel)
Deben ser lo suficientemente aisladas para que no exista presencia de humedad y
por tanto oxidacioacuten y aumento de resistencia que generen puntos calientes en el
moacutedulo FV Tambieacuten es el lugar en donde se encuentran los diodos de by-pass y
diodos de bloqueo [10]
21116 Diodos de by-pass
Para entender el funcionamiento de los diodos de bypass es necesario hacer un
breve eacutenfasis en el circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
Circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
50
El circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica se representa en la siguiente
figura
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira
I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
V es la tensioacuten en el maacuteximo punto potencia de la ceacutelula fotovoltaica
IL es la corriente fotogenerada por la ceacutelula fotovoltaica
D es un diodo en paralelo que simula la unioacuten p-n
Rs es la resistencia serie de la ceacutelula originada por la oposicioacuten a la corriente en
el emisor la base los electrodos de la ceacutelula solar y los contactos o uniones entre
estos y el semiconductor Se busca disminuir la magnitud de esta resistencia para
volver la ceacutelula maacutes eficiente y para esto es clave que los fabricantes de ceacutelulas o
celdas realicen un buen disentildeo de la ceacutelula solar en el que los contactos
metaacutelicos frontales sean oacuteptimos
Rp es la resistencia paralelo que ofrece un camino alternativo para la corriente
fotogenerada En lugar de fluir a traveacutes de la unioacuten p-n fluye a traveacutes de la
resistencia paralelo de modo que se reduce el voltaje de la ceacutelula Cuanto menor
sea la resistencia paralelo maacutes corriente podraacute desviarse por ella afectando su
eficiencia El impacto de esta resistencia paralelo es elevado sobre todo cuando la
ceacutelula trabaja a baja irradiancia La resistencia paralelo suele ser baja debido a
defectos de fabricacioacuten por lo que para maximizarla es necesario mantener un
buen control del proceso productivo
La unioacuten de varias ceacutelulas fotovoltaicas crean un moacutedulo o panel solar asiacute
entonces eleacutectricamente se puede representar de la siguiente manera
51
Figura 23 modelo eleacutectrico de un panel solar tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira I
Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La anterior imagen muestra una cadena de 5 ceacutelulas fotovoltaicas expuestas a una
radiacioacuten de 1000wm2 y 25degc
Sus caracteriacutesticas eleacutectricas son
IL = 51A (corriente que la ceacutelula transforma de la radiacioacuten bajo esas
condiciones)
V = 051 (Tensioacuten alcanzada por la ceacutelula bajo dichas condiciones)
Al analizar el conjunto de las 5 ceacutelulas tenemos
Iconjunto = 51A
Vmaacutex= 255A
Cuando una ceacutelula fotovoltaica se ve afectada por una sombra esta ya no puede
producir corriente convirtiendo la fuente de corriente en un circuito abierto A
continuacioacuten se muestra la representacioacuten eleacutectrica de dicho suceso
52
Figura 24 modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute
Universitat Rovira I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico
Disponible en httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La trayectoria azul muestra el camino que tomariacutea la corriente con la ceacutelula 3
afectada por una sombra Esta condicioacuten hace que la ceacutelula 3 se convierta en una
carga resistiva haciendo que pueda sufrir dantildeos por recalentamiento y que toda la
cadena de ceacutelulas disminuya su tensioacuten
Explicado el anterior fenoacutemeno los diodos de by-pass tienen como principal
funcioacuten proteger las ceacutelulas parcialmente sombreadas ofreciendo un camino con
menor impedancia a la corriente y asiacute evitando que eacutesta dantildee teacutermicamente las
ceacutelulas parcialmente sombreadas La siguiente imagen muestra el camino de la
corriente cuando hay una ceacutelula bajo sombra y con presencia de diodos de by-
pass [2131-33]
Figura 25 funcionamiento de diodo de bypass tomada de Energeacutetica Futura iquestQueacute es el problema del Punto Caliente en moacutedulos fotovoltaicos Disponible en
53
httpenergeticafuturacomblogC2BFque-es-el-problema-del-punto-caliente-en-modulos-fotovoltaicos
21117 Diodos de bloqueo
Para sistemas aislados es comuacuten acoplar a un arreglo fotovoltaico un conjunto de
bateriacuteas estas pueden dantildear los moacutedulos cuando exista poca o nula radiacioacuten
(horas de la noche) descargaacutendose energiacutea acumulada sobre los paneles
dantildeando teacutermicamente las ceacutelulas fotovoltaicas Los diodos de bloqueo evitan que
las bateriacuteas se descarguen sobre el arreglo proporcionando un camino de muy alta
impedancia Tambieacuten evitan que el flujo de corriente se invierta entre bloques de
paneles conectados en paralelo cuando en uno o varios de ellos se produce una
sombra Estos diodos de bloqueo deben ser capaces de soportar la corriente de
cortocircuito y el voltaje de circuito abierto del campo completo como norma se
toma que puedan soportar dos veces la corriente de cortocircuito y la tensioacuten de
circuito abierto del arreglo fotovoltaico [21]
La siguiente imagen resume la conexioacuten de diodos de by-pass y diodos de
bloqueo con un arreglo de paneles y una bateriacutea
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar
Las caracteriacutesticas de salida de un moacutedulo o panel solar se representan en la
curva I-V que muestra la relacioacuten de salida entre la corriente y la tensioacuten La
mayoriacutea de estas curvas las proporciona el fabricante del panel y estaacuten estudiadas
bajo condiciones normalizadas de pruebas conocidas como STC (Standard Test
Conditions) [10]
Estas pruebas constan de
Irradiancia 1000wm2
54
Temperatura 25degc (77degF)
Espectro luminoso = 15 masa de aire
La corriente de salida variacutea en funcioacuten del voltaje en la carga y su temperatura de
trabajo La siguiente figura muestra en forma graacutefica dicha relacioacuten cuando el
nivel de radiacioacuten permanece constante para un panel en particular
Figura 27 curva caracteriacutestica de una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV) Cells
Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Si bien la anterior imagen muestra la salida de un panel en particular se podriacutea
decir que los demaacutes paneles de silicio del mercado van a tener un comportamiento
similar Se puede observar que el valor maacuteximo para la tensioacuten de salida es
cuando la corriente es nula a este punto se le llama tensioacuten de circuito abierto
(Voc) mientras que la corriente llega a su valor maacuteximo cuando la tensioacuten es nula
a este punto se lo conoce como corriente de corto-circuito (I119888119888) Tambieacuten se puede
observar el punto de maacutexima potencia este es el valor donde el aacuterea bajo la curva
I-V es maacutexima cada panel solar suele especificar este valor con Vmp (Maximun
point voltage)
La salida del panel solar depende baacutesicamente de dos factores fundamentales la
temperatura y la radiacioacuten solar A continuacioacuten se muestran dos imaacutegenes en
donde se observa la influencia en la salida de una celda al variar estos dos
paraacutemetros
55
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV)
Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Figura 29 efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar tomada de ITACA Photovoltaic
(PV) Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-
cells
De la figura 29 se puede resaltar que la corriente que genera el panel depende de
la radiacioacuten solar permaneciendo la tensioacuten aproximadamente constante
De acuerdo a lo anterior tiene mucha importancia la orientacioacuten y la inclinacioacuten
respecto a la horizontal debido a que la radiacioacuten variacutea a lo largo del diacutea en
funcioacuten de la inclinacioacuten del Sol respecto al horizonte
56
De la figura 28 se puede resaltar que el aumento de la temperatura en las ceacutelulas
genera una disminucioacuten de la tensioacuten del panel permaneciendo casi constante la
corriente Asiacute entonces la ventilacioacuten adecuada del panel fotovoltaico va a jugar un
papel importante respecto a la tensioacuten de salida del mismo
El efecto global del aumento de la temperatura de trabajo del panel es que la
potencia del panel disminuya lo que generariacutea la necesidad de instalar maacutes
paneles para una aplicacioacuten y una temperatura baja podriacutea aumentar
draacutesticamente la tensioacuten poniendo en riesgo los elementos que completan el
sistema fotovoltaico [10 15 21 35]
212 Bateriacuteas
Se intenta que un sistema fotovoltaico aislado cubra todas las necesidades de
consumo sin importar la hora del diacutea o las inclemencias del clima Las bateriacuteas
almacenan la energiacutea eleacutectrica de la corriente directa en forma quiacutemica para su
uso posterior Como la cantidad de energiacutea que brinda un arreglo fotovoltaico variacutea
de acuerdo a la alteracioacuten de las condiciones climaacuteticas un sistema de
almacenaje puede brindar una fuente de energiacutea relativamente constante cuando
el sistema fotovoltaico produce una energiacutea pequentildea siempre y cuando este
mismo sistema haya producido la energiacutea necesaria para cargar el sistema de
almacenaje
Los elementos que componen un sistema fotovoltaico no son 100 eficientes y las
bateriacuteas no son la excepcioacuten en las bateriacuteas cierta cantidad de energiacutea se pierde
como el calor y las reacciones quiacutemicas durante la carga y la descarga por ende
el sistema fotovoltaico ademaacutes de prever la carga de estaacute sistema tambieacuten debe
tener en cuenta este hecho
Aunque se generaliza que un sistema fotovoltaico aislado posea un sistema de
almacenamiento para ciertas aplicaciones no son necesarias es el caso de
sistemas de bombeo de agua durante el diacutea a tanques de almacenamiento
motores de ventilacioacuten de invernaderos que solo funcionen en el diacutea ventiladores
para usos en donde solo el Sol brilla entre otros
Los sistemas interconectados a la red no necesariamente necesitan bateriacuteas
aunque ellas pueden ser usadas como fuente de respaldo cuando la energiacutea
convencional falle involucrarlas significa un inversor maacutes sofisticado mayores
costos y un sistema menos eficiente
Existen muchos tamantildeos de bateriacuteas Las maacutes pequentildeas comuacutenmente utilizadas
en linternas y radios estaacuten catalogadas como bateriacuteas ldquodesechablesrdquo o ldquoprimariasrdquo
las bateriacuteas para estos mismos usos pero recargables se las denomina
57
ldquosecundariasrdquo Las bateriacuteas recargables de niacutequel cadmio (nicad o NICd) se usan
comuacutenmente para grandes cargas estacionarias tales como aplicaciones
industriales cargas diarias en el sector rural y residencial y pequentildeos aparatos
portaacutetiles
Los fabricantes de bateriacuteas garantizan el funcionamiento de las bateriacuteas en
funcioacuten de ciclos estos ciclos son la secuencia de cargar y descargar una bateriacutea
esta accioacuten puede ocurrir varias veces al diacutea dependiendo de la aplicacioacuten asiacute
entonces si se desea preservar la vida del banco de bateriacuteas es necesario
dimensionar de manera adecuada el nuacutemero de bateriacuteas con el fin de no
descargar tan frecuentemente el sistema [10 15 21]
2121 Tipos de bateriacuteas
Los siguientes tipos de bateriacuteas se usan comuacutenmente para aplicaciones
fotovoltaicas
Bateriacuteas de plomo-aacutecido
- De liacutequido ventilada (vaso abierto)
- Selladas (plomo aacutecido de vaacutelvula regulada)
Bateriacuteas alcalinas
- Niacutequel cadmio
- Niacutequel hierro
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecido
En algunos paiacuteses es muy comuacuten usar este tipo de bateriacuteas para aplicaciones
fotovoltaicas a escala residencial debido a que son recargables ampliamente
accesibles relativamente baratas y disponibles en distintos tamantildeos de
almacenamiento nominal son de faacutecil mantenimiento y vida relativamente alta son
bateriacuteas muy similares a las usadas por los automoacuteviles convencionales sin
embargo las diferencia su construccioacuten y su aplicacioacuten las bateriacuteas para
automoacuteviles no son recomendadas para usos fotovoltaicos debido a que ellas no
estaacuten disentildeadas para ldquociclos profundosrdquo estas estaacuten disentildeadas para descargar
grandes cantidades de corriente durante cortos intervalos de tiempo para despueacutes
ser inmediatamente cargada por el alternador o generador del vehiacuteculo
Los sistemas fotovoltaicos a menudo necesitan descargar pocas cantidades de
corriente durante largos periodos de tiempo y ser cargadas en condiciones
irregulares Una bateriacutea para ldquociclo profundordquo puede ser descargada hasta el 80
de su capacidad nominal Una bateriacutea de vehiacuteculo solo puede durar unos pocos
58
ciclos bajo tales condiciones mientras que un banco de bateriacuteas para uso
fotovoltaico puede durar de 3 a 10 antildeos e incluso maacutes
Este tipo de bateriacuteas se pueden subdividir en bateriacuteas de plomo-aacutecido de
electrolito liacutequido conocidas como ldquovaso abiertordquo y de plomo-aacutecido selladas
conocidas como ldquoVRLArdquo [10 15]
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abierto
Estas bateriacuteas tienen una construccioacuten muy similar a la que se utiliza en los
automoacuteviles con placas positivas y negativas hechas de plomo y aleaciones de
plomo sumergidas en una solucioacuten electroliacutetica de aacutecido sulfuacuterico y agua A
medida que esta se descarga a niveles muy altos esta produce hidroacutegeno gaseoso
y es expulsado de la bateriacutea este desecho es altamente explosivo esta situacioacuten
obliga a que el ambiente en donde se instalen estas bateriacuteas sea lo maacutes aislado
posible evitando chispas de calentadores de gas arranques de motores etc Asiacute
entonces el uso de estas bateriacuteas obliga al uso de alguacuten sistema de control de
tensioacuten eleacutectrica para regular el voltaje de la bateriacutea y evitar descargas peligrosas
Cuando las aberturas de salida de bateriacutea eliminan gases se pierde agua por lo
que debe rellenarse perioacutedicamente Algunas bateriacuteas estaacuten equipadas con tapas
recombinatorias que capturan los gases y los devuelven a la bateriacutea en forma de
agua Las bateriacuteas de ciclo profundo duraraacuten maacutes si se protege de descargas
completas Los controladores con desconexioacuten de bajo voltaje (LVD por sus siglas
en ingleacutes) protegen a la bateriacutea de descargas completas Estas bateriacuteas al igual
que las de los automoacuteviles tienen mayor eficiencia a temperaturas altas sin
embargo en estas condiciones las bateriacuteas duraraacuten menos ciclos [10 15]
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto tomada de AMB Green Power BATERIAS
SOLARES TROJAN Disponibles en httpwwwambgreenpowercombaterias_solares_trojanaspx
59
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA
Al contrario de las bateriacuteas con vasos abiertos las bateriacuteas reguladas por vaacutelvulas
VRLA no tienen tapa y por tanto no tienen acceso al electrolito sin embargo no
estaacuten totalmente selladas una vaacutelvula permite que el exceso de presioacuten escape
en caso de sobrecarga Este tipo de bateriacuteas son libres de mantenimiento
Los dos tipos de bateriacuteas selladas usadas comuacutenmente en los sistemas
fotovoltaicos son la celda de gel y de lana de vidrio absorbente (AGM por sus
siglas en ingles) En las bateriacuteas tradicionales de celda de gel el electrolito se
lleva a estado coloidal o se gelifica por la adicioacuten de un material llamado siacutelica gel
que convierte el liacutequido en una masa coloidal Las bateriacuteas AGM usan una tela de
vidrio de un material siacutelice fibrosa para mantener el electrolito Esta tela o malla
suministra depoacutesitos o bolsillos que ayudan en la recombinacioacuten de gases
generados durante la carga y limita la cantidad de hidroacutegeno gaseoso producido
Este tipo de bateriacuteas son a prueba de derrame El electrolito gelificado no puede
derramarse ni aun en caso de rotura Esto les permite ser transportadas y
manipuladas con seguridad otra gran ventaja de estas bateriacuteas respecto a las
bateriacuteas de plomo acido de vaso abierto es que eacutestas se pueden enviar por avioacuten
sin necesidad de ser transportadas secas como es el caso de las bateriacuteas de vaso
abierto que es necesario que sean activadas en el sitio con la adicioacuten del
electrolito sin embargo las bateriacuteas de celdas de gel cuestan maacutes por unidad de
capacidad [10 15]
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA tomada de MTEK Bateriacutea GEL
100Ah Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID44CatID11Defaultaspx
60
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM tomada de MTEK Bateriacutea AGM 12volts 150Ah
Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID53CatID10Defaultaspx
21212 Bateriacuteas alcalinas
Las bateriacuteas alcalinas como las bateriacuteas de niacutequel cadmio y niacutequel hierro tambieacuten
tienen placas negativas y positivas sumergidas en un electrolito que usualmente
es de hidroacutexido de potasio Cada celda de la bateriacutea tiene una tensioacuten nominal de
12 volts y el punto de terminacioacuten de carga es entre 165v y 18v por celda
Tienen una gran ventaja respecto a las bateriacuteas de plomo aacutecido y es su
independencia respecto a la temperatura lo que las hace ideales para trabajar a
temperaturas extremadamente friacuteas como -45ordmc o menos sin embargo son mucho
maacutes costosas (de 6 a 8 veces) que las de plomo aacutecido lo que las vuelve poco
viables para esta aplicacioacuten
A pesar que son bateriacuteas maacutes costosas que las bateriacuteas de plomo-aacutecido estas
pueden tener un costo operacional maacutes bajo debido a su larga vida uacutetil y al poco
mantenimiento que necesitan Sus caracteriacutesticas maacutes sobresalientes son su
capacidad para soportar sin dantildeo cargas y descargas excesivas asiacute como una
mayor profundidad de descarga (cerca del 100) tienen una mayor eficiencia con
baja temperatura ambiente y altas humedades y evitan problemas de sulfatacioacuten
de las placas o congelacioacuten del electrolito [10 15]
2122 Especificaciones de las bateriacuteas
Las bateriacuteas poseen especificaciones de placa que deben ser tenidas en cuenta
para el uso en aplicaciones fotovoltaicas Las maacutes importantes se explican a
continuacioacuten
21221 Capacidad de la bateriacutea
La capacidad de la bateriacutea es sin duda un aspecto importante de las bateriacuteas esta
se valora en los amperios hora que puedan almacenar Una manera anaacuteloga muy
faacutecil de explicar este paraacutemetro es comparaacutendolo con un balde con agua en
61
donde el agua es anaacuteloga a la energiacutea y la capacidad en Ah se representa con la
capacidad de almacenamiento de agua del balde
En teoriacutea los amperios hora son la capacidad para que una bateriacutea entregue (o
almacene) cierta cantidad de amperios en un tiempo especiacutefico Asiacute entonces una
bateriacutea de 100Ah puede suministrar 100 amperios en 1 hora o 50 amperios en 2
horas etc Antes de que la bateriacutea se considere descargada sin embargo muchos
factores pueden afectar la capacidad de la bateriacutea como el ritmo de descarga la
temperatura la eficiencia del inversor la eficiencia del regulador el tiempo de uso
de la bateriacutea entre otros
Es comuacuten que para un sistema fotovoltaico las cargas necesiten maacutes de una
bateriacutea para su funcionamiento a este conjunto de bateriacuteas se le conoce como
ldquobanco de bateriacuteasrdquo y la capacidad de este se deberaacute calcular en funcioacuten de las
cargas a alimentar y de los diacuteas de autonomiacuteas o diacuteas de respaldo en caso de
radiacioacuten miacutenima
Sobredimensionar el banco de bateriacuteas por conexioacuten de nuevas bateriacuteas para
aumentar la capacidad de almacenamiento del banco puede generar varios
problemas entre ellos el que las viejas bateriacuteas degraden el comportamiento de
las nuevas bateriacuteas a causa de que la resistencia interna de las celdas de las
bateriacuteas nuevas es mayor que el de las bateriacuteas viejas ademaacutes al conectar
muchas bateriacuteas aumenta la probabilidad de fallas debido a celdas defectuosas y
al sobredimensionar el arreglo de bateriacuteas respecto al arreglo fotovoltaico se
genera un estado de carga parcial entre las bateriacuteas que causa acortamiento de
vida uacutetil del banco reduccioacuten de la capacidad y aumento en la sulfatacioacuten Es por
estas razones que los fabricantes de bateriacuteas prohiacuteben antildeadir nuevas bateriacuteas a
un banco ya existente [15]
21222 Ritmo y profundidad de descarga
El ritmo a la que se descarga la bateriacutea afecta directamente su capacidad Si la
bateriacutea se descarga raacutepidamente hay menos capacidad disponible y si por el
contrario una bateriacutea se descarga lentamente tendraacute maacutes capacidad para
entregar Asiacute por ejemplo una bateriacutea de 2 voltios con una capacidad de 2500Ah
puede entregar 131A en 20 horas lo que seriacutea equivalente a 2620Ah y 446A en 5
horas lo equivalente a 2230Ah (Ver anexo 2 Especificaciones de fabricante
MTEK para bateriacutea modelo MT225000D Constant Current Discharge
Characteristics) Asiacute entonces se especifican bateriacuteas con la capacidad de la
bateriacutea respecto al nuacutemero de horas en que se descarga De esta forma si una
bateriacutea entrega una capacidad de almacenamiento debe especificar tambieacuten el
nuacutemero de horas en que se descarga Es comuacuten que los fabricantes valoren este
62
dato en 20 horas y lo especifiquen con un C20 sin embargo hay fabricantes que
especifican este dato en un C10
Teniendo en cuenta lo anterior existe un tiempo involucrado en la carga de las
bateriacuteas que debe ser tenido en cuenta por el arreglo fotovoltaico y es que si se
necesita con urgencia cargar el banco de bateriacuteas se necesitaran maacutes paneles
que puedan generar dicha energiacutea o si por el contrario existe una mayor tolerancia
en el tiempo de carga de la bateriacutea el arreglo no necesita mucha energiacutea extra a la
de las cargas para cargar el banco de bateriacuteas Esta variable se llama Tiempo de
recuperacioacuten del sistema y se trataraacute en la seccioacuten de ldquoparaacutemetros necesarios
para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomordquo
La profundidad de descarga (PDD por sus siglas en ingleacutes) se refiere a la
capacidad que puede obtenerse de una bateriacutea La mayoriacutea de los sistemas
fotovoltaicos estaacuten disentildeados para descargas regulares del 40 y 80 La vida
de la bateriacutea estaacute relacionada directamente con la profundidad del ciclo de la
bateriacutea Por ejemplo si una bateriacutea se descarga 50 cada diacutea esta duraraacute
alrededor del doble que si se descargara el 80 Las bateriacuteas de plomo aacutecido
nunca deben descargarse completamente aunque algunas bateriacuteas de ciclo
profundo pueden sobrevivir bajo estas condiciones su tensioacuten decreceraacute
continuamente Sin embargo las bateriacuteas de NiCd pueden descargarse totalmente
sin sufrir dantildeos y manteniendo su tensioacuten
Los bancos de bateriacuteas de poca profundidad que descargan bateriacuteas solo entre el
10 y el 20 tienen dos ventajas diferentes Primero es que se preserva la
duracioacuten de la bateriacutea como se muestra en la figura siguiente en donde a menor
profundidad de descarga mayor nuacutemero de ciclos la bateriacutea puede resistir y
segundo es que el sistema puede llegar a ser maacutes confiable debido a que se crea
una reserva de energiacutea que se puede usar en situaciones de clima criacuteticas Sin
embargo crear un banco con estas especificaciones puede ser demasiado
costoso debido a que involucrariacutea mayor nuacutemero de bateriacuteas asiacute entonces se
debe buscar una buena relacioacuten de costo- confiabilidad Es usual encontrar un alto
nuacutemero de ciclos y un banco relativamente econoacutemico trabajando a un 50 de
PDD
A continuacioacuten se muestra la relacioacuten PDD vs ciclos para una bateriacutea promedio
63
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea
Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
Los fabricantes de bateriacuteas especifican que la esperanza de vida de una bateriacutea
se mide en nuacutemero de ciclos Las bateriacuteas pierden capacidad con el tiempo y se
considera que han llegado al final de su vida uacutetil cuando han perdido el 20 de su
capacidad nominal
La anterior imagen muestra la relacioacuten existente entre el porcentaje de descarga
promedio y el nuacutemero de ciclos para una bateriacutea sellada de bajo costo Asiacute
entonces una bateriacutea de estas caracteriacutesticas con un uso de poca profundidad de
solo el 25 de PDD podriacutea durar cerca de unos 4000 ciclos mientras que una
bateriacutea con un uso de 80 de PDD solo podraacute durar unos 1500 ciclos
Los Ah de una bateriacutea se miden de acuerdo a la tensioacuten que esta tiene en sus
bornes es decir que si esta descargada mediraacute una tensioacuten por debajo de su
tensioacuten nominal y cuando es cargada por completo tendraacute una tensioacuten superior
Esta es la manera de medir el estado de carga de las bateriacuteas por parte de los
instrumentos de control de un sistema fotovoltaico de esta forma se logra
controlar el PDD para evitar descargas profundas y disminuir la esperanza de vida
de la bateriacutea [10 15]
21223 Condiciones ambientales
Las bateriacuteas son sensibles a la temperatura del entorno que las rodea y por tanto
es necesario tener en cuenta este factor La temperatura afecta la capacidad de
Ah que esta puede dar en general los fabricantes entregan la capacidad de la
bateriacutea a 25degc sin embargo la capacidad de esta decreceraacute a menores
temperaturas y aumentaraacute a mayores temperaturas Lo anterior respecto a la
capacidad de la bateriacutea lo contrario ocurre para la esperanza de vida o el nuacutemero
de ciclos que esta puede soportar en donde a temperaturas por encima de 25degc la
64
esperanza de vida disminuye y por debajo de los 25degc la esperanza de vida
aumenta La mayoriacutea de los fabricantes aseguran que hay una peacuterdida de vida del
50 por cada 15degF (83degc) que se incrementen por encima de los 77degF (25degc) de
temperatura estaacutendar de la bateriacutea
De esta forma se intenta que el banco de bateriacuteas sea ubicado en un lugar
ventilado y aislado por el peligro de explosioacuten que existe cuando las reacciones
quiacutemicas desechan hidroacutegeno pues este es explosivo y nocivo para la salud [10]
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacutea
Para medir un estado de carga de una bateriacutea es usual utilizar un voltiacutemetro
aunque tambieacuten se puede medir con un densiacutemetro midiendo la densidad del
electrolito este meacutetodo no es tan comuacuten por el costo del aparato de medicioacuten y
porque seriacutea imposible medir de esta forma la carga de una bateriacutea sellada tipo
GMA o tipo GEL asiacute entonces se adopta con mucha maacutes frecuencia medir la
tensioacuten en los bornes de las bateriacuteas en reposo es decir desconectarlas de las
fuentes y de las cargas por unas horas La tensioacuten obtenida por este meacutetodo
puede ser consultada con tablas anexas a los manuales de las bateriacuteas
suministradas por el fabricante aunque es comuacuten adoptar los siguientes valores
[10 36]
ESTADO DE CARGA TENSIOacuteN BATERIacuteAS TIPO VASO ABIERTO
100 128
75 125
50 122
25 119
0 116 Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea
213 Regulador de carga
La energiacutea solar tiene una naturaleza muy variable lo que causariacutea problemas a la
hora de disponer de ella directamente mediante un arreglo fotovoltaico para
suministrar energiacutea a equipos sensibles de tensioacuten y corriente es por esto que se
han desarrollado dispositivos que controlan en cierta forma la conversioacuten de
energiacutea solar a eleacutectrica Bajo esta premisa se han desarrollado los reguladores de
carga o controladores solares que para un sistema aislado intentan acoplar el
arreglo fotovoltaico con el banco de bateriacuteas adecuando de cierta forma la tensioacuten
y la corriente al banco de bateriacuteas para el correcto funcionamiento de este
evitando primordialmente sobrecargas y descargas profundas que pueden acortar
la esperanza de vida de las bateriacuteas La mayoriacutea de reguladores disponibles en el
65
mercado se instalan entre el arreglo fotovoltaico y las bateriacuteas tomando de estas
la energiacutea para su funcionamiento
Los reguladores de carga actuales poseen varios microcontroladores programados
para analizar el estado de carga de las bateriacuteas tensioacuten y corriente del arreglo con
el fin de tomar decisiones adecuadas para cargar las bateriacuteas de forma adecuada
algunos de estos poseen un bus de datos para proporcionar dicha informacioacuten al
usuario dando a conocer posibles problemas en el sistema
Asiacute entonces las prestaciones maacutes habituales de los reguladores de carga que se
usan en instalaciones solares autoacutenomas son las siguientes
Proteccioacuten contra sobrecarga del banco de bateriacuteas es la funcioacuten maacutes baacutesica del
regulador con la cual evita que la bateriacutea se caliente pierda agua el electrolito
(para bateriacuteas plomo-acido vaso abierto) y que las placas se oxiden
Alarma por tensioacuten de bateriacutea baja cuando la tensioacuten del banco de bateriacuteas
alcanza niveles bajos (especificados por el fabricante) significa que esta
descargado y corre peligro en caer en una descarga profunda Esta alarma
informa a los usuarios de este problema con el fin de que estos regulen su
consumo de energiacutea sin embargo esta no siempre es la solucioacuten lo que obliga al
regulador a desconectar las cargas mediante relees electromecaacutenicos
incorporados en el dispositivo con el fin de concentrar toda la energiacutea en el banco
de bateriacuteas y restablecer el suministro una vez superado el inconveniente [10]
Existen dos tipos de reguladores de carga para uso fotovoltaico reguladores con
modulacioacuten de ancho de pulso conocidos como reguladores PWM (Pulse Width
Modulation) y reguladores con seguimiento del maacuteximo punto de potencia
conocidos como reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking)
2131 Reguladores PWM
Los reguladores de carga solares PWM facilitan una conexioacuten directa desde el
panel solar hacia el banco de bateriacuteas proporcionando la tensioacuten necesaria para
que este se cargue siempre y cuando el arreglo fotovoltaico lo facilite Asiacute
entonces un regulador PWM ajusta niveles de tensioacuten de acuerdo a la tensioacuten
necesitada por el banco de bateriacuteas y este va a disminuyendo su tensioacuten de
acuerdo a la energiacutea que vaya almacenando esta condicioacuten genera que el arreglo
fotovoltaico no aproveche toda la potencia que puede generar y ser aprovechada
por las cargas es decir que este tipo de reguladores no garantiza operar en el
punto donde el arreglo fotovoltaico proporciona mayor cantidad de potencia este
punto se lo conoce con las siglas MPP (Maximun Power Point)
66
Un ejemplo tiacutepico es un sistema a 12V en donde se tiene una sola bateriacutea de
plomo aacutecido AGM que opera en un rango aproximado entre 10V y 15V
dependiendo del estado de carga un moacutedulo tiacutepico para cargar esta bateriacutea tiene
una tensioacuten Vmp = 17V asiacute entonces el regulador PWM se ve obligado a reducir
esta tensioacuten a un valor entre 10V y 15V para cargar la bateriacutea haciendo que el
panel no pueda aprovechar toda su capacidad
La siguiente imagen ilustra dicho comportamiento
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar tomada de MORNINGSTAR
Traditional PWM vs Morningstarrsquos TrakStartrade MPPT Technology Disponible en
httpwwwmorningstarcorpcomwp-contentuploads201404Morningstar-Corporation-Traditional-
PWM-vs-TrakStar-MPPT-Whitepaper-April-2013pdf
De esta forma se observa que con reguladores PWM entre mayor sea la diferencia
de la tensioacuten del arreglo fotovoltaico a la del banco de bateriacuteas menor seraacute el
aprovechamiento de energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico es decir que hay
energiacutea que se desperdicia bajo estas condiciones Esto puede ser aun peor
cuando la temperatura disminuye debido a que la tensioacuten aumenta y se
desperdicia auacuten maacutes energiacutea que con un regulador MPPT se podriacutea aprovechar
para cargar de una mejor manera las bateriacuteas y mejor suministro de energiacutea a las
cargas
Para el uso de un regulador PWM se recomienda tener en cuenta varios factores
por parte del arreglo fotovoltaico como verificar que la tensioacuten de circuito abierto a
bajas temperaturas (maacutexima tensioacuten de un arreglo fotovoltaico) del arreglo no
supere la tensioacuten maacutexima del regulador esto debido a que puede estropear su
funcionamiento y en peores casos dantildearlo de forma irreparable debido a que la
corriente generada por el arreglo fotovoltaico seraacute la misma a la salida del
67
regulador PWM es necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico (maacutexima corriente que un arreglo fotovoltaico puede generar) no
supere la corriente maacutexima que los fabricantes recomiendan esto puede generar
recalentamientos frecuente accioacuten de las protecciones y dantildeos en el dispositivo
de manera irreparable la tensioacuten de maacutexima potencia de un arreglo fotovoltaico
tambieacuten debe ser previamente verificada esta debe superar la tensioacuten maacutexima de
carga de las bateriacuteas de tal forma que el arreglo pueda proporcionar una carga
adecuada al banco sin embargo no debe sobrepasar demasiado dicha tensioacuten
debido a que se desperdiciariacutea mucha energiacutea y el sistema no seriacutea eficiente
Seguacuten esto algunos fabricantes recomiendan los siguientes casos
Sistemas de 12V Vmpgt 15V
Sistemas de 24V Vmpgt 30V
Sistemas de 36V Vmpgt 45V
Sistemas de 48V Vmpgt 60V
Con respecto a la magnitud de la tensioacuten Vmp el software PVSol recomienda que
la tensioacuten de la bateriacutea no debe ser menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo fotovoltaico (Vmp) [37 38]
2132 Reguladores MPPT
Los controladores MPPT poseen un algoritmo que busca la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo (Vmp) del arreglo fotovoltaico y asiacute lograr utilizar en casi su
totalidad la potencia que el arreglo fotovoltaico puede suministrar De esta manera
ya no es necesario buscar una configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que se acople
al banco de bateriacuteas ya que este regulador convertiraacute la diferencia de tensioacuten
entre el arreglo fotovoltaico y el banco de bateriacuteas en corriente asiacute entonces es
posible que la corriente que genere el arreglo fotovoltaico ya no sea la misma que
alimenta al banco de bateriacuteas y las cargas si no que sea mayor aprovechando la
potencia que el arreglo fotovoltaico puede generar por tanto la potencia de
entrada del regulador seraacute aproximadamente igual (debido a peacuterdidas normales de
cualquier dispositivo) a la salida de este
Los reguladores MPPT entonces pueden aprovechar la potencia extra (puede
llegar a ser mayor que en condiciones STC) del arreglo fotovoltaico cuando las
ceacutelulas alcancen temperaturas bajas (aumenta la tensioacuten y por tanto aumenta la
potencia)
Al igual que en los reguladores PWM los reguladores MPPT necesitan que el
arreglo fotovoltaico esteacute bien dimensionado para garantizar un ambiente adecuado
68
para el funcionamiento del regulador Como principal preocupacioacuten se debe tener
en cuenta la tensioacuten en circuito abierto del arreglo fotovoltaico a temperaturas
bajas debido a que eacutesta es la condicioacuten para la cual se logra la mayor tensioacuten que
el arreglo fotovoltaico puede alcanzar esta no debe ser mayor a la tensioacuten
maacutexima especificada por el fabricante del regulador No cumplir con la anterior
condicioacuten puede dantildear el regulador por efecto de una sobretensioacuten tambieacuten es
necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo fotovoltaico no sea
mayor a la que el fabricante entrega esta condicioacuten puede dantildear por efectos de
sobrecorriente el dispositivo Por uacuteltimo los fabricantes de reguladores MPPT
entregan un dato que especifica cuanta potencia el regulador puede transmitir al
banco de bateriacuteas y a las cargas se recomienda entonces que la potencia
fotovoltaica instalada del arreglo no sea mayor que la maacutexima potencia del
dispositivo No acatar dicho paraacutemetro no significa poner en riesgo el regulador
MPPT si no que eacuteste en esas condiciones no podraacute entregar toda la potencia
proporcionada por el arreglo fotovoltaico de esta forma el sistema perderaacute
eficiencia por tanto se evita esta situacioacuten en la etapa de disentildeo del arreglo
fotovoltaico
En la seccioacuten 2112 (Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar) se explica el
comportamiento que tiene la temperatura respecto la tensioacuten de un panel solar la
manera de relacionar estos dos paraacutemetros estaacute dada por el coeficiente de
temperatura especificado por el fabricante del moacutedulo (coefficient Temperature
Voc y comuacutenmente se expresa en K) este paraacutemetro entrega la informacioacuten
necesaria de coacutemo seraacute la tensioacuten del moacutedulo fotovoltaico bajo influencia de la
temperatura A continuacioacuten se explica coacutemo se debe calcular la maacutexima tensioacuten
de un arreglo fotovoltaico y un rango de tensioacuten de operacioacuten (Vmp) que es muy
uacutetil cuando se desea utilizar un regulador MPPT
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119900119888) 119875119904119890119903119894119890 120784 120783
119881119898iacute119899119898119901 = ((119879119898aacute119909 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120784
119881119898aacute119909119898119901 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120785
En donde
69
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119898iacute119899119898119901 tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura alta promedio
119881119898aacute119909119898119901 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura baja promedio
119879119898iacute119899 temperatura promedio miacutenima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119879119898aacute119909 temperatura promedio maacutexima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119862119900119890119891119905119890119898119901 coeficiente de temperatura en K especificado por el fabricante
119881119900119888 tensioacuten de circuito abierto especificada por el fabricante del moacutedulo
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia especificado por el fabricante
119875119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie
Los reguladores MPPT tienen un rango de seguimiento de tensioacuten donde el
regulador buscaraacute la tensioacuten de maacutexima potencia es decir que si el arreglo tiene
una tensioacuten que se encuentra dentro de este rango el regulador garantizara la
maacutexima potencia del arreglo es por esta razoacuten que es necesario conocer un
rango de tensioacuten de operacioacuten del arreglo en funcioacuten de la temperatura promedio
miacutenima y maacutexima de la zona donde se quiere instalar esto con el fin de buscar en
el mercado un regulador con rango de seguimiento que abarque el rango de
tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo (limitados por 119881119898119894119899119898119901 y 119881119898119886119909119898119901)
Aunque todo apunta a que son mayores las ventajas que entrega el regulador
MPPT respecto al regulador PWM no siempre es asiacute la principal desventaja que
tiene un regulador MPPT respecto a un regulador PWM es su costo y es que
resulta en promedio de tres a cuatro veces maacutes econoacutemico un regulador PWM
adicional a esto en ciertas aplicaciones las ventajas estudiadas anteriormente
pueden ser anuladas por el regulador PWM asiacute entonces en ocasiones resulta
maacutes conveniente un regulador PWM A continuacioacuten se nombran algunos casos
Aplicaciones de baja potencia (consumo de corriente baja) la mayoriacutea de
reguladores MPPT poseen una baja eficiencia a comparacioacuten de los reguladores
PWM cuando la carga es baja Esto podriacutea empeorar cuando este tipo de cargas
70
es de uso continuo Muchos fabricantes especifican las curvas de eficiencia de sus
dispositivos para informar al disentildeador acerca de la eficiencia
A continuacioacuten se muestra una curva caracteriacutestica de eficiencia de un regulador
MPPT
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT tomada de MORNINGSTAR Solar
Controller with Maximum Power Point Tracking Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Altas temperaturas Como se explicoacute anteriormente se observa un mejor
comportamiento de reguladores MPPT en temperaturas bajas debido al aumento
de la tensioacuten de maacutexima potencia (Vmp) Por el contrario cuando hay temperatura
media suficientemente alta la tensioacuten Vmp decrece ajustando sin necesidad de
seguimiento de punto de maacutexima potencia el arreglo fotovoltaico al banco de
bateriacuteas (disminuye la diferencia entre el Vmp del arreglo fv y del banco de
bateriacuteas) No seriacutea necesario utilizar un regulador MPPT en estas aplicaciones
Sistemas fotovoltaicos para consumo en el diacutea para cargas de uso en horas del
diacutea es comuacuten que la energiacutea del arreglo fotovoltaico se use directamente sin
necesidad de almacenarlas en bateriacuteas Esta situacioacuten hace que la energiacutea de las
bateriacuteas no sea comuacutenmente usada y por tanto que el banco de bateriacuteas no sea
muy frecuentemente cargado haciendo que la ventaja de recoleccioacuten de energiacutea
proporcionada por un regulador MPPT no sea necesaria [37]
214 Inversores autoacutenomos
Los inversores autoacutenomos se encargan de convertir la corriente continua del
arreglo fotovoltaico en corriente alterna que es maacutes faacutecil de transportar y se ha
convertido en el estaacutendar para los fabricantes de aparatos electroacutenicos comunes
71
Es por esto que los inversores juegan un gran papel en instalaciones fotovoltaicas
debido a que son el acople directo entre el sistema fotovoltaico y las cargas
adicional a esto las bateriacuteas solo pueden almacenar energiacutea en forma de corriente
directa lo que evidencia auacuten maacutes su importancia
Durante antildeos los constructores han usado diferentes tecnologiacuteas para convertir la
corriente continua de una fuente de baja tensioacuten en corriente alterna de mayor
tensioacuten Los primeros inversores usaban un transistor baacutesico para cambiar la
polaridad de la corriente continua de positivo a negativo cerca de 60 veces por
segundo creando una forma de onda cuadrada con gran cantidad de armoacutenicos
Fue entonces con la llegada de circuitos integrados maacutes sofisticados como
transistores de efecto de campo y transformadores de alta frecuencia que fue
posible la creacioacuten de inversores maacutes eficientes y ligeros que producen una forma
de ondas cercanas a una onda sinusoidal En lugar de convertir corriente directa
en alterna de 120VCA o 240VCA se usa un proceso multipasos digital en donde
se convierte la corriente continua en alterna de tensioacuten baja y alta frecuencia para
despueacutes elevar la tensioacuten con un transformador de alta frecuencia rectificarla en
una nueva etapa y convertirla nuevamente a tensioacuten y frecuencia requeridas [10]
2141 Clasificacioacuten de inversores
Existen tres tipos fundamentales de inversores autoacutenomos que se clasifican
baacutesicamente por su forma de onda Se explican a continuacioacuten
21411 Inversores de onda cuadrada
Estos inversores cambian la entrada de corriente directa en una salida de corriente
en funcioacuten de paso o ldquocuadradardquo alterna Estos brindan poco control de tensioacuten de
salida capacidad de sobretensioacuten limitada y una distorsioacuten armoacutenica considerable
Por tanto los inversores de forma de onda cuadrada son apropiados para
pequentildeas cargas de calentamiento por medio de resistencias algunos aparatos
eleacutectricos de bajo consumo y focos incandescentes Son inversores econoacutemicos y
tienen poco uso en el campo residencial
21412 Inversores de onda cuadrada modificada
Este tipo de inversores utiliza transistores de efecto de campo (FET) o
rectificadores de control de silicio (SCR) para cambiar la entrada de corriente
directa en salida de corriente alterna Este tipo de inversores pueden manejar
grandes sobretensiones y producir salidas con mucha menos distorsioacuten armoacutenica
debido a esto es adecuado para un mayor nuacutemero de cargas como algunos
motores televisores luces equipos de muacutesica etc
72
21413 Inversores de onda sinusoidal
Los inversores de onda sinusoidal se usan para operar aparatos electroacutenicos
sensibles que requieren una forma de onda de alta calidad Ellos son los
inversores maacutes comunes en las aplicaciones residenciales y tienen muchas
ventajas sobre los inversores de onda cuadrada modificada como tener una salida
con muy poca distorsioacuten armoacutenica que permite energizar los maacutes sensibles
aparatos electroacutenicos poseen una mayor capacidad de sobretensioacuten y son
capaces de arrancar muchos tipos de motores faacutecilmente [10 15]
La imagen siguiente muestra la forma de onda de los tres tipos de inversores
autoacutenomos caracteriacutesticos
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2142 Caracteriacutesticas de los inversores
Eficiencia la mayoriacutea de los inversores modernos convierten maacutes del 90 de la
corriente directa en la entrada en corriente alterna de salida Muchos fabricantes
de inversores aseguran una alta eficiencia sin embargo los inversores solo son
altamente eficientes cuando se utilizan en ciertos puntos de operacioacuten por tanto
es necesario saber cuaacutenta carga maacutexima alcanzaraacuten las cargas para escoger un
inversor adecuado La siguiente imagen muestra una curva tiacutepica de un arreglo
fotovoltaico
73
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor tomada de MORNINGSTAR Pure sine wave
inverter Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Peacuterdidas en espera o standby se refiere al consumo de energiacutea que un inversor
posee cuando no hay cargas en operacioacuten los inversores modernos poseen unas
muy bajas peacuterdidas por standby
Regulacioacuten de frecuencia la regulacioacuten de frecuencia de un inversor debe ser
capaz de manejar cualquier condicioacuten de entrada debido a que existen cargas
que son muy sensibles a esto Esta caracteriacutestica depende netamente de la
construccioacuten y la calidad del inversor
Potencia de salida de AC (Watt) los fabricantes de inversores disentildean el
dispositivo para cierta magnitud maacutexima de carga asiacute entonces es importante que
un inversor sea capaz de soportar la potencia pico de la demanda de lo contrario
el inversor puede sufrir recalentamiento y se veraacute obligado a accionar muy
frecuentemente las protecciones internas (si el fabricante las garantiza)
Tensioacuten de entrada DC la entrada de un inversor estaacute suministrada por el arreglo
fotovoltaico y por las bateriacuteas depende de la configuracioacuten del sistema cual es
dicha tensioacuten Es comuacuten que los sistemas fotovoltaicos sean de 12V 24V 36V o
48V y es obligatorio que la entrada a del inversor sea igual a la del sistema
Tensioacuten de salida AC es necesario hacer un estudio previo del tipo de cargas que
se piensan interconectar y saber que tensioacuten nominal manejan de acuerdo a esto
se escoge un inversor con tensioacuten de salida en AC que satisfaga dichas cargas
De lo contrario el suministro de energiacutea no se lograraacute de manera adecuada y el
inversor podriacutea sufrir dantildeos
74
Capacidad de sobretensioacuten la mayoriacutea de inversores son capaces de exceder
mayores cantidades de potencia por corto tiempo Esto puede ser un factor
importante para el arranque de motores que suelen consumir cerca de siete veces
su potencia nominal en el arranque [10 15]
22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
En la seccioacuten 15 se explica [28] y se evidencia que en Colombia existe una gran
necesidad de dimensionar de una manera adecuada los sistemas fotovoltaicos
debido a que cerca del 44 de los sistemas existentes tiene problemas para
funcionar o no funcionan A continuacioacuten se explica los paraacutemetros que se
necesitan conocer para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico
221 Estimacioacuten del consumo y carga
Con frecuencia la carga es el paraacutemetro que maacutes influye en el tamantildeo y costo de
un sistema fotovoltaico por esta razoacuten es necesario hacer un estudio adecuado
para determinar valores adecuados de carga el eacutexito de un disentildeo fotovoltaico
dependeraacute de esta variable
Aunque en teoriacutea se puede alimentar cualquier tipo de carga se intenta no
alimentar muchas resistencias que generen calor sobre todo si eacutestas tienen
mucho tiempo de uso como es el caso de sistemas de calentamiento de agua
calefaccioacuten hornos eleacutectricos etc Lo anterior se intenta evitar debido a la gran
potencia que necesitan para funcionar y por tanto pueden demandar un gran
consumo de energiacutea que puede encarecer el sistema fotovoltaico Sin embargo si
se dispone de los recursos suficientes y no existen otras opciones se puede llevar
a cabo el disentildeo y dimensionamiento
Por otra parte tambieacuten es necesario revisar las caracteriacutesticas eleacutectricas de cada
carga como es el caso de frecuencia nominal tensioacuten nominal potencia nominal
corriente en standby y distorsioacuten armoacutenica Esto con el fin de encontrar un inversor
que sea capaz de alimentar las cargas sin sufrir dantildeo alguno Asiacute mismo es de
suma importancia determinar el tiempo promedio en el cual van a estar en uso las
cargas en el diacutea esto con el fin de estimar un consumo promedio diario este
aspecto junto con la potencia nominal de cada carga determinaraacute el consumo
promedio diario
Asiacute entonces con este estudio se pretende estimar tres vectores
[119873] nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea energizar [119882] potencia en Watt nominal que necesitan los aparatos eleacutectricos que se desean energizar
75
[ℎ] estimacioacuten de tiempo en horas al diacutea que los aparatos eleacutectricos permanecen encendidos Con lo anterior se define un vector de consumo por grupo de aparatos [119862] cuyos elementos estaacuten en Whdia
[119862] = [
1198621
1198622
⋮119862119899
] = [
1198731 lowast 1198821 lowast ℎ1
1198732 lowast 1198822 lowast ℎ2
⋮119873119899 lowast 119882119899 lowast ℎ119899
] 120784 120786
Una vez encontrado [119862] se puede definir el consumo promedio diario y la carga
maacutexima de la siguiente forma
119860119888119879 = sum 119862119896
119899
119896=1
120784 120787
119875119879119860119862 = sum 119873119896 lowast 119882119870 120784 120788
119899
119896=1
En donde
119860119888119879 consumo promedio diario en wh
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda en w Como criterio de disentildeo de este trabajo se asumiraacute que todas las cargas se encuentran encendidas a una hora del diacutea esto con el fin de que el regulador en ninguacuten caso corra peligro de estar subdimensionado [10] 222 Recurso solar Para el disentildeo de un sistema fotovoltaico es necesario tener la estimacioacuten de la radiacioacuten mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior sobre un plano inclinado y orientado en cierta direccioacuten (depende del sitio donde se quiera hacer la instalacioacuten) En la seccioacuten 143 (modelos para estimar la radiacioacuten solar) se explican varios de estos El recurso solar es un factor indispensable para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico aislado en Colombia esta informacioacuten se puede encontrar en estaciones meteoroloacutegicas de aeropuertos o universidades que estudian fenoacutemenos ambientales sin embargo es difiacutecil tener con exactitud la radiacioacuten en un lugar determinado por efecto de topografiacutea y distancia a las estaciones meteoroloacutegicas Existen sitios web y programas que tienen informacioacuten de varias estaciones lo que puede facilitar el meacutetodo de interpolacioacuten y entregar un estimado
76
cercano de recurso solar disponible en el sitio donde se desea instalar el sistema fotovoltaico La importancia de encontrar una buena herramienta que calcule la radiacioacuten es que de esta depende la energiacutea que puede producir un arreglo fotovoltaico al estimar mal la radiacioacuten se corre el riesgo de sobreestimar el arreglo produciendo sistemas maacutes costosos de lo necesario o subestimarlo creando deacuteficit de energiacutea e inconformidad con el usuario Es comuacuten que las herramientas encargadas de calcular el recurso solar entreguen la radiacioacuten adquirida en cada uno de los meses del antildeo sin embargo para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico se necesita la radiacioacuten promedio mensual de cada uno de los meses esta se puede calcular con el producto punto entre la radiacioacuten mensual y el inverso punto a punto de vector de diacuteas en cada mes como se indica a continuacioacuten
= lowast [1
] 120784 120789
En donde
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo (desde enero a diciembre)
(kWhm2d)
radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (kWhm2)
diacuteas de cada mes (desde enero a diciembre) (d)
[1
] representa el resultado de invertir cada componente del vector
Como criterio de disentildeo de este trabajo se recomienda trabajar con la menor radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo estudiado esto con el fin de adoptar el peor escenario ambiental en el cual el sistema fotovoltaico va a generar energiacutea De esta forma se tiene
Γ = miacuten([]) 120784 120790 Donde
Γ radiacioacuten promedio diaria mensual maacutes baja del antildeo (kWhm2d) Para disentildeo de sistemas fotovoltaicos se maneja el concepto de ldquohoras solar picordquo y corresponde al nuacutemero de horas en las que cada metro cuadrado de superficie
captadora obtiene de modo constante 1000 119882 Este paraacutemetro relaciona los datos de placa del panel con el recurso solar disponible en la zona Si se quiere evaluar la energiacutea que el panel fotovoltaico puede producir
diariamente habraacute que conocer cuantas horas diarias con radiacioacuten de 1000wm2 estaraacute expuesto en el diacutea La manera de encontrar las horas solar pico del mes de
77
maacutes baja radiacioacuten consta del cociente entre la radiacioacuten promedio diaria mensual
maacutes baja y 1kWm2 de la siguiente forma
Hspico =Γ
1kWm2 120784 120791
Donde
Hspico horas solar pico del mes de maacutes baja radiacioacuten a lo largo del antildeo en (hd) 223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaico
La autonomiacutea de un sistema fotovoltaico es un paraacutemetro que modelaraacute el banco
de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico se refiere al nuacutemero de diacuteas en que un
sistema de bateriacuteas suministraraacute una carga determinada sin ser recargado por el
arreglo fotovoltaico u otra fuente
Las condiciones generales del clima determinan el nuacutemero de diacuteas con radiacioacuten
nula lo cual es una variable significativa para brindar un tiempo de autonomiacutea Sin
embargo este paraacutemetro es muy difiacutecil de determinar con exactitud en lugares
donde no se lleva un estudio estadiacutestico de la radiacioacuten solar lo que en lugares
alejados de estaciones climatoloacutegicas hace de este un paraacutemetro deductivo
Algunos autores recomiendan estudiar de las cargas si en verdad es criacutetico que la
carga opere en todo momento si la carga podriacutea ser cambiada o reemplazada por
alternativas maacutes eficientes y si la carga es simplemente una conveniencia [10 21]
Seguacuten lo anterior se puede dar un rango de autonomiacutea seguacuten la importancia de la
carga
1 De 2 a 3 diacuteas usos esenciales o sistemas con generador de respaldo
2 De 5 a 7 diacuteas para cargas criacuteticas sin ninguna otra fuente de energiacutea
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistema
Como se explicoacute en la seccioacuten 21221 (Ritmo y profundidad de descarga) se
necesita determinar un paraacutemetro que modele el tiempo que se requiere para
cargar las bateriacuteas despueacutes que se encuentren descargadas es decir con queacute
frecuencia se encontraraacute una serie de diacuteas con nula radiacioacuten en donde se
necesite tener cargado el banco de bateriacuteas
Este paraacutemetro al igual que el tiempo de autonomiacutea se deberiacutea calcular mediante
estudios estadiacutesticos de radiacioacuten solar en la zona donde se desea instalar el
sistema fotovoltaico sin embargo en un entorno como el de Colombia en donde
78
los sistemas fotovoltaicos estaacuten en auge se dificulta encontrar este paraacutemetro con
precisioacuten
El tiempo de recuperacioacuten del sistema relaciona el arreglo fotovoltaico con el
banco de bateriacuteas ya que cuando el banco este descargado el arreglo
fotovoltaico no solamente debe entregar energiacutea a las cargas si no al banco de
bateriacuteas y la energiacutea que invierta este en cargar el banco dependeraacute de cuaacutento
tiempo lo cargue Asiacute entonces por ejemplo el estudio estadiacutestico arroja que en
promedio existe un evento al mes en donde existiraacute una serie de diacuteas con mala
radiacioacuten el arreglo fotovoltaico deberaacute entonces cargar el banco de bateriacuteas
como miacutenimo 15 diacuteas de esta forma el arreglo deberaacute producir aparte de la
energiacutea que consuman las cargas la energiacutea suficiente para cargar el arreglo en
15 diacuteas [38]
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Una vez conocidos los paraacutemetros de disentildeo de un sistema fotovoltaico ya se
puede modelar el sistema A continuacioacuten se presenta el dimensionamiento del
banco de bateriacuteas y del arreglo fotovoltaico
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteas
El tamantildeo del banco de bateriacuteas dependeraacute baacutesicamente de los diacuteas de
autonomiacutea y el consumo promedio diario De la siguiente forma
119862119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120783120782
Donde
119862119887119886119899119888119900 capacidad del banco de bateriacuteas (Wh)
119863119886119900119906119905 diacuteas de autonomiacutea (d)
120578119894119899119907 eficiencia del inversor
120578119887119886119905 eficiencia de la bateriacutea
La eficiencias en el denominador modelan las peacuterdidas del inversor estudiadas en
la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) y la eficiencia de la bateriacutea
modela las peacuterdidas de las reacciones quiacutemicas que se desarrollan en las bateriacuteas
cuando se produce un ciclo de carga y descarga estudiada en la seccioacuten 21222
79
(Ritmo y profundidad de descarga) la eficiencia de bateriacuteas es usualmente
aproximada al 80 y del inversor usualmente se aproxima al 90 sin embargo
como se vio en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y carga) en donde se
especifica que el criterio de disentildeo para escoger el inversor dependeraacute
baacutesicamente de 119875119879119860119862 (Potencia maacutexima de demanda en W) conocido este valor
se puede encontrar la eficiencia especifica seguacuten la curva del fabricante
Ya con la capacidad del banco encontrada hace falta saber cuaacutenta energiacutea es
capaz de suministrar una sola bateriacutea especiacutefica aunque en teoriacutea cualquier
bateriacutea solar serviraacute el nuacutemero de estas dependeraacute de la capacidad de
almacenamiento que a su vez define el precio de la bateriacutea por tanto se intenta
que la energiacutea que suministra el banco de bateriacuteas no tenga valores muy
superiores al 119862119887119886119899119888119900 La ecuacioacuten que modela la capacidad de energiacutea que puede
entregar cada bateriacutea es
119864119887119886119905 = 119862119887119886119905 119897119894119898 119881119887119886119905 120784 120783120783
Donde
119864119887119886119905 energiacutea que puede suministrar una bateriacutea (Wh)
119862119887119886119905 capacidad de la bateriacutea especificada con el fabricante (Ah)
119897119894119898 liacutemite de descarga maacuteximo del banco de bateriacuteas
119881119887119886119905 tensioacuten nominal de la bateriacutea especificada por el fabricante (V)
El nuacutemero de bateriacuteas se define de acuerdo al cociente entre la capacidad del
banco y la energiacutea que puede entregar cada bateriacutea Como se muestra a
continuacioacuten
119873119887119886119905 = 119862119887119886119899119888119900
119864119887119886119905 120784 120783120784
Donde
119873119887119886119905 nuacutemero de bateriacuteas necesarias para la aplicacioacuten
Reemplazando las expresiones 210 y 211 en la 212 se tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120785
80
Sin embargo es muy difiacutecil que 119873119887119886119905 tome valores enteros lo que obliga a trabajar
con el entero maacutes proacuteximo superior debido a que se intenta garantizar como
miacutenimo los diacuteas de autonomiacuteas requeridos y no exceder el liacutemite de descarga
maacuteximo es aquiacute donde la energiacutea que una bateriacutea puede entregar juega un papel
importante debido a que es el uacutenico paraacutemetro ajustable (basta con cambiar la
bateriacutea con mayor o menor capacidad de Ah) esto con el fin de que la parte
decimal se aproxime tanto como se pueda al entero superior
Otra manera sencilla de saber el nuacutemero de bateriacuteas que dimensionan el banco
fotovoltaico es partir de la definicioacuten de cadenas y paralelos A continuacioacuten se
define dicha expresioacuten
119873119887119886119905 = 119861119886119905119904ℎ119906119899119905 119861119886119905119904119905119903119894119899119892 120784 120783120786
Doacutende
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 nuacutemero de cadenas en paralelo
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de bateriacuteas en serie
Analizando cada teacutermino tenemos
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 = 119881119900
119881119887119886119905 120784 120783120787
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119900 120784 120783120788
En donde la expresioacuten nuacutemero 15 muestra la relacioacuten de la tensioacuten con respecto al
nuacutemero de bateriacuteas en serie y la ecuacioacuten 16 muestra el nuacutemero de cadenas
necesarias para abastecer la demanda junto con las eficiencias de los dispositivos
que componen el sistema
Al reemplazar las expresiones 215 y 216 en la 214 y cancelando teacuterminos se
tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120789
En donde se comprueba que la expresioacuten 217 es igual a la expresioacuten 213
81
Aunque este es el nuacutemero de bateriacuteas necesario para satisfacer las necesidades
de la demanda teniendo en cuenta el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y llevando las
bateriacuteas a liacutemites de descarga ajustados previamente no necesariamente es el
nuacutemero definitivo de bateriacuteas debido a que el banco de bateriacuteas define la tensioacuten
del sistema el problema ocurre cuando el nuacutemero de bateriacuteas en serie que a su
vez ajusta la tensioacuten del sistema (comuacutenmente 12v 24v 36v o 48v) no es
divisible exactamente por el nuacutemero de bateriacuteas haciendo obligatorio ajustar
nuevamente el nuacutemero de bateriacuteas Un ejemplo tiacutepico es presentado cuando el
estudio arroja 5 bateriacuteas necesarias de 12 v cada una para trabajar a 24v es
necesario conectar cadenas de dos bateriacuteas en serie sin embargo es imposible
conectar todas estas bateriacuteas para esta configuracioacuten debido a que 5 no es
divisible exactamente entre dos una opcioacuten podriacutea ser usar 4 bateriacuteas sin
embargo esto iriacutea en contra del disentildeo debido a que el banco es maacutes pequentildeo del
nuacutemero calculado esta circunstancia podriacutea violar el liacutemite de descarga y los diacuteas
de autonomiacutea planteados la manera de solucionar este problema es ajustar a 6 el
nuacutemero de bateriacuteas de esta forma no se violan los paraacutemetros del disentildeo y se
genera un sistema auacuten maacutes confiable [10 15 21]
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaico
Es muy comuacuten que se modele el banco de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico como
dos fuentes de energiacutea diferentes en donde el arreglo fotovoltaico se modela de
acuerdo al consumo y recurso solar y el banco de bateriacuteas uacutenicamente al consumo
y tiempo de autonomiacutea sin embargo esta suposicioacuten no es del todo cierta debido
a que se debe tener en cuenta la energiacutea que el arreglo fotovoltaico invierte al
cargar las bateriacuteas y entregar energiacutea a las cargas es por esta razoacuten que en este
proyecto se propone que el arreglo fotovoltaico siacute tenga relacioacuten con el banco de
bateriacuteas y a continuacioacuten se explicaraacute coacutemo hacerlo
Se desea entonces un arreglo fotovoltaico que cargue el banco de bateriacuteas
anteriormente modelado y entregue energiacutea durante el diacutea a las cargas que esteacuten
encendidas La siguiente expresioacuten modela dicha suposicioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119864119888119900119899119904119906119898119900 + 119864119887119886119899119888119900 120784 120783120790
De esta forma se asegura que el modelamiento sea adecuado
Expandiendo cada teacutermino se tiene que
119864119888119900119899119904119906119898119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 120784 120783120791
82
La eficiencia del inversor debe ser tomada en este estudio debido a que modela
las peacuterdidas de operacioacuten de eacuteste y que el arreglo fotovoltaico tambieacuten debe tener
en cuenta
Para modelar la energiacutea que consumen las bateriacuteas se tiene en cuenta la energiacutea
que consume el banco de bateriacuteas involucrando el tiempo de recuperacioacuten del
sistema este deberaacute ser inversamente proporcional a la potencia que suministra el
arreglo fotovoltaico debido a que si este paraacutemetro aumenta el arreglo fotovoltaico
tendraacute maacutes tiempo de recargar las bateriacuteas con lo que probablemente disminuya
su tamantildeo Asiacute entonces se presenta dicha expresioacuten
119864119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
120578119887119886119905 119879119903119890119888 120784 120784120782
Reemplazando la expresioacuten 17 en la 20 tenemos
119864119887119886119899119888119900 = 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
119879119903119890119888
119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120784120782119938
Cancelando teacuterminos 119897119894119898 119862119887119886119905 y 119881119887119886119905 se obtiene
119864119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120783
Asiacute entonces se observa que al aumentar el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea del
sistema aumenta la capacidad de almacenamiento haciendo que tambieacuten exista
un mayor consumo para cargar las bateriacuteas por parte del arreglo fotovoltaico y que
al disminuir el tiempo de recuperacioacuten del sistema se necesitaraacute maacutes potencia
para cargar las bateriacuteas por tanto aumentaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico
De esta forma se pueden reemplazar las expresiones 221 y 219 en la 218
119864119886119903119903119890119892119897119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120784
Esta ecuacioacuten muestra la energiacutea que deberaacute entregar un arreglo fotovoltaico sin
embargo hay que referir esta energiacutea al recurso solar disponible para saber
cuaacutenta potencia fotovoltaica es necesaria Asiacute entonces la energiacutea que puede
83
suministrar un arreglo fotovoltaico seraacute igual al resultado del producto de las horas
solar pico (que en este trabajo seraacute la promedio del peor mes) por la potencia
fotovoltaica necesaria o calculada para la aplicacioacuten
A continuacioacuten se presenta la expresioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 120784 120784120785
119875119865119907119888 potencia fotovoltaica necesaria
Reemplazando la expresioacuten 23 en la 22 tenemos
119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 = 119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120785119938
Despejando potencia fotovoltaica necesaria se tiene
119875119865119907119888 = 119860119888119879
119867119904119901119894119888119900 120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119867119904119901119894119888119900 119879119903119890119888 120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120786
La ecuacioacuten 24 modela la potencia calculada para un sistema fotovoltaico la
manera de encontrar el nuacutemero de paneles especiacuteficos para una aplicacioacuten seraacute el
resultado del cociente entre la potencia fotovoltaica necesaria y la potencia que un
panel fotovoltaico puede entregar bajo las STC como se muestra a continuacioacuten
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120784 120784120787
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Sin embargo se presenta el mismo problema que con el banco de bateriacuteas y es
que 119873119901119886119899119890119897119890119904 tomaraacute valores que muy probablemente no seraacuten enteros por tanto
se debe aproximar este valor siempre al nuacutemero entero maacutes cercano superior
Depende entonces de la potencia del panel solar que se escoja para la aplicacioacuten
el nuacutemero de paneles solares que se necesiten [10 15 21]
De esta forma se ha planteado una manera de dimensionar sistemas fotovoltaicos
relacionando el tiempo de carga de las bateriacuteas y el tiempo de autonomiacutea que
84
seraacuten escogidos de acuerdo a las caracteriacutesticas de las cargas y recurso solar Un
disentildeo que considere estos dos paraacutemetros de manera acertada puede dar como
resultado un sistema fotovoltaico capaz de suministrar energiacutea en ambientes
criacuteticos
85
Capiacutetulo 3
SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Los sistemas fotovoltaicos interactivos con la red de servicio puacuteblico tienen como
propoacutesito suministrar energiacutea a un conjunto de cargas de forma total o parcial con
energiacutea proveniente del sol comuacutenmente son instalados en edificios comerciales o
en casas con acceso al servicio puacuteblico de energiacutea eleacutectrica Los avances
tecnoloacutegicos en los inversores interactivos con la red eleacutectrica han facilitado la
interconexioacuten de arreglos fotovoltaicos a la red haciendo que la energiacutea que
generen sea aprovechada principalmente por las cargas y el excedente de esta
seraacute ldquoempujadardquo a la red puacuteblica aunque en Estados Unidos y algunos paiacuteses de
Europa esta energiacutea empujada es remunerada por parte de las electrificadoras
mediante medidores de energiacutea que permiten el giro inverso en Colombia auacuten no
existe una legislacioacuten que respalde a los sistemas interconectados a la red por
esta razoacuten en un contexto como el de Colombia se intenta que el arreglo
fotovoltaico suministre energiacutea parcialmente a las cargas esto con el intento de no
inyectar energiacutea a la red y evitar sanciones a causa de desequilibrar la red de
distribucioacuten [15]
A continuacioacuten se da a conocer el funcionamiento de un sistema fotovoltaico
interactivo con la red
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Existen dos tipos de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red
1 Sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
2 Sistema interconectado a red con respaldo de bateriacuteas
Los sistemas interactivos con la red de servicio puacuteblico sin respaldo de bateriacuteas
solo constan de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red este
tipo de inversores son disentildeados para interrumpir la conexioacuten a la red del sistema
fotovoltaico cuando el suministro de energiacutea de la red falla esto con el fin de
despejar la falla y evitar problemas operativos en la red de distribucioacuten Los
sistemas fotovoltaicos con respaldo de bateriacuteas constan de un arreglo fotovoltaico
un inversor interactivo con la red capaz de cargar un banco de bateriacuteas este
sistema es capaz de suministrar energiacutea durante el tiempo de autonomiacutea para el
cual el banco fue disentildeado cuando la red de servicio puacuteblico falla sin embargo
para estos sistemas la red de distribucioacuten debe tener un sistema de proteccioacuten
adecuado con el fin de que el banco de bateriacuteas no alimente la falla existente en la
86
red Es por esta razoacuten que en este trabajo de grado se haraacute especial eacutenfasis en
sistemas sin respaldo de bateriacuteas debido a que pueden llegar a ser los maacutes
cercanos a la realidad del entorno Colombiano
A continuacioacuten se analizan las caracteriacutesticas por separado de los sistemas
interconectados a la red con respaldo de bateriacuteas y sin respaldo de bateriacuteas
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
Entre las ventajas y desventajas de un sistema interconectado a red sin respaldo
de bateriacuteas se encuentran disminucioacuten del consumo de energiacutea proveniente del
servicio puacuteblico ausencia de un sistema ininterrumpido de energiacutea en el caso de
falla de la red instalacioacuten simple alta eficiencia y no brindar oportunidades de
administrar la energiacutea
Los sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas constan
de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red El arreglo
fotovoltaico tiene caracteriacutesticas muy similares a un sistema autoacutenomo con la
diferencia de que estos arreglos no van a tener en cuenta la carga de un banco de
bateriacuteas y tienen la posibilidad de suministrar parte del consumo de las cargas A
continuacioacuten se da a conocer las caracteriacutesticas operativas de un inversor
interconectado a la red sin respaldo de bateriacuteas
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteas
La mayoriacutea de los inversores conectados a la red no utilizan un banco de
bateriacuteas por el contrario se conectan directamente con la red de servicio puacuteblico
utilizando esta fuente como un sistema de respaldo Cuando existen condiciones
ambientales para generar energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico el inversor
debe transformar y utilizar esta energiacutea para satisfacer el consumo sin embargo si
la generacioacuten de energiacutea es mayor a la del consumo el inversor suministraraacute la
energiacutea necesaria a las cargas y el exceso lo empujaraacute a la red puacuteblica aunque se
espera que en un futuro Colombia tenga una legislacioacuten que respalde a los
sistemas fotovoltaicos interconectados a la red por el momento no existe por
tanto no es posible vender este exceso de energiacutea lo que afecta netamente el
tiempo de recuperacioacuten de la inversioacuten por esta razoacuten se intenta disentildear un
arreglo fotovoltaico que suministre una parte del consumo para evitar la inyeccioacuten
de energiacutea que no seraacute remunerada El inversor interactivo con la red debe ser
capaz de alimentar las cargas tomando la energiacutea del arreglo fotovoltaico y la
energiacutea de la red puacuteblica a la vez de esta forma se reduce el consumo de energiacutea
por parte de la red puacuteblica produciendo un ahorro en funcioacuten de la energiacutea que es
capaz de suministrar el arreglo Durante la noche o las horas del diacutea donde la
radiacioacuten sea miacutenima toda la energiacutea provendraacute de la red puacuteblica de esta forma
87
el inversor interactivo con la red deberaacute ser capaz de atender cualquiera de los
anteriores casos [1015 21]
A continuacioacuten se daraacute a conocer los paraacutemetros para dimensionar un inversor
adecuado para las necesidades de una instalacioacuten fotovoltaica interconectada a
red sin respaldo de bateriacuteas
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo
de bateriacuteas
Existen varias caracteriacutesticas que los fabricantes de inversores especifican en sus
hojas de datos que es necesario conocer antes de adquirir alguacuten tipo de inversor
A continuacioacuten se dan a conocer varias de estas
Potencia de entrada del inversor al calcular un arreglo fotovoltaico para un
sistema interconectado a la red el tamantildeo del arreglo estaraacute determinado para
que cumpla con el suministro total o parcial del consumo presupuesto del cliente y
limitaciones de espacio Una vez determinado el tamantildeo del arreglo el inversor
deberaacute soportar el paso de potencia del arreglo fotovoltaico por ende se busca
que la potencia fotovoltaica instalada nunca sea mayor a la especificada por el
fabricante del inversor Tambieacuten se debe tener en cuenta que si se desea expandir
en un futuro la capacidad del arreglo el inversor sea capaz de soportar dicha
expansioacuten de potencia fotovoltaica instalada
Seguidor de punto de maacutexima potencia como se analizoacute en la seccioacuten 2132
(Reguladores MPPT para sistemas autoacutenomos) se intenta que el arreglo
fotovoltaico opere siempre en el punto de maacutexima potencia en la actualidad todos
los inversores interconectados a la red tienen esta caracteriacutestica con el fin de
aprovechar la maacutexima potencia que pueda entregar el arreglo fotovoltaico [10]
Tensioacuten de entrada la mayoriacutea de los inversores interconectados a red poseen
una ventana de tensioacuten que especifica el rango de operacioacuten en donde el inversor
funcionaraacute de manera adecuada Para estar dentro de esa ventana el arreglo
fotovoltaico debe estar interconectado de una manera especiacutefica Debido a que
usualmente las ventanas de tensioacuten de los inversores estaacuten entre 75V y 600V la
configuracioacuten deberaacute tener muacuteltiples moacutedulos en serie para alcanzar dicha tensioacuten
(generalmente mayor a la de los sistemas aislados) sin embargo como se estudioacute
en la seccioacuten 2132 (REGULADORES MPPT) en donde se analiza relacioacuten entre
la tensioacuten de los moacutedulos y la temperatura el disentildeo debe tener en cuenta la
temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima con el fin de
evitar que la tensioacuten maacutexima del arreglo (calculada con la temperatura miacutenima
promedio) y la tensioacuten miacutenima del arreglo (calculada con la temperatura maacutexima
promedio) salgan de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante Si el
88
arreglo fotovoltaico alcanza una tensioacuten tan baja que sale de la ventana de tensioacuten
del inversor se apagaraacute por otro lado si un arreglo fotovoltaico alcanza una
tensioacuten tal que supere el maacuteximo de la ventana de tensioacuten del arreglo el inversor
podriacutea estar en peligro potencial de dantildeo Por tanto es importante calcular de una
manera adecuada la tensioacuten maacutexima y miacutenima de un arreglo fotovoltaico que
dependeraacute del nuacutemero de paneles en serie y sus caracteriacutesticas eleacutectricas con el
fin de encontrar un inversor adecuado para la aplicacioacuten [10 36]
Seguacuten lo anterior
119881119898119901119901119905119898119894119899 le 119881119898iacute119899119898119901 120785 120783
119881119898119901119901119905119898119886119909 ge 119881119898aacute119909119898119901 120785 120784
En donde
119881119898119901119901119905119898119894119899 liacutemite inferior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119901119901119905119898119886119909 liacutemite superior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119894119899119898119901 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio maacutexima (ver ecuacioacuten 22)
119881119898119886119909119898119901 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio miacutenima (ver ecuacioacuten 23)
Tensioacuten maacutexima la tensioacuten maacutexima que deberaacute soportar el inversor interactivo
con la red se produce por parte del arreglo fotovoltaico en condiciones de circuito
abierto y temperatura promedio miacutenima
Se debe tener en cuenta dicha tensioacuten en el disentildeo del arreglo fotovoltaico con el
fin de que el inversor no sufra dantildeos por sobretensioacuten bajo estas condiciones
Seguacuten lo anterior se debe garantizar que
119881119894119899119907119898aacute119909 ge 119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 120785 120785
119881119898119886119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119894119899119907119898119886119909 tensioacuten maacutexima del inversor especificada por el fabricante
Tensioacuten de salida la tensioacuten de salida de los inversores es especificada por el
fabricante y su uso dependeraacute netamente de las caracteriacutesticas operativas de la
89
carga Para un entorno como el de Colombia es comuacuten que las cargas esteacuten
alimentadas a 120V (sistema monofaacutesico bifilar o sistema trifaacutesico tetrafilar) 240V
(sistema monofaacutesico trifilar) 208V (sistema trifaacutesico trifilar) y en algunos casos
hasta 480V Por esta razoacuten es necesario que se haga un estudio de tensioacuten
frecuencia y secuencia (en el caso de un sistema trifaacutesico) de la red disponible a la
que se va a interconectar el inversor aunque existen algunos inversores que son
capaces de acoplarse a cualquier tipo de red es recomendable hacer un estudio
previo de la misma y verificar con los datos teacutecnicos del inversor si es posible su
conexioacuten antes de adquirirlo [10 21]
Proteccioacuten de fallo a Tierra la mayoriacutea de fabricantes de inversores especifican la
proteccioacuten del dispositivo que en caso de producirse un cortocircuito parte del
flujo eleacutectrico se derive a Tierra
Proteccioacuten para sobrecorriente en DC y AC algunos inversores traen incorporados
sistemas de proteccioacuten tanto a la entrada (lado de DC) como a la salida (lado de
AC) sin embargo los fabricantes exigen incorporar protecciones externas para
cuando sea necesario desconectar el inversor y como respaldo a las protecciones
internas
Cubierta resistente a la intemperie la mayoriacutea de los inversores interconectados a
red se disentildean para instalaciones al aire libre y por tanto deben tener cubiertas
adecuadas para estos ambientes
Existen varias ventajas con los sistemas interconectados a la red entre ellas
Economiacutea para cargas con consumo grande depender uacutenicamente de sistemas
fotovoltaicos puede llegar a ser muy costoso sobre todo al disentildear un banco de
bateriacuteas capaz de respaldar la carga durante un periodo largo de operacioacuten o para
horas en el diacutea donde la radiacioacuten solar sea miacutenima Para este tipo de sistemas un
sistema interconectado a red puede resultar maacutes econoacutemico debido a que puede
usar como respaldo la red puacuteblica existente
Bajo costo inicial disentildear un sistema fotovoltaico para abastecer la totalidad del
consumo puede llegar a ser muy costoso sin embargo existe la posibilidad de
hacer una inversioacuten pequentildea que conste de un arreglo fotovoltaico pequentildeo y un
solo inversor maacutes adelante se podraacuten agregar maacutes moacutedulos a medida que el
inversor lo permita Algunos fabricantes de inversores fabrican inversores de
cadenas muacuteltiples (multistring) son capaces de interconectar varios arreglos
fotovoltaicos a la vez esta tambieacuten podriacutea ser una buena opcioacuten si lo que se
desea es aumentar la capacidad fotovoltaica instalada en un futuro
90
Incremento de la confiabilidad al tener dos sistemas de generacioacuten de energiacutea
independientes hay una confiabilidad mayor en un sistema interconectado a la red
que en un sistema autoacutenomo Si se antildeade un banco de bateriacuteas la confiabilidad es
auacuten mayor sin embargo la eficiencia del sistema disminuye debido a que las
bateriacuteas involucran peacuterdidas de almacenamiento gracias a las reacciones
quiacutemicas en el almacenamiento de energiacutea
Flexibilidad de disentildeo debido a que el servicio puacuteblico brinda una fuente de
energiacutea permanente el sistema fotovoltaico puede disentildearse seguacuten el
presupuesto y los deseos del propietario
Facilidad de interconexioacuten los avances en la tecnologiacutea de los inversores han
logrado que sea relativamente faacutecil el acoplo de los arreglos fotovoltaicos a la red
puacuteblica estos son capaces de cumplir con el sincronismo de fase secuencia y
frecuencia para que un sistema de generacioacuten pueda interconectarse a la red [10
15]
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS
El sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas es un sistema
relativamente simple debido a que solo consta de dos elementos fundamentales
el arreglo fotovoltaico y el inversor interconectado a red Sin embargo se necesitan
varios paraacutemetros para un correcto dimensionamiento de ambos elementos
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a red En la seccioacuten 222 (Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para
dimensionamiento de un sistema autoacutenomo) se explicoacute la importancia de tener una
informacioacuten acertada acerca de la radiacioacuten solar en el lugar donde se desea
instalar el arreglo fotovoltaico todo lo hablado en esta seccioacuten es totalmente
aplicable a este tema debido a que el arreglo fotovoltaico es muy similar al de este
caso sin embargo los criterios de dimensionamiento cambian draacutesticamente
debido a que para el dimensionamiento se va a necesitar la informacioacuten de
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo es decir el vector resultado del
producto punto entre el vector de radiacioacuten mensual de cada mes durante un antildeo
y el resultado de invertir cada componente del vector de diacuteas de cada mes (ver
ecuacioacuten 120784 120789) asiacute entonces partiendo de esta expresioacuten se obtiene el vector de
horas solar pico de la siguiente forma [10 15]
119919119956119953119946119940119952 =
1kWm2 120785 120786
91
En donde
119919119956119953119946119940119952 vector horas solar pico a lo largo del antildeo (hd)
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo desde enero a diciembre
(kWhm2119889) A diferencia de los sistemas autoacutenomos en donde se usa uacutenicamente la hora solar pico del mes de la radiacioacuten maacutes baja del antildeo el sistema interconectado a red deberaacute trabajar con toda la informacioacuten de radiacioacuten existente mes a mes Por esta razoacuten se trabajaraacute con el vector completo de horas solar pico [10 15 21] 322 Estudio del consumo anual Debido a que se busca disentildear un arreglo fotovoltaico que produzca un porcentaje de la energiacutea necesaria del consumo mes a mes es necesario conocer el consumo mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior al mes en donde se desea hacer la instalacioacuten del sistema fotovoltaico La manera maacutes sencilla de encontrar estos datos es hacer seguimiento mes a mes a las facturas de energiacutea proporcionadas por la electrificadora encargada del suministro de energiacutea en la zona Para tener en cuenta esta informacioacuten es necesario organizar los datos obtenidos en la premisa anterior de enero a diciembre debido a que se busca relacionar el consumo con el recurso solar correspondiente del mes sin importar si no corresponde a un orden cronoloacutegico es decir si se necesita conocer el consumo mensual de abril del 2013 a marzo de 2014 los meses se organizaraacuten iniciando con enero de 2014 lo relevante es el orden de los meses no el antildeo al que estos pertenezcan Para este trabajo se conoceraacute esta informacioacuten previamente organizada con un
vector [10]
consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente 323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Como se explicoacute en la seccioacuten 312 (Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas) el dimensionamiento del arreglo fotovoltaico interconectado a red dependeraacute de cuanta incidencia tenga el sistema fotovoltaico a las cargas Usualmente se caracteriza mediante un porcentaje del consumo dependiendo de queacute tan grande sea este porcentaje y que recurso solar exista en la zona dependeraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico por esta razoacuten este paraacutemetro se ve muy influenciado con el presupuesto del que se disponga para el proyecto fotovoltaico A mayor porcentaje de consumo anual mayor seraacute la potencia fotovoltaica calculada y seraacute maacutes probable la inyeccioacuten de energiacutea a la red que no seraacute remunerada
92
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblico En la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) en donde se habla de la eficiencia de un inversor autoacutenomo se acoge el mismo concepto para los sistemas interconectados a red en donde la eficiencia dependeraacute de la potencia de consumo de las cargas [10] 33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS El meacutetodo para modelamiento de un sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas consta de encontrar la potencia fotovoltaica necesaria para producir el porcentaje de energiacutea requerido partiendo del recurso solar disponible en la zona y del consumo de energiacutea Una vez encontrado este dato se busca un inversor capaz de soportar la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico con el fin de garantizar un funcionamiento adecuado 331 Modelamiento del arreglo fotovoltaico Con el recurso solar disponible consumo de energiacutea durante el uacuteltimo antildeo y el porcentaje de energiacutea de incidencia del arreglo fotovoltaico se calcula el tamantildeo del arreglo fotovoltaico En principio se debe calcular la energiacutea que el sistema fotovoltaico deberaacute suministrar de acuerdo al porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar [10] De la siguiente forma
119916119943119959 = 119864119891119907
100 120785 120787
En donde
119916119943119959 energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes (Kwhmes) consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (kWhmes) 119864119891119907 porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar
Una vez calculada la energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes se calcula el promedio diario en Wh de la energiacutea que el arreglo fotovoltaico deberaacute producir De la siguiente forma [1015 21]
119916119943119959119941119946119938 = (
1000119882ℎ
1119896119882ℎ 119916119943119959 ) lowast [
1
] 120785 120788
93
119916119943119959119941119946119938 energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar (Whd)
diacuteas de cada mes del antildeo Una vez calculada la energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar se calcula el vector de potencia fotovoltaica calculada de la siguiente forma
119927119943119959119914 = (
119916119943119959119941119946119938
120578119894119899119907100) lowast [
1
119919119956119953119946119940119952 ] 120785 120789
119927119943119959119914 potencia fotovoltaica calculada mes a mes
Debido a que no existe relacioacuten alguna entre el consumo de energiacutea y el recurso solar y son dos paraacutemetros netamente variables es imposible suministrar exactamente el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar mes a mes es por esta razoacuten que se busca un arreglo fotovoltaico que al antildeo suministre en promedio este porcentaje De esta forma el promedio de los
componentes de 119927119943119959119914 seraacute la potencia fotovoltaica necesaria para suministrar el
porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Asiacute entonces
119875119891119907119862119886119897119888119906119897119886119889119886 = 119901119903119900119898119927119943119959119914 120785 120790
Ya encontrado dicho paraacutemetro se puede encontrar el nuacutemero de paneles solares teniendo en cuenta la potencia especificada por el fabricante de manera anaacuteloga a la ecuacioacuten 225 del anterior capiacutetulo
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120785 120791
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Debido a que el nuacutemero de paneles de un arreglo fotovoltaico solo podraacute tomar valores enteros usualmente el paraacutemetro 119873119901119886119899119890119897119890119904 de la expresioacuten anterior deberaacute
ser aproximado al entero maacutes proacuteximo superior (solo si la expresioacuten anterior toma un valor no entero) con el fin de que nunca se produzca menor energiacutea de la especificada por el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado anteriormente De esta forma la aproximacioacuten dependeraacute de la
94
potencia en condiciones estaacutendar del moacutedulo a utilizar (STC por sus siglas en ingleacutes) Este nuacutemero de moacutedulos seraacute capaz de suministrar el porcentaje de consumo especificado con el estudio de cargas y con el presupuesto del proyecto con el nuacutemero de paneles especificados se puede conocer la potencia fotovoltaica instalada resultado del producto entre el nuacutemero de paneles y la potencia que cada panel puede suministrar bajo las STC [10] Asiacute entonces la potencia fotovoltaica instalada seraacute
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 = 119875119898119901119901 119873119901119886119899119890119897119890119904 120785 120783120782
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 potencia fotovoltaica instalada 119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Este paraacutemetro puede dar un indicio de la capacidad que debe tomar el inversor interactivo con la red eleacutectrica debido a que seraacute la potencia que en un instante dado bajo condiciones ambientales adecuadas puede suministrar el arreglo fotovoltaico al consumo Asiacute entonces se debe procurar que
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 le 119875119868119899119907 120785 120783120783
119875119868119899119907 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Violar la expresioacuten anterior no afectaraacute la esperanza de vida ni el funcionamiento del inversor debido a que la potencia fotovoltaica nominal del inversor especifica cuanta potencia es capaz de transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y a la red si el arreglo fotovoltaico produce maacutes potencia simplemente el inversor no la aprovecharaacute para el consumo Sin embargo se evita en la etapa de disentildeo este tipo de problemas debido a que produce sistemas poco eficientes Una vez especificado la potencia fotovoltaica instalada del arreglo se puede calcular cuanta energiacutea puede producir dicho arreglo mes a mes Para ello se debe evaluar el comportamiento del arreglo fotovoltaico con el vector de Horas Solar Pico como se muestra en la siguiente expresioacuten [10]
120643119943 119946 = 119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 (120578119894119899119907100) (
1119896119882
1000119882) 119919119956119953119946119940119952 lowast 120785 120783120784
120643119943 119946 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico mes a mes
De esta forma se puede analizar mes a mes la produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico seguacuten el recurso solar disponible La suma de las componentes de
95
este paraacutemetro representaraacute la energiacutea total que se puede producir en un antildeo de operacioacuten del sistema Seguacuten lo anterior se tiene
120585119891119886ntilde119900 = sum 120643119943 119946 120785 120783120785
12
119894=1
120585119891119886ntilde119900 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico anual
Debido a la aproximacioacuten al entero mayor maacutes proacuteximo especificada en la ecuacioacuten 39 se puede esperar que la produccioacuten energeacutetica anual del sistema fotovoltaico sea mayor a la calculada seguacuten el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado al principio de los caacutelculos Cabe aclarar que entre menor sea el ajuste en dicha expresioacuten menor seraacute la diferencia entre la energiacutea anual que el arreglo fotovoltaico puede producir al estimado por el porcentaje de incidencia del sistema especificado en la ecuacioacuten 313 Con esta informacioacuten teoacuterica se puede dimensionar un sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas cabe resaltar que aprovechar la energiacutea que produce el sistema fotovoltaico dependeraacute de si el perfil de carga se adapta a las horas del diacutea en donde el arreglo fotovoltaico produce energiacutea esto debido a que en un entorno como el de Colombia no trae ninguacuten beneficio econoacutemico inyectar energiacutea a la red por tanto los usuarios que deseen adquirir un sistema fotovoltaico de este tipo deberaacuten tener un mayor consumo de energiacutea en la medida de lo posible en horas de la mantildeana o al medio diacutea y no en la noche como es lo usual solo de esta forma se evitara inyectar mucha energiacutea a la red y se aprovecharaacute la producida por el sistema fotovoltaico
96
Capiacutetulo 4
DESARROLLO DE UN APLICATIVO DE DISENtildeO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS PARA LA EMPRESA COLOMBIAN SOLAR SYSTEMS
SAS
En la actualidad es faacutecil encontrar en su totalidad los elementos necesarios para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico La diversidad de fabricantes especializados en la creacioacuten de elementos para este tipo de generacioacuten origina la posibilidad de encontrar en el mercado diferentes elementos de distinta capacidad caracteriacutesticas eleacutectricas y funciones para abastecer el mercado fotovoltaico que cada antildeo crece la situacioacuten que realmente aqueja al campo de la energiacutea solar es por lo tanto no la dificultad para encontrar la diversidad en los elementos si no la exactitud para la escogencia de uno entre varios El modelamiento de cualquier sistema fotovoltaico estaacute dado por dos paraacutemetros
fundamentales los cuales son carga y recurso solar Para poder comprender la
teoriacutea de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos es necesario entrar en
detalle con el consumo de energiacutea eleacutectrica en el recinto rural o residencial donde
se desea disponer de la generacioacuten a partir de energiacutea solar y adicionalmente
tener valores acertados de radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo Un
conjunto de valores acertados de estos dos paraacutemetros fundamentales seraacuten de
gran importancia para un correcto dimensionamiento
Uno de los objetivos especiacuteficos para este proyecto es plantear un aplicativo
capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector residencial y rural para el
territorio colombiano con el fin de garantizar mejores disentildeos para la empresa
Colombian Solar Systems Para desarrollarlo se utilizoacute el ambiente graacutefico
proporcionado por Matlab conocido como Guide Matlab y que permite interactuar
con varias interfaz graacuteficas
El aplicativo consta de 16 interfaces graacuteficas que calculan los distintos paraacutemetros
necesarios para el disentildeo de sistemas fotovoltaicos de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada sobre consumo recurso solar y capacidad nominal de los
dispositivos que componen el sistema fotovoltaico Cada interfaz graacutefica
proporciona la informacioacuten necesaria para que el usuario busque de acuerdo a sus
proveedores los componentes que cumplan con las necesidades del sistema sin
embargo una vez escogido el dispositivo y por tanto sus valores nominales el
aplicativo estaacute programado para verificar que los rangos operativos de potencia
tensioacuten y corriente de los dispositivos sean adecuados respecto a los valores
necesarios del sistema fotovoltaico esto con el fin de que en la etapa de disentildeo se
97
busquen los elementos que mejor se adapten a las condiciones del sistema
fotovoltaico
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMO
El aplicativo posee un algoritmo cuantitativo capaz de interactuar con varias
interfaces graacuteficas guardando la informacioacuten necesaria entre cada una de ellas y
entregando la informacioacuten necesaria al usuario para buscar los dispositivos que
sean maacutes pertinentes El aplicativo inicia con una interfaz graacutefica en donde
pregunta al usuario cuaacutel es el sistema fotovoltaico que desea modelar (sistema
autoacutenomo o sistema interconectado a red) a partir de esta interfaz inicial se
ejecuta el proceso a seguir debido a que son sistemas totalmente distintos Al
final el algoritmo verifica que los datos nominales de los dispositivos sean los
adecuados Cabe aclarar que la certeza de los resultados entregados por el
aplicativo seraacuten proporcionales a la validez de los datos entregados como
entradas tales como recurso solar estudio de cargas y valores nominales de los
dispositivos esta informacioacuten seraacute consultada por el usuario por sus medios de
confianza
A continuacioacuten se presenta el diagrama de flujo del algoritmo desarrollado para el
aplicativo
98
INICIO
Estudio de
cargas
Estudio de consumo y
recurso solar
iquestCONTINUAR
CONTINUAR
Informacioacuten de
carga
Datos de
inversor
Recurso
solar y
estabilidad
CONTINUAR
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada con
peacuterdidas en inv
yo bat
Informacioacuten del panel solar
Potencia fv calculada
Datos de panel solar
Temperatura prom
miacutenima y maacutexima
iquestCONTINUAR
Potencia fv instalada y
configuracioacuten
Escoger opcioacuten
Informacioacuten de tensioacuten
del arreglo
Informacioacuten inversor
interconectado a red
Informacioacuten detallada del
arreglo
CONTINUAR
Tipo de sistemas
fotovoltaicos
NO
SI
NO
SI
SI NO
SI
NO
SI
SI NO
99
Potencia fotovoltaica instalada
iquestCONTINUAR
Informacioacuten sobre bateriacutea
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas Configuracioacuten del banco
de bateriacuteas (sin peacutedidas)
Configuracioacuten del banco de
bateriacuteas (con peacutedidas)
iquestCONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Tipo de regulador
Corriente maacutexima
de carga
Corriente maacutexima de
carga potencia fv
Escoger
configuracioacuten
Escoger
configuracioacuten
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
PWM
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas VERIFICACIOacuteN
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
MPPT
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
VERIFICACIOacuteN
FIN
VERIFICACIOacuteN
INFORME
SI
NO
NO SI
NO
SI
MPP
T PW
M
NO
SI
NO
SI
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el
aplicativo
100
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVO
El diagrama de flujo del algoritmo descrito anteriormente describe el
funcionamiento del aplicativo sin embargo es necesario describir cada interfaz
graacutefica que lo compone y el ambiente graacutefico con el que el usuario va a
interactuar
Al seleccionar el icono que hace el llamado al aplicativo abre la primera interfaz
graacutefica a la que el usuario podraacute acceder Esta permite escoger el tipo de sistema
fotovoltaico que desea desarrollar asiacute el usuario podraacute escoger entre un sistema
aislado o un sistema interconectado a red (sin respaldo de bateriacuteas) Al escoger
una de las dos opciones se empezaraacute con el proceso de dimensionamiento
descrito en el diagrama de flujo del algoritmo
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuesto
Al seleccionar ldquoSISTEMA AISLADOrdquo el aplicativo hace un llamado a la interfaz
graacutefica descrita en la figura 43 que representa la interfaz que permite al usuario
entregar la informacioacuten pertinente al estudio de cargas explicado en la seccioacuten
221 (Estimacioacuten del consumo y carga) Esta contiene una tabla editable por el
usuario en donde se especifica el nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea
energizar su potencia nominal y horas de uso al diacutea que se pretende utilizar dicho
grupo de aparatos Una vez especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute
acceder a la siguiente interfaz graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o podraacute acceder a
la interfaz de la figura 42 en cualquier momento escogiendo el iacutecono ldquoATRAacuteSrdquo
101
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo
La figura 44 representa a una interfaz graacutefica que tiene como objetivo informar el
consumo de energiacutea diaria y anual con el fin de que el usuario se entere de
cuanta energiacutea el arreglo fotovoltaico autoacutenomo deberaacute generar al diacutea y al antildeo
Figura 44 Informacioacuten de consumo
Se puede acceder a esta informacioacuten seleccionando ldquoCALCULARrdquo y una vez
especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute acceder a la siguiente interfaz
graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o si desea hacer alguna modificacioacuten al estudio
de cargas lo podraacute hacer seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo
102
La figura 45 representa la manera coacutemo se modelaraacute el inversor autoacutenomo en el
aplicativo Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se entrega al usuario la informacioacuten acerca
de la carga maacutexima que el sistema fotovoltaico tendraacute que alimentar a una hora
del diacutea esta situacioacuten se presenta cuando se interconectan todas las cargas
descritas en la etapa de estudio de carga (figura 43) El inversor autoacutenomo deberaacute
soportar esta condicioacuten es decir que la capacidad nominal de potencia que el
inversor puede transmitir a las cargas deberaacute de ser mayor que la potencia
maacutexima que estas alcancen Cabe recordar que el inversor autoacutenomo no solo se
escogeraacute de acuerdo a la anterior circunstancia si no a otras caracteriacutesticas
eleacutectricas nominales de las cargas tales como frecuencia tensioacuten tipo de onda y
distorsioacuten armoacutenica total El usuario deberaacute verificar que las caracteriacutesticas
eleacutectricas del inversor cumplan con las caracteriacutesticas nominales de la carga Asiacute
entonces el usuario deberaacute consultar los datos nominales del inversor autoacutenomo
que desea usar y llenar la informacioacuten requerida en los espacios correspondientes
teniendo en cuenta las unidades especificadas en cada espacio hay que tener
presente que la tensioacuten nominal DC del inversor autoacutenomo deberaacute ser la misma
que la tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten del banco de bateriacuteas es
en esta situacioacuten en donde se justifica que el aplicativo verifique las tensiones
nominales del banco de bateriacuteas y el inversor ya que es muy comuacuten que el usuario
olvide dicha circunstancia
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo
103
El usuario podraacute regresar a la interfaz de la informacioacuten de consumo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 46 representa a la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique ciertos factores de estabilidad del sistema fotovoltaico tales como
diacuteas de autonomiacutea (descrito en la seccioacuten 223) tiempo de recuperacioacuten del
sistema (descrito en la seccioacuten 224) horas solar pico promedio del peor mes de
radiacioacuten del antildeo (descrito en la seccioacuten 222) y rango de temperatura
(temperatura promedio miacutenima y maacutexima del antildeo de estudio) Esta informacioacuten
seraacute usada por el algoritmo para determinar la potencia fotovoltaica necesaria para
suplir el consumo el nuacutemero de bateriacuteas necesarias para suministrar energiacutea
durante el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y calcular tanto el rango de tensioacuten de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la tensioacuten maacutexima del arreglo en condiciones
de circuito abierto y temperatura baja
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico
El usuario podraacute regresar a la interfaz del modelamiento del inversor autoacutenomo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 47 representa a la interfaz graacutefica que tiene como objetivo calcular el
nuacutemero de paneles necesarios para la aplicacioacuten de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada por el usuario en las interfaces anteriores
104
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria
En el tablero de ldquoinformacioacutenrdquo se especifica mediante un ldquoradio buttonrdquo si el usuario
desea involucrar en el disentildeo peacuterdidas por parte del inversor yo bateriacuteas Aunque
se recomienda modelar sistemas fotovoltaicos con peacuterdidas debido a que son
modelos maacutes cercanos a la realidad de manera acadeacutemica puede llegar a ser
interesante observar en cuanta potencia fotovoltaica se incrementa el arreglo al
involucrar la eficiencia del inversor yo la eficiencia de las bateriacuteas (usualmente
aceptada en el 80) Cual sea el caso se puede acceder a esta informacioacuten en el
espacio ldquoPotencia fotovoltaica calculadardquo seleccionando en el tablero de
informacioacuten ldquoCALCULARrdquo Este caacutelculo tendraacute en cuenta los diacuteas de recuperacioacuten
del sistema y tiempo de autonomiacutea (explicados en la seccioacuten 22 paraacutemetros
necesarios para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo) de
acuerdo a la ecuacioacuten 224
De acuerdo con la ecuacioacuten 225 en la seccioacuten 232 es necesario especificar la
potencia del panel solar que se desea implementar para saber el nuacutemero de
paneles necesarios Esta informacioacuten se debe entregar en el recuadro
denominado ldquoParaacutemetros panel solarrdquo junto con la informacioacuten acerca del panel
especificada en dicho espacio esta informacioacuten seraacute almacenada y usada en las
proacuteximas interfaces graacuteficas
Una vez especificada toda la informacioacuten se podraacute acceder al nuacutemero de paneles
necesarios para el sistema fotovoltaico seleccionando ldquoCALCULARrdquo en el tablero
llamado ldquoCaacutelculo de potencia fotovoltaica y nuacutemero de moacutedulosrdquo
105
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la estabilidad del sistema
autoacutenomo seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 48 representa a la interfaz graacutefica que permite dar a conocer al usuario
cuantas bateriacuteas se necesitan para abastecer de energiacutea a las cargas de acuerdo
al nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea dato entregado en la interfaz representada en la
figura 46
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas
El usuario deberaacute consultar las caracteriacutesticas teacutecnicas de la bateriacutea y entregarlas
en los espacios especificados de la interfaz graacutefica tal como capacidad de la
bateriacutea tensioacuten de la bateriacutea (ambos paraacutemetros determinan cuanta capacidad de
almacenamiento en Wh posee la bateriacutea) maacutexima tensioacuten de carga (que depende
netamente del tipo de bateriacutea y su construccioacuten) y liacutemite de descarga maacuteximo (que
determinaraacute la esperanza de vida de la bateriacutea cabe recordar que entre menor
sea este liacutemite mayor tiempo de vida tendraacute el banco de bateriacuteas) una vez
especificada esta informacioacuten el usuario podraacute escoger si desea tener en cuenta
en el caacutelculo las peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas al igual que en el caso de
la potencia fotovoltaica calculada suele ser interesante observar el incremento de
la capacidad de almacenamiento calculada o necesaria teniendo en cuenta
peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas sin embargo este trabajo recomienda que
siempre se tengan en cuenta las peacuterdidas debido a que se aproximan a un
sistema mucho maacutes real y mejor dimensionado
106
Con la informacioacuten lista el usuario podraacute calcular el nuacutemero de bateriacuteas
necesarias desplazando el ldquopop-up menuacuterdquo correspondiente a la tensioacuten del
sistema este iacutecono permite escoger entre 12V 24V 36V y 48V de acuerdo a la
explicacioacuten dada en la seccioacuten 231 (Dimensionamiento del banco de bateriacuteas)
esta tensioacuten determina la configuracioacuten del banco de bateriacuteas Debido a que es
muy comuacuten que el nuacutemero de bateriacuteas necesarias no sea divisible exactamente
por el nuacutemero de bateriacuteas en serie (dadas por el cociente entre la tensioacuten del
sistema y la tensioacuten de la bateriacutea) es necesario reajustar el nuacutemero de bateriacuteas
lo que conlleva a reajustar nuevamente el liacutemite de descarga maacuteximo debido a
que con el nuacutemero de bateriacuteas reajustado que siempre seraacute mayor al calculado el
banco de bateriacuteas se descargaraacute menos que lo especificado por el usuario Esta
informacioacuten se encuentra en los espacios correspondientes a bateriacuteas en serie
nuacutemero de bateriacuteas seguacuten configuracioacuten y liacutemite de descarga ajustado al arreglo
de bateriacuteas
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la potencia fotovoltaica calculada
o necesaria seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo
seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 49 representa la interfaz que pretende que el usuario escoja el tipo de
regulador de carga que desea para la aplicacioacuten de acuerdo a la teoriacutea explicada
en las secciones 2131 y 2132 (REGULADORES PWM y REGULADORES
MPPT respectivamente)
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga
107
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del disentildeo del banco de bateriacuteas
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoREGULADOR PWMrdquo o ldquoREGULADOR CON SEGUIMIENTO MPPTrdquo
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWM
La figura 410 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
adquiera la informacioacuten necesaria para encontrar un regulador PWM adecuado
para la aplicacioacuten Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se adquiere la informacioacuten acerca
de Corriente maacutexima de la carga y la informacioacuten pertinente a la configuracioacuten del
arreglo fotovoltaico
Figura 410 Regulador PWM
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Corriente maacutexima de la carga es la corriente a la salida del regulador cuando
todas las cargas esteacuten interconectadas los fabricantes de reguladores PWM
deben especificar dicho paraacutemetro y por tanto se debe tener en cuenta por el
usuario
Dicha corriente se calcula de la siguiente forma
119894119898aacute119909119897119900119886119889 =119875119879119860119862
119907119900 120786 120783
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda
119907119900 tensioacuten del sistema 119894119898119886119909119897119900119886119889 corriente maacutexima de la carga
108
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
Una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a conocer la
informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 del arreglo fotovoltaico corriente de
cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad y corriente mppt en
condiciones STC del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten deberaacute de ser
corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador A
continuacioacuten se explica cada teacutermino
Tensioacuten de operacioacuten del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del nuacutemero de
paneles en serie que el usurario haya escogido en el recuadro de ldquointerconexioacuten
de moacutedulosrdquo y la tensioacuten mpp (119881119898119901) de cada moacutedulo fotovoltaico Cabe resaltar
que esta tensioacuten es calculada bajo las STC (25degc y 1000119882 1198982frasl ) por tanto este
dato no es totalmente real debido a que en algunas aplicaciones discrepan de
dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de la tensioacuten que el arreglo
fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea Se calcula seguacuten la siguiente
expresioacuten
119881119898119901_119886119903119903119886119910 = 119873119901119904119890119903119894119890 119881119898119901 120786 120784
En donde
119881119898119901_119886119903119903119886119910 tensioacuten de operacioacuten o de punto de maacutexima potencia del arreglo
fotovoltaico seguacuten las STC
119873119901119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie escogidos seguacuten configuracioacuten
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia del panel especificado por el fabricante
Corriente de cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad este dato es
funcioacuten del nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la
opcioacuten escogida por el usuario y de la corriente de cortocircuito (119894119888119888) algunos
autores recomiendan aumentar el dato real en un 25 con el fin de que el
regulador de carga pueda soportar esta condicioacuten sin sufrir dantildeos Asiacute entonces el
109
usuario deberaacute escoger un regulador de carga que tenga una capacidad de
corriente mayor o igual a la calculada [10]
Corriente en condiciones STC del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del
nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la opcioacuten
escogida por el usuario y de la corriente de mpp especificada por el fabricante del
moacutedulo Cabe resaltar que esta corriente es calculada bajo las STC (25degC y
1000119882 1198982frasl ) por tanto este dato no es totalmente real debido a que en algunas
aplicaciones discrepan de dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de
la corriente que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a capacidad de corriente de
regulador PWM tensioacuten nominal del regulador y tensioacuten maacutexima admisible por el
regulador PWM Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el regulador es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten tipo de regulador de
carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWM
La figura 411 representa la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
110
Figura 411 verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWM
En la interfaz representada en la figura 46 (Paraacutemetros que definen la estabilidad
del sistema fotovoltaico) se encuentran los espacios para que el usuario
especifique la temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima
que se encuentra en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar esto con el
fin de que el aplicativo calcule los valores de tensioacuten que resulten importantes para
el dimensionamiento tales como tensioacuten maacutexima 119881119898119901 119898aacute119909 del arreglo fotovoltaico
(calculada con la miacutenima temperatura promedio) tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico (calculada con la maacutexima temperatura promedio) y tensioacuten
maacutexima del arreglo fotovoltaico (calculada en condiciones de circuito abierto y
miacutenima temperatura promedio) Todos estos valores se muestran al usuario una
vez escogido el iacutecono ldquoCALCULARrdquo en la interfaz representada en la figura 411
(los caacutelculos obedecen a las ecuaciones 21 22 y 23)
En el recuadro llamado ldquoVerificacioacuten del regulador PWMrdquo se hacen dos
comparaciones una de ellas es acerca del valor de tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico y la tensioacuten 119881119898119894119899119887119886119905 en donde el banco de bateriacuteas estaacute
descargado El software PVSol expert recomienda que la tensioacuten de la bateriacutea no
sea menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo fotovoltaico (119881119898119901)
esto con el fin de evitar que la tensioacuten del arreglo fotovoltaico se aleje mucho de la
tensioacuten de la bateriacutea cabe resaltar que entre mayor sea esta diferencia de
tensiones menor potencia seraacute aprovechada por el sistema fotovoltaico [37 38]
La tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas es funcioacuten del liacutemite de descarga
descrito en la interfaz representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de
111
bateriacuteas) De esta forma es necesario poder calcular la tensioacuten de acuerdo al
liacutemite de descarga Partiendo de la informacioacuten suministrada en la tabla 6 (Estado
de carga de una bateriacutea) se hace una regresioacuten lineal con el fin de poder
encontrar la expresioacuten que involucre la relacioacuten tensioacuten de la bateriacutea vs estado de
descarga de esta forma se tiene lo siguiente
Figura 412 tensioacuten de la bateriacutea VS estado de carga
De la anterior regresioacuten se tiene entonces
119881119898iacute119899119887119886119905 = 0012 119878119900119888 + 116 120786 120785
En donde
119878119900119888 estado de carga de la bateriacutea (State of charge)
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima de la bateriacutea al liacutemite de descarga especificado
El estado de carga de la bateriacutea se puede representar como liacutemite de descarga de
la siguiente manera
119878119900119888 = 100 minus lim 120786 120786
En donde el valor del liacutemite de descarga seraacute el calculado en la interfaz
representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de bateriacuteas) con el nombre de
ldquoliacutemite de descarga adjuntado al arreglordquo
Es usual que la mayoriacutea de bateriacuteas de uso solar trabajen a 12V sin embargo
existen bateriacuteas que tiene valores distintos los maacutes usuales son 2V y 6V a pesar
de esto la construccioacuten de la bateriacutea es la misma por tanto se puede adaptar la
Y = 0012X + 116
114
116
118
12
122
124
126
128
13
0 20 40 60 80 100 120
Tensioacuten de la bateria VS Estado de carga
112
anterior relacioacuten dividiendo entre 2 para el caso de bateriacuteas de 6V y entre 6 para el
caso de bateriacuteas de 2V
Para encontrar entonces la tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas se debe primero
encontrar el nuacutemero de bateriacuteas en serie De la siguiente forma
119873119887119886119905_119904119890119903119894119890 =119881119900
119881119887119886119905 120786 120787
El nuacutemero de bateriacuteas en serie tomaraacute valores enteros siempre y cuando la
bateriacutea tenga tensiones de 12V 6V o 2V En este trabajo se limita el uso de
bateriacuteas con estos tres tipos de tensiones
Una vez encontrado el nuacutemero de bateriacuteas en serie y la tensioacuten miacutenima de la
bateriacutea escogida para la aplicacioacuten se puede encontrar la tensioacuten miacutenima del
banco de bateriacuteas de la siguiente forma
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898119894119899119887119886119905 120786 120788
En donde
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima en funcioacuten del estado de carga de la bateriacutea
Asiacute entonces una vez encontrado el valor de la tensioacuten miacutenima del banco de
bateriacuteas y la tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico el aplicativo verifica los
valores de tensioacuten de la siguiente forma
60 le119881119898iacute119899119887119886119899119888119900 100
119881119898119901 119898iacute119899 120786 120789
En done
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 tensioacuten cuando el banco de bateriacuteas esta descargado
119881119898119901 119898119894119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre menos moacutedulos en serie escoger otro panel con menor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de aumentar el nuacutemero de
bateriacuteas en serie
113
La segunda comparacioacuten que se hace en el recuadro ldquoverificacioacuten de las tensiones
MPPrdquo es acerca de la tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la
maacutexima tensioacuten del banco de bateriacuteas
La tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas seraacute funcioacuten de la tensioacuten maacutexima de
carga de la bateriacutea y el nuacutemero de bateriacuteas en serie
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar al banco de bateriacuteas la tensioacuten necesaria
para cargarlo este dato seraacute funcioacuten de la tensioacuten de carga ciacuteclica (Cyclic
charging voltaje) especificado por el fabricante de la bateriacutea El usuario debe
especificar este dato en la interfaz representada con la figura 48 (Disentildeo del
banco de bateriacuteas)
Una vez especificado la tensioacuten de carga ciacuteclica el aplicativo podraacute calcular la
tensioacuten maacutexima vista desde el arreglo fotovoltaico para cargar el banco de
bateriacuteas a continuacioacuten se muestra coacutemo
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898aacute119909119887119886119905 120786 120790
119873119887119886119905119904119890119903119894119890 nuacutemero de bateriacuteas en serie
119881119898119886119909119887119886119905 tensioacuten maacutexima de la bateriacutea
119881119898119886119909119887119886119899119888119900 tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar la tensioacuten necesaria para que el banco
de bateriacuteas se cargue de manera satisfactoria por tanto en la etapa de disentildeo del
sistema fotovoltaico se debe garantizar que la tensioacuten maacutexima requerida por el
banco de bateriacuteas no sea mayor a la tensioacuten que puede suministrar el arreglo
fotovoltaico de esta forma el aplicativo deberaacute verificar esta situacioacuten
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 lt 119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 120786 120791
En donde
119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo temperatura
promedio miacutenima
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre maacutes moacutedulos en serie escoger otro panel con mayor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de que disminuya el nuacutemero de
bateriacuteas en serie y por tanto la tensioacuten maacutexima de carga del banco
114
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del regulador
El aplicativo propuesto para este trabajo evaluacutea la capacidad de corriente que el
regulador de carga puede transmitir con la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico junto con un factor de seguridad el 25
La corriente de cortocircuito del regulador se calcula seguacuten el nuacutemero de cadenas
en paralelo y la corriente de cortocircuito de cada panel solar De la siguiente
forma
119868119888119888_119886119903119903119886119910 = 119873119904119905119903119894119899119892 119894119888119888 125 120786 120783120782
En donde
119868119888119888_119886119903119903119886119910 corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico
119873119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de cadenas en paralelo seguacuten configuracioacuten escogida
119894119888119888 corriente de cortocircuito del moacutedulo escogido
En la etapa de disentildeo del sistema fotovoltaico este valor de corriente deberaacute ser
menor a la capacidad de corriente maacutexima del regulador de carga con el fin de
que no sufra dantildeos graves bajo esta circunstancia Aunque los valores
especificados por el fabricante del panel solar estaacuten dados bajo las STC es muy
comuacuten que las aplicaciones solares discrepen de dichas condiciones en ciertas
horas del diacutea se puede obtener valores mayores a los 1000119882 1198982frasl lo que
aumentaraacute la produccioacuten de corriente eleacutectrica es por esta razoacuten que se supone
un 25 de factor de seguridad con el fin de darle al regulador un mejor
dimensionamiento en condiciones de mucha radiacioacuten solar
Seguacuten lo anterior el aplicativo deberaacute hacer la siguiente verificacioacuten
119868119888119888_119886119903119903119886119910 lt 119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120783
En donde
119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 corriente maacutexima del regulador PWM especificada por el fabricante
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de cadenas del arreglo yo cambiando el regulador PWM por otro con
mayor capacidad de corriente
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador
115
En la seccioacuten 4221 se hacen las verificaciones pertinentes a las tensiones de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico para este caso se hace algo muy similar solo
que ya no se tienen en cuenta la tensioacuten de operacioacuten del panel solar si no la
tensioacuten de circuito abierto y junto con la temperatura promedio miacutenima producen la
mayor tensioacuten que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar Asiacute entonces se busca
que el regulador de carga sea capaz de soportar dicha condicioacuten y por tanto en la
etapa de disentildeo se necesita que el aplicativo calcule este dato
Asiacute entonces al aplicar la ecuacioacuten 21 se obtiene el valor de la tensioacuten maacutexima
del arreglo fotovoltaico y en la interfaz descrita en la anterior figura el aplicativo
verificaraacute que dicha tensioacuten no sea mayor a la maacutexima que el regulador de carga
PWM pueda soportar De esta forma se tiene
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 lt 119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120784
119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 tensioacuten maacutexima del regulador de carga especificada por el
fabricante
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de paneles en serie del arreglo escogiendo otro panel que tenga menor
tensioacuten de circuito abierto yo cambiando el regulador PWM por otro con mayor
capacidad de tensioacuten
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor
El aplicativo propuesto para este trabajo verifica que los valores de tensioacuten DC y
potencia maacutexima del grupo de cargas del sistema fotovoltaico sean adecuados
con los valores del inversor escogido el usuario tendraacute entonces una valoracioacuten
acerca de si el dispositivo se puede usar para la aplicacioacuten a desarrollar o si por el
contrario es necesario cambiarlo
En la interfaz representada en la figura 45 (Modelamiento del inversor autoacutenomo)
se entrega al usuario la informacioacuten acerca de la potencia maacutexima que el conjunto
de cargas alcanzariacutea si todo estuviese interconectado a la vez Este trabajo
propone que el inversor sea capaz de soportar dicha situacioacuten con el fin de que
116
las personas beneficiadas de la instalacioacuten solar no tengan limitantes respecto al
nuacutemero de aparatos eleacutectricos que quieran interconectar para lograr esto el
aplicativo verificaraacute que la potencia del inversor escogido por el usuario pueda
operar bajo dicho evento De esta forma se tiene
119875119879119860119862 lt 119875119894119899119907119890119903119904119900119903 120786 120783120785
119875119879119860119862 potencia maacutexima de la demanda
119875119894119899119907119890119903119904119900119903 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga el
cambio pertinente del inversor debido a que este no podraacute trabajar bajo esas
circunstancias
La otra verificacioacuten que el aplicativo hace es acerca de la tensioacuten nominal de
entrada al inversor que es de caraacutecter continuo Este valor deberaacute ser igual a la
tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten a la que operaraacute el banco de
bateriacuteas De esta forma se tiene que
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 = 1198810 120786 120783120786
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 tensioacuten nominal a la entrada del inversor
1198810 tensioacuten del sistema
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y cambie
el inversor por uno que se acople a la tensioacuten escogida del sistema a desarrollar
Con esta comparacioacuten termina el modelamiento de un sistema fotovoltaico aislado
con regulador PWM usando el aplicativo propuesto
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPT
La figura 413 representa la interfaz para modelar un sistema fotovoltaico con
regulador MPPT para acceder a esta el usuario deberaacute escoger el iacutecono
ldquoREGULADOR MPPTrdquo en la interfaz representada con la figura 49 (Seleccioacuten tipo
de regulador de carga)
117
Figura 413 Regulador MPPT
En esta interfaz se entrega al usuario informacioacuten necesaria para encontrar un
regulador tipo MPPT que se ajuste al arreglo fotovoltaico dicha informacioacuten
aparece cuando el usuario escoge el iacutecono ldquoCALCULARrdquo y se describe a
continuacioacuten
Corriente maacutexima de la carga al igual que con el regulador PWM el regulador
MPPT tiene un valor maacuteximo de corriente a la salida para el cual fue disentildeado por
tanto se busca que el regulador sea capaz de soportar la corriente maacutexima de la
carga calculada con la expresioacuten 41
Potencia fotovoltaica instalada este dato da al usuario un indicio del regulador
MPPT que debe escoger debido a que es la potencia que debe transmitir a las
cargas Se calcula de la siguiente forma
119875119891119907_119894119899119904119905 = 119873119901119886119899119890119897119890119904 119875119898119901119901 120786 120783120787
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles calculados
119875119898119901119901 potencia del panel en condiciones STC
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
118
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
De manera similar a la interfaz que representa al modelamiento del regulador
PWM una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a
conocer la informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 (punto de maacutexima potencia) del
arreglo fotovoltaico y corriente de cortocircuito del arreglo esta informacioacuten deberaacute
de ser corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Potencia nominal DC del regulador este dato es especificado por el fabricante del
regulador y significa la cantidad de potencia que el regulador MPPT puede
transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y al banco de bateriacuteas En
algunas eacutepocas del antildeo los arreglos fotovoltaicos pueden producir maacutes potencia
de la especificada por el fabricante del regulador este podraacute soportar dicha
situacioacuten pero solo aprovecharaacute la potencia especificada por el fabricante el resto
la desecharaacute
Tensioacuten maacutexima admisible por el regulador como todo dispositivo electroacutenico los
reguladores de carga tipo MPPT poseen un liacutemite de tensioacuten maacutexima este dato es
especificado por el fabricante y depende netamente de su construccioacuten y
componentes operar por encima de dicho liacutemite podraacute dantildear el regulador o reducir
su esperanza de vida Aunque algunos fabricantes de reguladores poseen una
proteccioacuten contra sobretensiones se recomienda instalar protecciones por aparte
tales como DPS (Dispositivo de Proteccioacuten contra Sobretensiones) en la entrada
de regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con el fin de brindarle un mayor
respaldo al regulador
Maacutexima corriente a la entrada del regulador MPPT al igual que en el caso de la
tensioacuten los reguladores de carga MPPT poseen un liacutemite de corriente que
depende netamente de la construccioacuten del dispositivo estos valores son
especificados en las hojas teacutecnicas del regulador facilitadas por el fabricante con
el fin de que el usuario sepa cuanta corriente el arreglo fotovoltaico puede debe
producir para no dantildear el dispositivo Aunque algunos fabricantes de reguladores
poseen una proteccioacuten contra sobre-corrientes se recomienda instalar
protecciones en la entrada del regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con
119
el fin de abrir el circuito del sistema cuando se desea hacer un mantenimiento o
reparar el regulador y brindarle un mayor respaldo contra fallas al regulador
Liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor miacutenimo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por debajo de este liacutemite causaraacute que el regulador se apague por tanto se intenta
que la tensioacuten de operacioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico calculada con la
maacutexima temperatura promedio sea mayor a este valor asiacute se garantiza que el
arreglo fotovoltaico opere en el punto de maacutexima potencia en todo momento
Liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por encima de este liacutemite implica que el regulador no rastrearaacute el punto de maacutexima
potencia y si alcanza valores muy elevados pondraacute en riesgo el funcionamiento del
regulador por tanto se intenta que la tensioacuten de operacioacuten maacutexima del arreglo
fotovoltaico que es calculada con la temperatura promedio miacutenima sea menor a
este valor asiacute se garantiza que el arreglo fotovoltaico opere en el punto de
maacutexima potencia y no se ponga en riesgo el funcionamiento del dispositivo
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a tensioacuten maacutexima admisible por
el regulador potencia nominal DC del regulador maacutexima corriente a la entrada del
regulador MPPT liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante y liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el inversor es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten de tipo de regulador
de carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoVERIFICACIOacuteN DEL SISTEMArdquo
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPT
La figura 414 representa a la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
120
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPT
De manera similar a la seccioacuten 4221 (Verificacioacuten de las tensiones MPP usando
regulador PWM) el aplicativo calcula las tensiones maacuteximas y miacutenimas en funcioacuten
de la temperatura promedio miacutenima y maacutexima respectivamente la gran diferencia
radica en que la verificacioacuten no se hace respecto a las tensiones de carga y
descarga del banco de bateriacuteas si no respecto a la ventana de tensioacuten de
seguimiento de punto de maacutexima potencia del regulador MPPT que es
especificado por el fabricante De esta manera en la etapa de verificacioacuten del
sistema el aplicativo deberaacute hacer las siguientes comparaciones
119881119898119901 119898iacute119899 gt 119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 120786 120783120788
119881119898119901 119898aacute119909 le 119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 120786 120783120789
En donde
119881119898119901 119898iacute119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo miacutenima temperatura
promedio
119881119898119901 119898aacute119909 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 liacutemite de tensioacuten miacutenima de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
121
119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 liacutemite de tensioacuten maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
Si alguna de las anteriores expresiones no se cumplen en el recuadro de
recomendaciones se hace un comentario con el fin de que el usuario se entere de
dicha situacioacuten y haga los cambios pertinentes tales como escoger otra
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que ajuste los niveles de tensioacuten del inversor
escoger otro panel con mejor caracteriacutesticas de tensioacuten o escoger otro inversor
cuya ventana de tensioacuten se ajuste a las caracteriacutesticas del arreglo fotovoltaico
42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador
MPPT
Seguacuten las caracteriacutesticas constructivas del regulador y sus componentes el
regulador podraacute transmitir cierta cantidad de potencia desde el arreglo fotovoltaico
hacia las cargas por tanto en la etapa de disentildeo se intenta que el regulador tipo
MPPT tenga un liacutemite de potencia tal que sea mayor a la potencia del arreglo
fotovoltaico De esta forma el aplicativo deberaacute verificar lo siguiente
119875119891119907_119894119899119904119905 le 119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 120786 120783120790
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada (ver expresioacuten 415)
119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 potencia DC a la entrada del regulador de carga tipo MPPT
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten Se
recomendaraacute cambiar de regulador por otro con mayor capacidad de potencia con
el fin de aprovechar la potencia generada por el arreglo suponiendo las STC cabe
aclarar que hay eacutepocas del antildeo en donde se puede encontrar una irradiancia
mayor a los 1000119882 1198982frasl por tanto el arreglo fotovoltaico podraacute generar mayor
potencia eleacutectrica que la estipulada por la potencia fotovoltaica calculada bajo las
STC (ver expresioacuten 415) esta situacioacuten no pone en riesgo el regulador de carga
debido a que el regulador solo entregaraacute la potencia nominal y el resto no la
aprovecharaacute generando sistemas fotovoltaicos maacutes ineficientes
Las demaacutes verificaciones de caracteriacutesticas eleacutectricas del regulador MPPT y del
inversor tales como corriente maacutexima del regulador tensioacuten maacutexima del regulador
tensioacuten nominal del inversor y potencia AC del inversor seraacuten iguales a las
realizadas en el caso de las secciones 4222 4223 y 4224 (verificacioacuten de la
122
corriente nominal del regulador verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador y
verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor respectivamente)
De esta manera finaliza la descripcioacuten del aplicativo respecto a sistemas
fotovoltaicos aislados o autoacutenomos con esta propuesta se intenta que la empresa
Colombian Solar Systems SAS pueda disentildear sistemas fotovoltaicos de manera
sencilla y raacutepida teniendo en cuenta la teoriacutea respecto a dichos sistemas existente
en el capiacutetulo dos
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de
bateriacuteas con aplicativo propuesto
En la interfaz representada en la figura 42 (seleccioacuten de tipo de sistema
fotovoltaico) al seleccionar ldquoSISTEMA INTERCONECTADO A REDrdquo el aplicativo
hace llamado a la interfaz descrita en la figura 415
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
La figura 415 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique la radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (paraacutemetro en
kWhm2 explicado en la seccioacuten 222 Recurso solar) el consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (paraacutemetro en kWhmes explicado en la seccioacuten 322 Estudio del consumo anual) y el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar (explicado en la seccioacuten 323) El usuario podraacute entregar estos datos llenando la tabla correspondiente sin embargo suele ser arduo digitar todos estos datos por lo que el aplicativo podraacute importar los datos desde una tabla de Excel para esto el usuario debe seleccionar el ldquoradio buttonrdquo llamado ldquoExportar datos de Excelrdquo una vez seleccionado
123
apareceraacute un botoacuten llamado ldquoAbrir formato para importacioacutenrdquo el cual hace un llamado a un archivo Excel con las siguientes caracteriacutesticas mostradas en la figura 416
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel
Las herramientas encargadas de calcular el recurso solar en una superficie inclinada en una zona especiacutefica comuacutenmente tienen la opcioacuten de exportar los datos a una tabla de Excel lo que facilitaraacute que el usuario pueda pegar dichos datos al formato de importacioacuten llamado desde el aplicativo Una vez listos los datos en el formato se debe seleccionar la regioacuten que se desea exportar a Matlab y regresar a la interfaz descrita en la figura 415 en donde aparece un mensaje descrito en la imagen a continuacioacuten
124
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab
Al seleccionar ldquoOKrdquo aparecen los datos correspondientes en la tabla de la interfaz
representada en la figura 415 (paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema
interconectado a red)
Ya con los datos de consumo y recurso solar el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten correspondiente al porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar este dato determinaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico y del
inversor y por tanto dependeraacute del presupuesto que se disponga para la
instalacioacuten solar tambieacuten se recomienda que no sea un valor muy grande debido
a que es muy probable que se ldquoempujerdquo energiacutea a la red cabe recordar que en un
entorno como el de Colombia no generaraacute ninguna ventaja econoacutemica bajo esta
situacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca seleccioacuten tipo de sistema fotovoltaico
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 418 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario se
pueda enterar de lo que seraacute el arreglo fotovoltaico para cumplir con el porcentaje
de consumo que se desea suplir con energiacutea solar seguacuten su consumo a lo largo
de un antildeo proporcionado por la empresa prestadora del servicio y del recurso
solar en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar para esto el usuario
deberaacute escoger en la interfaz graacutefica el botoacuten ldquoCALCULARrdquo Cabe resaltar que el
resultado entregado en este paso es la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
que no siempre seraacute divisible exactamente por la potencia en STC de un panel
fotovoltaico por tanto es necesario que el usuario entregue a continuacioacuten las
125
caracteriacutesticas del panel solar que se desea usar se debe intentar escoger un
moacutedulo tal que al utilizar varios moacutedulos de estos la suma de potencia se aproxime
tanto como sea posible a la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
anteriormente calculada de esto dependeraacute que el arreglo fotovoltaico produzca el
porcentaje de consumo que se requiere suplir con energiacutea solar y no un porcentaje
mucho mayor (debido a que el aplicativo estaacute programado para aproximar el
nuacutemero de paneles al entero mayor maacutes cercano)
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada
Una vez entregada la informacioacuten del panel que se desea utilizar el usuario podraacute
conocer el nuacutemero de paneles que se necesitan para la aplicacioacuten para esto el
usuario debe escoger en el recuadro llamado ldquoPotencia fotovoltaica instaladardquo el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo a continuacioacuten aparece el nuacutemero de moacutedulos necesarios la
potencia fotovoltaica instalada y la posible interconexioacuten de los paneles seguacuten el
nuacutemero de paneles calculado
El aplicativo calcularaacute los valores de tensioacuten miacutenimos y maacuteximos en operacioacuten del
arreglo fotovoltaico seguacuten la configuracioacuten escogida por el usuario Seguacuten las
expresiones 21 22 y 23 (tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de
temperatura baja promedio tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico
bajo la influencia de una temperatura alta promedio y tensioacuten maacutexima de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de una temperatura baja
promedio respectivamente) el usuario deberaacute consultar los valores de temperatura
promedio miacutenima y maacutexima en la zona en donde se desea hacer la instalacioacuten del
arreglo fotovoltaico esto con el fin de que el aplicativo pueda verificar que los
126
niveles de tensioacuten del arreglo fotovoltaico sean adecuados para el inversor
interactivo con la red escogido por el usuario Por tanto el usuario deberaacute entregar
los datos de temperatura en los espacios pertinentes en la parte inferior de la
interfaz
Una vez entregados los datos de temperatura el usuario podraacute escoger la
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico (nuacutemero de paneles en serie y nuacutemero de
cadenas en paralelo) desplegando el ldquopop-up menuacuterdquo en el recuadro de
ldquointerconexioacutenrdquo Una vez seleccionada la opcioacuten aparece el dato de tensioacuten mpp
del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten daraacute un indicio del valor de tensioacuten que el
arreglo fotovoltaico podraacute alcanzar en STC y seguacuten el nuacutemero de paneles en serie
especificado en la opcioacuten escogida por el usuario
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de los paraacutemetros de consumo y
recurso solar del sistema interconectado a red seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute
continuar con el disentildeo seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 419 representa la interfaz que pretende que el usuario reciba la
informacioacuten necesaria para que pueda escoger un inversor interactivo con la red
que se adapte al arreglo fotovoltaico para esto el usuario debe seleccionar el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo en el recuadro ldquomodelamiento del inversor interactivo con la
redrdquo A continuacioacuten apareceraacute la informacioacuten pertinente a corriente de
cortocircuito del arreglo tensioacuten MPP del arreglo fotovoltaico y potencia
fotovoltaica calculada Dichos conceptos son iguales a los del sistema autoacutenomo
por tanto se calculan seguacuten las expresiones 410 42 y 415 respectivamente
127
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica
El usuario en primera instancia deberaacute buscar un inversor interactivo con la red
que pueda operar la potencia del arreglo fotovoltaico y se adapte a los valores
nominales de la red (tensioacuten frecuencia y fase en el caso de un inversor trifaacutesico)
una vez encontrado un inversor candidato el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten pertinente a dicho inversor en los espacios ubicados en la parte
inferior de la interfaz Debido a que el inversor interactivo con la red tiene
caracteriacutesticas similares al regulador con seguimiento MPP los conceptos
pertinentes a potencia nominal del inversor tensioacuten maacutexima admisible por el
inversor corriente maacutexima a la entrada del inversor eficiencia del inversor y liacutemite
miacutenimo y maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificada por el fabricante seraacuten
los mismos a los utilizados en la seccioacuten 4213 (modelamiento del sistema
usando regulador mppt)
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del caacutelculo de potencia fotovoltaica
instalada seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 420 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
identifique posibles errores del inversor candidato (escogido en la interfaz
representada en la figura 419 inversor interactivo con la red eleacutectrica) el
aplicativo se encarga de hacer sugerencias en el disentildeo del sistema de acuerdo al
error encontrado en el caacutelculo Debido a que este tipo de inversores tiene
caracteriacutesticas similares al de un regulador con seguimiento mpp de un sistema
autoacutenomo las verificaciones realizadas en la seccioacuten 4214 (verificacioacuten sistema
aislado con regulador mppt) seraacuten las mismas que para este caso
128
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red
Adicional a la verificacioacuten de sistema fotovoltaico interactivo con la red el
aplicativo calcula un informe en donde resume el comportamiento del sistema mes
a mes El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del inversor interactivo con la
red eleacutectrica seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con la interfaz acerca del
informe del sistema interconectado a red seleccionando ldquoINFORMErdquo
La figura 421 representa la interfaz que muestra el comportamiento de un sistema
fotovoltaico interconectado a red a lo largo del antildeo El diagrama de barras
muestra la demanda de energiacutea y la energiacutea que el sistema fotovoltaico produce
mes a mes de acuerdo a la potencia fotovoltaica instalada que en este caso es de
15kW la variacioacuten de la produccioacuten energeacutetica por parte del sistema fotovoltaico
dependeraacute de la variacioacuten del recurso solar mes a mes en la zona donde se
requiere de la instalacioacuten en este caso se usoacute la informacioacuten proporcionada por el
software PVSol para un plano inclinado a 10deg acimut 0deg y los datos de medicioacuten
hechas en la estacioacuten del Aeropuerto Matecantildea La primera fila de la tabla
muestra el paraacutemetro 119919119956119953119946119940119952 (Vector horas solar pico a lo largo del antildeo en hd)
que resume el comportamiento del recurso solar en el antildeo de estudio dicha tabla
tambieacuten contiene informacioacuten acerca de la demanda de energiacutea eleacutectrica
especificada como en la seccioacuten 322 la generacioacuten de energiacutea por parte del
arreglo bajo el recurso solar especificada como 120643119943 119946 en la seccioacuten 331 y
porcentaje de energiacutea que el sistema fotovoltaico produce con respecto a la
demanda especificado en la seccioacuten 323 Esto con el fin de que el usuario pueda
observar en una misma interfaz la influencia del recurso solar con la generacioacuten de
129
energiacutea del sistema fotovoltaico y el comportamiento de lo que seraacute el arreglo
fotovoltaico
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red
Esta interfaz termina con el resumen anual de la produccioacuten energeacutetica del sistema el consumo de energiacutea anual y el porcentaje que el sistema fotovoltaico produciraacute al final del antildeo en funcioacuten del tamantildeo del arreglo fotovoltaico del recurso solar y de la eficiencia del inversor interactivo con la red De esta forma se pretende aplicar la teoriacutea acerca de sistemas fotovoltaicos vista
en los anteriores 3 capiacutetulos en un aplicativo para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos propuesta presentada para la empresa Colombian Solar Systems
SAS a manera de praacutectica conducente a trabajo de grado A continuacioacuten se
presenta la comparacioacuten respecto a dos metodologiacuteas de disentildeo la primera
mediante el aplicativo propuesto en este capiacutetulo y la segunda con la simulacioacuten
desarrollada por el software PVSol expert
130
Capiacutetulo 5
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En este capiacutetulo se pretende exponer y comparar los resultados obtenidos por la
metodologiacutea planteada para el aplicativo propuesto para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos y la metodologiacutea de simulacioacuten mediante software comercial
PVSOLreg
Para corroborar la viabilidad de los disentildeos del aplicativo se propuso comparar sus
resultados con los obtenidos por otra metodologiacutea para este caso se utilizoacute la
simulacioacuten en un software especializado PVSOLreg Se propuso desarrollar 4
sistemas fotovoltaicos aislados y 3 sistemas fotovoltaicos interconectados a red
todos desarrollados en territorio colombiano y adquiridos bajo la experiencia de la
empresa Colombian Solar Systems SAS Con esta comparacioacuten se pretende
verificar si los disentildeos obtenidos por el aplicativo son resultados similares o si por
el contrario son muy alejados a los obtenidos por el software cabe resaltar que al
encontrar resultados similares no se garantiza un disentildeo enteramente confiable
sin embargo se puede dar un excelente indicio de un sistema fotovoltaico que esteacute
cercano a suministrar el 100 de la demanda si por el contrario se encuentran
resultados con un amplio margen de error se motiva el estudio para buscar una
metodologiacutea que tenga en cuenta nuevas teoriacuteas y nuevos estudios Sin embargo
para abordar claramente dicha comparacioacuten es necesario hacer una descripcioacuten
acerca de la metodologiacutea sobre disentildeo de sistemas fotovoltaicos con el software
PVSOLreg
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreg
El software PVSOLreg ofrece a los ingenieros y arquitectos una metodologiacutea faacutecil de
usar disentildeada para la praacutectica real tanto para el dimensionamiento como para el
disentildeo la simulacioacuten dinaacutemica y la evaluacioacuten de rendimientos para instalaciones
de energiacutea solar fotovoltaica Estaacute disentildeado tanto para sistemas conectados a red
con inyeccioacuten total asiacute como para sistemas con inyeccioacuten del excedente a la red
El software PVSOLreg puede simular el almacenamiento de energiacutea en sistemas
con bateriacuteas e importar perfiles de carga medidos en pasos de 15 minutos y 1
minuto Ademaacutes puede calcular las peacuterdidas en las cadenas y las peacuterdidas por el
cableado ACDC por inversor Tambieacuten incluye la herramienta de visualizacioacuten en
3D y un caacutelculo detallado de las sombras en instalaciones conectadas a la red con
131
los moacutedulos tanto paralelos como integrados en la cubierta asiacute como sistemas
montados en tejado y en aacutereas libres
Estas son algunas caracteriacutesticas destacadas del software
Acceso a los datos climaacuteticos de maacutes de 8000 lugares en el mundo
Archivo completo con maacutes de 13000 moacutedulos y 3100 inversores
Caacutelculo graacutefico del nuacutemero de moacutedulos en el tejado con configuracioacuten de
varios tipos de tejado
Detallado caacutelculo de sombras con simulacioacuten 3D
Estas caracteriacutesticas sumadas con una experiencia de 20 antildeos en la simulacioacuten
de sistemas fotovoltaicos hace de esta una herramienta importante y por esta
razoacuten se propone usarla como referencia para comparar los resultados del disentildeo
generados por el aplicativo propuesto en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se dan las descripciones generales de los sistemas autoacutenomos
base con los que se haraacute la comparacioacuten
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASE
Los sistemas fotovoltaicos piloto utilizados en este trabajo han sido aportados por
una base de datos propia de la empresa Colombian Solar Systems SAS esta
contiene peticiones de usuarios para soluciones energeacuteticas con sistemas
fotovoltaicos en distintos lugares del paiacutes
A continuacioacuten se presenta las caracteriacutesticas de demanda recurso solar y
estabilidad para cada piloto
521 Piloto sistema aislado 1
La primera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
132
Nuacutemero
de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de
la carga
6 12 4 Bombillos led
2 120 4 Televisor
2 180 6 Portaacutetil
1 200 1 Impresora
1 15 24 Modem
1 180 10 Nevera
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1
Los datos expuestos en la tabla 51 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
171971422 13148
1067 952 8949 9823 11232118021346712939
15553
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
133
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
Horas
solar pico
Enero 171972 555
Febrero 142198 508
Marzo 131477 424
Abril 106698 356
Mayo 95201 307
Junio 89485 298
Julio 98228 317
Agosto 112321 362
Septiembre 118016 393
Octubre 134671 434
Noviembre 129391 431
Diciembre 155527 502
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 298 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
134
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 298
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1
522 PILOTO SISTEMA AISLADO 2
La propuesta dos tiene como objetivo resaltar la importancia del recurso solar en
el lugar donde se desea hacer la instalacioacuten al igual que analizar la importancia de
ajustar a valores adecuados la inclinacioacuten del arreglo de esta forma se planteoacute las
mismas condiciones de la propuesta 1 (tabla 51 Datos de consumo de la
propuesta 1) pero con el recurso solar obtenido en la estacioacuten climatoloacutegica del
aeropuerto en la Isla de San Andreacutes y ajustando la inclinacioacuten a un valor cercano a
la latitud El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se expondraacute a
continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la simulacioacuten
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San
Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la Irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
1684718425 204617784
13987136571332714115160591538113019
15325
050
100150200250
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 15degy acimut 0deg
135
MES IRRADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16847 543
Febrero 18425 658
Marzo 2046 66
Abril 17784 593
Mayo 13987 451
Junio 13657 455
Julio 13327 43
Agosto 14115 455
Septiembre 16059 535
Octubre 15381 496
Noviembre 13019 434
Diciembre 15325 494
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 43 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
136
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 43
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2
523 PILOTO SISTEMA AISLADO 3
La tercera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 60 2 Purificador de
agua
1 30 4 Equipo de
sonido
1 80 5 Televisor
1 10 3 Circuito de carga
para celular
6 9 5 Bombillos led
1 80 12 Nevera
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3
Los datos expuestos en la tabla 56 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
con una inclinacioacuten de 10deg
137
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16417 53
Febrero 14159 506
Marzo 13941 45
Abril 11912 397
Mayo 11229 362
Junio 10858 362
Julio 11813 381
Agosto 12913 417
Septiembre 12807 427
Octubre 13706 442
1641714159 13941
11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 1272314889
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 10deg y acimut 0deg
138
Noviembre 12723 424
Diciembre 14889 48
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 362
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3
524 Piloto Sistema Aislado 4
La cuarta propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Perales ubicado en la ciudad de Ibagueacute en el
departamento de Tolima el usuario solicita una solucioacuten para iluminar un sendero
peatonal con iluminacioacuten led y un sistema fotovoltaico el ensamble de todo el
sistema se realizaraacute en un poste por lo que el sistema fotovoltaico deberaacute ser
pequentildeo y liviano El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 100 12 Iluminaria Led
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4
139
Los datos expuestos en la tabla 59 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Perales
con una inclinacioacuten de 10deg
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 14149 456
Febrero 11943 427
Marzo 12779 412
Abril 10328 344
Mayo 10725 346
1414911943 12779
10328 1072512195
10867 992811646 12202 12507 12695
0
50
100
150
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
140
Junio 12195 407
Julio 10867 351
Agosto 9928 32
Septiembre 11646 388
Octubre 12202 394
Noviembre 12507 417
Diciembre 12695 41
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 32
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 15
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4
Ya con los datos de recurso solar tiempo de recuperacioacuten del sistema y diacuteas de
autonomiacutea se puede desarrollar el disentildeo del sistema fotovoltaico que constaraacute
del caacutelculo de la potencia fotovoltaica necesaria y de la capacidad del banco de
bateriacuteas debido a que a partir de estos dos datos se calcula el nuacutemero de
moacutedulos y de bateriacuteas dependiendo de la capacidad de potencia y capacidad de
almacenamiento respectivamente
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMO
Los resultados de las anteriores propuestas para sistemas aislados se presentan
como la potencia fotovoltaica calculada y la capacidad necesaria del banco de
141
bateriacuteas con estos dos paraacutemetros el usuario podraacute calcular el nuacutemero de paneles
y bateriacuteas dependiendo de la potencia del panel que se desea usar y de la
capacidad de almacenamiento de la bateriacutea en particular respectivamente
(expresiones 225 y 212) Para el caacutelculo se supone una eficiencia del inversor del
90 y una eficiencia de la bateriacutea del 80 estos valores son usualmente
acogidos para disentildeos de sistemas fotovoltaicos [10]
A continuacioacuten se presentan los resultados de la simulacioacuten en el software
PVSOLreg y con el aplicativo propuesto para este trabajo
Resultados Piloto 1
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
2620 W 4807 Ah
Aplicativo 26703 W 534 Ah Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
Para este disentildeo descrito en la tabla 512 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900)
de 48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 2
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
1818 W 4807 Ah
Aplicativo 17389 W 534 Ah Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 513 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 3
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
731 W 4757 Ah
Aplicativo 7289 W 5864 Ah Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
142
Para el disentildeo descrito en la tabla 514 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 4
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
495 200 Ah
Aplicativo 48611 2777 Ah Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 515 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
54 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A RED
Las consultas por usuarios a la empresa Colombian Solar Systems SAS acerca
de este tipo de sistemas son menores que para el caso del sistemas fotovoltaicos
aislados sin embargo la base de datos que proporciona esta empresa puede
suministrar varias propuestas que se estudiaraacuten en esta seccioacuten
541 Piloto sistema interconectado a red 1
Esta propuesta fue solicitada por un usuario que necesitaba disminuir el consumo
de energiacutea eleacutectrica por parte de la electrificadora encargada en un eco hotel de
su propiedad por tanto acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 8220
Febrero 6120
Marzo 6960
Abril 8340
143
Mayo 6600
Junio 6660
Julio 6540
Agosto 7560
Septiembre 7320
Octubre 7800
Noviembre 9060
Diciembre 7800
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para el lugar exacto donde se
desea hacer la instalacioacuten solar A continuacioacuten se ilustra la interfaz graacutefica con la
que un usuario deberaacute interactuar para seleccionar el recurso solar en un lugar
exacto
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
144
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para
una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
En esta propuesta se plantea un 10 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
542 Piloto sistema interconectado a red 2
Esta propuesta fue solicitada por un grupo de usuarios que requieren alimentar
parte de su consumo con energiacutea solar en una zona residencial en la ciudad de
Bogotaacute por tanto se acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso A continuacioacuten se presenta el consumo de
energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 823912
Febrero 744176
Marzo 823912
Abril 765136
Mayo 790644
Junio 76422
Julio 79926
Agosto 79926
1753 15272 15053 13025 12342 11971 12925 14025 1392 14819 13835 16002
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
145
Septiembre 77348
Octubre 793868
Noviembre 76826
Diciembre 793868
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica
ubicada en el aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute La siguiente tabla
ilustra los datos obtenidos seguacuten el software PVSOLreg
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la
ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
543 Piloto sistema interconectado a red 3
Esta propuesta fue solicitada por un usuario en la ciudad de Pasto para una
residencia el usuario busca disminuir el consumo de energiacutea por parte de la
electrificadora encargada y servir de referente para los demaacutes usuarios en la
unidad residencial haciacutea el autoconsumo con energiacuteas renovables por tanto se
acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para solicitar un estudio de
un sistema fotovoltaico interconectado a la red Cabe resaltar que entre los
requerimientos del usuario estaacute el uso de una superficie inclinada a 10ordm y
orientacioacuten Norte (acimut 180ordm) para la instalacioacuten del arreglo fotovoltaico
1640914048 13989
11946 11222 10765 1178 12819 12832 13638 1279614967
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
146
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en un antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 205978
Febrero 186044
Marzo 205978
Abril 191284
Mayo 197661
Junio 191055
Julio 199815
Agosto 199815
Septiembre 19337
Octubre 198467
Noviembre 192065
Diciembre 198467
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg bajo el meacutetodo de
interpolacioacuten debido a la ausencia de una estacioacuten climatoloacutegica con nexo a la
base de datos de MeteoSyn (programa encargado de estudios sobre recurso solar
para software PVSOLreg) La siguiente tabla ilustra los datos obtenidos seguacuten el
software PVSOLreg
147
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto
(Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADOS A RED
Para sistemas interconectados a la red el software PVSOLreg analiza el nuacutemero de
paneles que el usuario quiera implementar pero no consulta el porcentaje de
consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar por parte del arreglo
fotovoltaico cabe recordar que este uacuteltimo es un paraacutemetro fundamental para el
dimensionamiento del arreglo fotovoltaico por parte del aplicativo propuesto por
este trabajo asiacute entonces se analizoacute en primera instancia cada propuesta con el
aplicativo teniendo en cuenta el porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar por parte del arreglo fotovoltaico para cada propuesta para asiacute
calcular un nuacutemero de paneles necesario que seraacute usado por el software
PVSOLreg Esto con el fin de que ambas metodologiacuteas calculen la energiacutea que un
sistema fotovoltaico podraacute suministrar a lo largo del antildeo del estudio
Dicha comparacioacuten ayudaraacute a verificar si el arreglo fotovoltaico calculado por el
aplicativo produce valores de energiacutea al antildeo similares o muy alejados a los
calculados por el software PVSOLreg cabe resaltar que el software calcula la
energiacutea que el arreglo produce cada diacutea del antildeo de acuerdo a la irradiacioacuten
exportada del recurso solar en el lugar donde se desea implementar el arreglo
fotovoltaico esto hace que sea una metodologiacutea adecuada para la comparacioacuten
A continuacioacuten se muestran los resultados para cada propuesta
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1
12384 10757 12208 12019 1265814763 13517 13448 13364 1283 11727 10961
0
50
100
150
200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 15degACIMUT 180deg
148
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 516 y
el recurso solar expuesto en la figura 56 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
La tabla 519 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 1
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 1
Consumo anual 88980kWh
Porcentaje de energiacutea (dato inicial) 10
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 17072kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 24
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 9034kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 8235kWh
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red
149
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 517 y
el recurso solar expuesto en la figura 57 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
La tabla 520 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 2
Consumo anual 9440kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 1572 kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 9
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 311987kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 2912kWh
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red
150
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 518 y
el recurso solar expuesto en la figura 58 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
La tabla 521 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 3
Consumo anual 2360kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 15066 kWhm2
Potencia del panel 180W
Nuacutemero de paneles 3
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 732kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 671kWh
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red
151
56 CONCLUSIONES
Basado en el trabajo de realizado y resultados obtenidos se concluye que
La potencia fotovoltaica calculada para los pilotos correspondientes a sistemas
aislados para ambas metodologiacuteas es similar maacutes no igual esto es debido a que
las metodologiacuteas usan distintas maneras para calcular un arreglo fotovoltaico Sin
embargo los resultados obtenidos no superan un rango de error mayor al 5 lo
que da un indicio de un disentildeo acertado del arreglo fotovoltaico
La capacidad del banco de bateriacuteas para las propuestas de sistemas aislados
involucran unas diferencias considerables para ambas metodologiacuteas es tal el caso
de obtener errores superiores al 11 Cabe resaltar que la simulacioacuten del banco
de bateriacuteas mediante el aplicativo para las cuatro propuestas fueron calculados
teniendo en cuenta perdidas en el inversor y en las bateriacuteas (10 y 20
respectivamente) sin embargo al no tener en cuenta dichas peacuterdidas la capacidad
del banco calculada por el aplicativo para cada uno de los casos es la misma que
la calculada por el software PVSOLreg lo que podriacutea significar que el software
PVSOLreg no tiene en cuenta dichas peacuterdidas a la hora de dimensionar un banco
de bateriacuteas Acoger esta premisa significariacutea ir en contra a lo propuesto por este
trabajo que es siempre tener en cuenta las peacuterdidas de los dispositivos con el fin
de preservar la esperanza de vida de las bateriacuteas y cumplir con el tiempo de
autonomiacutea especificado por el usuario para la aplicacioacuten
Para el caso de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red la diferencia de
produccioacuten de energiacutea bajo un antildeo de estudio calculada por ambas metodologiacuteas
no es mayor al 10 siendo para todos los casos la energiacutea calculada por el
software menor a la calculada por el aplicativo Esto puede significar que el
software tiene en cuenta otras peacuterdidas que el aplicativo no sin embargo las
diferencias no son significativas
152
57 RECOMENDACIONES
Con este trabajo se pretende plantear una metodologiacutea de disentildeo de sistemas
fotovoltaicos mediante el entorno graacutefico de Matlab sin embargo se podriacutea motivar
para trabajos futuros el estudio para desarrollar esta misma metodologiacutea en otros
ambientes graacuteficos con el fin de que el aplicativo sea maacutes portable
Un trabajo complementario a este podriacutea estar basado en la medicioacuten del recurso
solar para un lugar en especiacutefico durante todo un antildeo Esto con el fin de verificar
que tan confiables son las herramientas disponibles para el caacutelculo de radiacioacuten
solar en un lugar en especiacutefico
Para trabajos futuros relacionados con el tema se propone un estudio detallado
sobre el consumo de un usuario en especiacutefico de tal forma que se analice la curva
de potencia en cada hora del diacutea durante un tiempo en especiacutefico esto junto con
un estudio de medicioacuten de irradiacioacuten solar diario podraacuten entregar los datos
suficientes para calcular la energiacutea que se aprovecharaacute de un sistema fotovoltaico
y la que se inyecta a la red esto con el fin de concluir si un arreglo fotovoltaico es
viable para un usuario en especiacutefico Podriacutea motivarse auacuten maacutes el estudio si se
tratara de una entidad que preste un servicio importante a la comunidad como por
ejemplo hospitales colegios universidades aeropuertos etc
Para un trabajo relacionado con el tema se propone estudiar el recurso en un lugar
en especiacutefico de manera detallada con el fin de hacer un estudio probabiliacutestico que
determine un buen valor de los paraacutemetros tiempo de recuperacioacuten del sistema y
diacuteas de autonomiacutea esto con el fin de plantear una metodologiacutea que permita
calcular sistemas fotovoltaicos maacutes confiables
153
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Manual Disponible en httpwwwvalentin-
softwarecomsitesdefaultfilesdownloadshandbuecherenmanual-pvsol-enpdf
Dedicatoria
A todas la personas que de una u otra forma me acompantildearon en este proceso
Juan Pablo Silva Sarasty
AGRADECIMIENTOS
A la empresa Colombian solar Systems SAS y a Julio Ceacutesar Montero por la
oportunidad de desempentildear esta praacutectica conducente en su empresa y por todo la
experiencia adquirida
Al ingeniero Alexander Molina Cabrera por hacer el acompantildeamiento como
profesor guiacutea y que a pesar de sus compromisos laborales en su doctorado
siempre estuvo dispuesto a compartir sus conocimientos
INTRODUCCIOacuteN
Los sistemas fotovoltaicos son una alternativa amigable con el medio ambiente
para producir electricidad a partir de la energiacutea proveniente del Sol Los sistemas
fotovoltaicos pueden ser interconectados a red el sistema produce parte de la
energiacutea que el usuario demande y se toma como respaldo la energiacutea proveniente
de la red y sistemas fotovoltaicos autoacutenomos en donde el arreglo fotovoltaico
(grupo de paneles solares) debe producir la energiacutea necesaria para el consumo
en el diacutea almacenar otra parte para el consumo en las noches y servir de
respaldo para casos en donde la radiacioacuten solar se vea afectada por fenoacutemenos
ambientales involucrando entonces dos fuentes de energiacutea que deberaacuten ser
modeladas en conjunto
En la actualidad existen diversas herramientas que son capaces de modelar un
sistema fotovoltaico arrojando datos de cargabilidad y eficiencia respecto a los
elementos que lo componen es el caso del software especializado PVSOLreg el
cual utiliza bases de datos de irradiacioacuten solar y posee la capacidad de realizar
simulacioacuten de sombras Sin embargo es necesario realizar un aplicativo capaz de
incorporar toda la teoriacutea y conceptos de que consta el disentildeo y caacutelculo de un
sistema fotovoltaico para Colombia con el fin de comparar ambas metodologiacuteas
de disentildeo y asiacute poder obtener un sistema mejor dimensionado
La Universidad Tecnoloacutegica de Pereira se ha caracterizado por el protagonismo de
sus estudiantes y de la Institucioacuten en la innovacioacuten de los diferentes campos de las
ciencias que le competen pero hasta el momento no se han presentado aportes a
el aacuterea de software especializados en sistemas fotovoltaicos es por esto que se
hace necesaria la creacioacuten de un aplicativo con la capacidad de disentildear sistemas
fotovoltaicos que no solo sirva como un referente regional para la implementacioacuten
de este tipo de sistemas de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica si no tambieacuten que
cumpla la tarea de realizar una comparacioacuten de metodologiacuteas entre el algoritmo
propuesto en el proyecto y el software PVSOLreg uno de los maacutes utilizados hasta el
momento por la industria por su novedoso meacutetodo para modelar sombras
En el primer capiacutetulo se abordan los principios del efecto fotoeleacutectrico y
fotovoltaico como conceptos principales de la conversioacuten de energiacutea proveniente
del espectro solar en energiacutea eleacutectrica que puede ser aprovechada para el uso
residencial y comercial En el capiacutetulo 2 se estudian los sistemas aislados su
funcionamiento disentildeo y dimensionamiento En el capiacutetulo 3 se tratan los
sistemas interconectados a red su clasificacioacuten componentes disentildeo y
moldeamiento En el capiacutetulo 4 se explica el funcionamiento del aplicativo
propuesto para este trabajo su entorno graacutefico y expresiones matemaacuteticas tanto
para sistemas interconectados a la red como para los autoacutenomos El capiacutetulo 5
expone las caracteriacutesticas de los pilotos con los cuales se pretende hacer las
comparaciones con las dos metodologiacuteas los resultados obtenidos y las
recomendaciones
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un aplicativo para el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos y
compararlo con el software PVSOLreg
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Alcanzar el estado del arte en el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos
a partir de software y aplicativos especializados
Plantear un aplicativo capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector
residencial y rural (cargas de baja inductancia) para el territorio
colombiano
Modelar el sistema fotovoltaico base en el software especializado
PVSOLreg
9
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIOacuteN
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
TABLA DE CONTENIDOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
CAPIacuteTULO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
11 ANTECEDENTEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
131 Conductores semiconductores y aislanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
132 Unioacuten p-nhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
133 La ceacutelula fotovoltaicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
134 Silicio monocristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
135 Silicio policristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
136 Silicio amorfohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
14 RECURSO SOLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34 141 Factores externos a la superficie de la Tierrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
142 Factores climaacuteticoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
143 Componentes de la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
15 DESARROLLOS EN COLOMBIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
161 Declinacioacuten Magneacuteticahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
162 Trayectoria solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
163 Acimuthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
164 Inclinacioacuten del arreglohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Objetos que crean sombrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
CAPIacuteTULO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
211 El panel fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
2111 Estructura de los paneles solareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21111 La cubierta frontalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
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21112 El material encapsulantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
21113 La cubierta posteriorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21114 El marco metaacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21116 Diodos de bypass helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21117 Diodos de bloqueohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
212 Bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
2121 Tipos de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abiertohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
21212 Bateriacuteas alcalinashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
2122 Especificaciones de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21221 Capacidad de la bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21222 Ritmo y profundidad de descargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
21223 Condiciones ambientaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
213 Regulador de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
2131 Reguladores PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
2132 Reguladores MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
214 Inversores autoacutenomoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 70
2141 Clasificacioacuten de inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21411 Inversores de onda cuadradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21412 Inversores de onda cuadrada modificadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21413 Inversores de onda sinusoidalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
2142 Caracteriacutesticas de los inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72 22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
221 Estimacioacuten del consumo y cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
222 Recurso solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphellip 78
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 81
CAPIacuteTULO 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 85
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 85
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA 90
11
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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322 Estudio del consumo anualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solarhelliphelliphelliphellip 91
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblicohelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
331 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
CAPIacuteTULO 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 96
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 97
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 100
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuestohelliphelliphelliphellip 100
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWMhelliphellip 107
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 109
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphellip 110
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 119
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPThelliphelliphelliphelliphelliphellip 120 42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador MPPT 121
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas con aplicativo propuestohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
CAPIacuteTULO 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASEhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
521 Piloto sistema aislado 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
522 Piloto sistema aislado 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
523 Piloto sistema aislado 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
524 Piloto sistema aislado 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
54 Sistemas fotovoltaicos interconectados a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
541 Piloto sistema interconectado a red 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
542 Piloto sistema interconectado a red 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 144
543 Piloto sistema interconectado a red 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 147
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 148
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 149
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
12
56 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
57 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 152
BIBLIOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 153
13
IacuteNDICE DE FIGURAS Figura 11 Primera celda solar 17
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico 19
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 23
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 23
Figura 15 Efecto fotovoltaico 29
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino 31
Figura 17 Panel solar silicio policristalino 32
Figura 18 Panel de silicio amorfo 33
Figura 19 Espectro solar 35
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten 37
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica 42
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira 43
Figura 21 Componentes de un panel solar 48
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica 50
Figura 23 Modelo eleacutectrico de un panel solar 51
Figura 24 Modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra 52
Figura 25 Funcionamiento de diodo de bypass 52
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo 53
Figura 27 Curva caracteriacutestica de una celda solar 54
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar 55
Figura 29 Efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar 55
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto 58
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA 59
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM 60
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea 63
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar 66
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT 70
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida 72
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor 73
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el aplicativo 99
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico 100
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo 101
Figura 44 Informacioacuten de consumo 101
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo 102
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico 103
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria 104
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas 105
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga 106
Figura 410 Regulador PWM 107
Figura 411 Verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM 110
Figura 412 Tensioacuten de la bateriacutea VS Estado de carga 111
14
Figura 413 Regulador MPPT 117
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT 120
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
122
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel 123
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab 124
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada 125
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica 127
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red 128
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red 129
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
132
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
134
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
137
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
139
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
143
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
144
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
145
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto (Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
147
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
148
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
149
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
150
15
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas fotovoltaicas comerciales
33
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar
36
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente
36
Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia 41
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
45
Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira 45
Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea 64
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1 132
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
133
Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1 134
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
135
Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2 136
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3 136
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
138
Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3 138
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4 138
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
140
Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4 140
Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
141
Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
142
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980 kWhantildeo
143
16
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996 kWhantildeo
145
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360 kWhantildeo
146
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red 148
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red 149
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red 150
17
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
Capiacutetulo 1 REFERENTE TEOacuteRICO 11 ANTECEDENTES El intereacutes en el estudio del aprovechamiento de la energiacutea solar tuvo su origen en
1839 cuando el fiacutesico franceacutes Alexandre Edmond Becquerel analizoacute a profundidad
el fenoacutemeno de la fosforecencia a traveacutes del estudio de cuerpos que tienen la
propiedad de emitir luz propia en la oscuridad despueacutes de haber sido expuestos a
la irradiacioacuten de un foco de luz [1] En 1873 el cientiacutefico britaacutenico Willoughby Smith
estudioacute el comportamiento del selenio bajo la exposicioacuten a la luz y concluyoacute que
este aumenta su capacidad de conducir electricidad a medida que la exposicioacuten a
la luz aumentaba [2] Diez antildeos maacutes tarde Charles Fritts inventor
estadounidense creoacute las primeras celdas solares las cuales usaban uniones
formadas por el recubrimiento de los semiconductores hechos de selenio con una
capa ultra delgada casi transparente de oro ver figura 1 Esta fue muy poco
eficiente transformando menos del 1 de la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica
Sin embargo este descubrimiento demostroacute la viabilidad del uso de la energiacutea
solar para generar electricidad [3]
Figura 11 Primera celda solar tomada de The Encyclopedia OF EARTH Fritts
Charles Edgar 22 de Agosto del 2008 Disponible en
httpwwweoearthorgviewarticle152869
En 1887 Heinrich Hertz descubrioacute por accidente lo que hoy se conoce como
efecto fotoeleacutectrico Hertz generoacute una chispa oscilante mediante una bobina de
induccioacuten entre dos pequentildeas esferas metaacutelicas las cuales el denominoacute el
transmisor induciendo una chispa similar entre dos esferas de metal diferentes
18
conectadas a un aro de alambre que eacutel denominoacute el receptor y que a su vez no
teniacutea conexioacuten eleacutectrica alguna con el transmisor Con este experimento Hertz
estudiaba la teoriacutea de ondas electromagneacuteticas propuesta por Maxwell en donde
una carga acelerada produciriacutea un campo eleacutectrico cambiante de manera no
uniforme que a su vez produciriacutea un campo magneacutetico cambiante y asiacute
sucesivamente Hertz dedujo que el componente de campo eleacutectrico cambiante
causa cargas inducidas en el receptor lo que produce la chispa con las mismas
caracteriacutesticas del transmisor Hertz observoacute que para reproducir fielmente la
chispa inducida la separacioacuten de las esferas del receptor debe ser menor a un
miliacutemetro lo que le dio mucha dificultad al anaacutelisis de este estudio Hertz intento
solucionar este problema encerrando el receptor en un sitio oscuro lo que
facilitaba la visualizacioacuten de la chispa sin embargo descubrioacute que su intensidad
era claramente maacutes deacutebil en estas condiciones al cabo de un tiempo descubrioacute
que podiacutea aumentar la intensidad la de chispa mediante la iluminacioacuten con luz
visible o ultravioleta Estudios realizados en 1897 por JJ Thomson demostraron
que este aumento de la sensibilidad fue el resultado de la luz que empuja a los
electrones [4-7]
Fue entonces en 1905 cuando Albert Einstein con su artiacuteculo sobre el efecto
fotoeleacutectrico llamado On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and
Transformation of Light (ldquoHeuriacutestica de la generacioacuten y conversioacuten de la luzrdquo)
introdujo un cambio fundamental a la teoriacutea existente del efecto fotoeleacutectrico que
en aquel entonces era acogida por la teoriacutea de Maxwell en donde la luz es
modelada como una onda continuacutea y por ende su energiacutea va relacionada
netamente a esta
Einstein proponiacutea que la luz estaacute formada por ldquopaquetes de partiacuteculasrdquo llamados
fotones y que la energiacutea de cada fotoacuten de luz es igual a la frecuencia multiplicada
por una constante De este modo un fotoacuten por encima de un umbral de frecuencia
tiene la energiacutea requerida para expulsar un solo electroacuten justificando asiacute el
fenoacutemeno observado por Hertz al exponer el receptor a luz ultravioleta Asiacute la
energiacutea de electrones expulsados individuales aumenta linealmente con la
frecuencia de la luz
De esta manera los dos factores que afectan a la energiacutea cineacutetica maacutexima de los
fotoelectrones (o electrones liberados) son la frecuencia de la radiacioacuten incidente
y el material de la superficie La energiacutea de los electrones aumenta con la
frecuencia de la luz incidente de una manera lineal con pendiente igual a la
constante de Planck Cada curva tiene un intercepto en el eje de la frecuencia
diferente lo que demuestra que la frecuencia de umbral estaacute en funcioacuten del
material La mayoriacutea de los elementos tienen frecuencias de umbral ultravioleta
pero existen algunos como el potasio que tienen un umbral suficientemente bajo
19
como para ubicarlo entre el amarillo y el verde Los materiales con los valores maacutes
bajos son los que se encuentran bajo el nombre de semiconductores algunos
incluso llegan debajo del infrarrojo cercano [8]
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico imagen tomada de The Physics Hyper Text Book Photoelectric Effect Disponible en httpphysicsinfophotoelectric
El efecto fotoeleacutectrico actualmente se conoce como el hecho de que un material
pueda desprender electrones por un conductor gracias a la energiacutea recibida por
un haz de luz El haz de luz emite fotones que son partiacuteculas portadoras de todas
las formas de radiacioacuten La energiacutea transmitida por el fotoacuten es absorbida por el
electroacuten haciendo que este tenga la energiacutea suficiente para escapar del aacutetomo El
efecto fotoeleacutectrico ha permitido desarrollar ademaacutes del laacuteser sateacutelites de
comunicacioacuten y la energiacutea eleacutectrica a partir de radiacioacuten solar entre otros
Los aportes realizados por Einstein acerca del fenoacutemeno fotoeleacutectrico le hicieron
merecedor del Premio Nobel de Fiacutesica en 1922 [9]
Por otra parte en 1918 el cientiacutefico polaco Ene Czochralski produjo un meacutetodo
para hacer crecer monocristales de metal Lo que inspiroacute los estudios
fotoeleacutectricos con selenio a lo largo de los antildeos 30 a pesar de su baja eficiencia y
sus altos costos Maacutes adelante en 1948 Gordon Teal y John Little adaptaron el
meacutetodo de Czochralski para el crecimiento de los cristales para producir
germanio monocristalino y despueacutes producir silicio
20
En 1950 los laboratorios Bell comenzaron la buacutesqueda de una viacutea confiable para
energizar los sistemas de comunicacioacuten remotos Los cientiacuteficos de Bell
descubrieron que el silicio el segundo elemento maacutes abundante de la Tierra era
sensible a la luz y cuando se le trataba con ciertas impurezas generaba una
tensioacuten eleacutectrica considerable Este fenoacutemeno es causado por la recoleccioacuten de
cargas generadas en el efecto fotoeleacutectrico para generar energiacutea eleacutectrica este
comportamiento se conoce como efecto fotovoltaico y es la base de
funcionamiento de las celdas solares En 1954 Bell desarrollo una celda basada
en silicio que alcanzaba el 6 de eficiencia
Poco despueacutes en 1958 T Mandelkorn creoacute ceacutelulas fotovoltaicas de silicio n-on-P
(laacutemina de silicio dopada tipo n en la parte frontal y tipo p en la parte posterior)
con eficiencias del 9 que son maacutes resistentes al dantildeo por radiacioacuten y son maacutes
adecuadas para actividades espaciales que fueron utilizadas para el Vanguard l
conocido como el primer sateacutelite artificial alimentado con energiacutea solar [10]
En 1963 Sharp logroacute ser la primera compantildeiacutea en producir masivamente celdas
solares marcoacute un paso significativo para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a
partir de energiacutea solar dando su aporte en tiempos de preocupacioacuten internacional
respecto a la conservacioacuten del medioambiente Sin embargo el medio ambiente no
fue el uacutenico campo en el que se expandieron estos estudios la NASA en 1966
lanzo a la oacuterbita un observatorio astronoacutemico con una configuracioacuten fotovoltaica de
1kw y en 1972 la Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japoacuten (NASDA)
autorizoacute a Sharp para equipar con celdas solares el proyecto que pondriacutea en oacuterbita
al sateacutelite ldquoUmerdquo El reto para ese entonces fue soportar los severos cambios de
temperatura y radiacioacuten coacutesmica presentes en el espacio sin embargo el
comportamiento de los sistemas puestos a bordo fueron adecuados lo que
impulsariacutea en el futuro la utilizacioacuten de este tipo de generacioacuten de energiacutea para
usos espaciales debido a su faacutecil autonomiacutea y confiabilidad en este entorno [11
12]
En 1974 Japoacuten lanzoacute un importante proyecto con fines investigativos ldquoSunshine
Projectrdquo el cual fue promovido por el Ministerio de Comercio e Industria de Japoacuten
que teniacutea por objeto el desarrollo de las siguientes fuentes de energiacutea
1 Energiacutea solar
2 Energiacutea geoteacutermica
3 Gasificacioacuten del carboacuten y licuefaccioacuten
4 Energiacutea del hidroacutegeno
21
Este proyecto se promovioacute a escala nacional con la plena cooperacioacuten de las
organizaciones nacionales de institutos de investigacioacuten universidades y
empresas privadas asiacute como mediante la cooperacioacuten internacional El Sunshine
Project teniacutea como fin investigar aspectos importantes de las formas de
generacioacuten mencionadas anteriormente [13]
De manera similar en 1977 se fundoacute el Laboratorio Nacional de Energiacutea
Renovable (NREL por sus siglas en ingleacutes) en Estados Unidos fue denominado
primer laboratorio de energiacutea renovable y la eficiencia energeacutetica de investigacioacuten
y desarrollordquo y se financia a traveacutes del Departamento de Energiacutea de EEUU (DOE
por sus siglas en ingleacutes) El NREL se caracterizoacute por sus estudios en energiacutea
fotovoltaica desarrollando e impulsando este tipo de generacioacuten en Estados
Unidos Las instalaciones del campus del NREL dedicadas a la investigacioacuten
fotovoltaica poseen sistemas fotovoltaicos capaces de satisfacer las necesidades
de los ingenieros investigadores en esta aacuterea Este notable intereacutes en las
universidades y centros de investigacioacuten alrededor de todo el mundo llevoacute a
grandes logros en 1980 respecto a eficiencia de las ceacutelulas el maacutes importante fue
el presentado por la Universidad de Delaware en Estados Unidos que desarrolloacute
la primera ceacutelula solar de peliacutecula delgada que obtiene una eficiencia del 10
utilizando sulfuro de cobre (Cu2S) y sulfuro de cadmio (CdS) Lo que conllevariacutea a
grandes avances en cuestioacuten de produccioacuten de energiacutea fotovoltaica
A lo largo de la deacutecada de los ochentas y gracias a los avances de los 70 parecioacute
aceptarse que el liacutemite praacutectico para la eficiencia de las ceacutelulas de Silicio se
situaba alrededor de un 20 sin embargo los liacutemites teoacutericos suponiacutean un 337
[14] A mediados de los 80 se introducen algunas innovaciones que conducen a un
raacutepido incremento del rendimiento de estos dispositivos Estas mejoras fueron
basadas en reducir las recombinaciones en la estructura de la ceacutelula y en
particular en sus superficies y en sus contactos metaacutelicos Varios hechos
destacables ocurrieron en esta deacutecada tales como el ocurrido en la universidad de
Gales del Sur en donde se fabricoacute una ceacutelula fotovoltaica de silicio que llegoacute al
20 de eficiencia tambieacuten gracias a los avances en nuevos conceptos como
pasivacioacuten de la superficie (formacioacuten de una peliacutecula muy delgada sobre la
superficie de un material que lo enmascara en contra de la accioacuten de agentes
externos) en la universidad de Stanford en 1988 se disentildeoacute una ceacutelula de 851198881198982
que alcanzoacute una eficiencia del 223 en condiciones normales de operacioacuten [15]
En septiembre de 2013 se anuncioacute la obtencioacuten de un nuevo record de eficiencia
de conversioacuten fotovoltaica del 447 Este tipo de ceacutelulas estaacute catalogada como
ldquoceldas taacutendemrdquo o de ldquomultiunionesrdquo que consta de la unioacuten de varias subceldas
fabricadas una encima de la otra de forma tal que se compactan para formar una
sola pieza (monoliacutetico) El record se establecioacute usando sistemas oacutepticos que
22
logran concentrar la radiacioacuten en la superficie de una celda y los materiales
usados son combinaciones de los elementos quiacutemicos del grupo III y V de la tabla
perioacutedica que son Arseacutenico Indio Foacutesforo y Galio entre otros El costo de este tipo
de ceacutelula es elevado (lo que no hace posible su uso de manera comercial) y solo
se justifica su inversioacuten en condiciones en donde la incidencia solar sea en lo
posible ininterrumpida es decir en lugares que no posean muchas nubes como
en los desiertos e implementar un sistema de seguimiento solar de dos ejes lo que
incrementariacutea potencialmente el costo debido al factor mantenimiento que asocia
una estructura en movimiento [16]
Sin embargo se siguen haciendo aportes en la categoriacutea de ceacutelulas comerciales
es el caso de Panasonic al anunciar en febrero de 2013 su reacutecord mundial de
eficiencia de conversioacuten fotovoltaica usando ceacutelulas de silicio cristalino lo que las
hace maacutes econoacutemicas para el mercado a comparacioacuten de las ceacutelulas ldquotaacutendemrdquo
con un 247 de eficiencia superando al impuesto por Sun Power con un 242
en 2012 Este logro fue implementado bajo la utilizacioacuten de silicio monocristalino
lo que la hace mucho maacutes econoacutemica Panasonic uso una tecnologiacutea de
fabricacioacuten de ceacutelulas fotovoltaicas llamadas HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin layer) que se componen de pequentildeas placas hiacutebridas monocristalinas de
silicio que se recubren de una capa delgada de silicio amorfo Este meacutetodo pudo
crear una ceacutelula de tan solo 98 micras de espesor lo que conlleva a usar menos
material por ceacutelula [17]
Simultaacuteneamente a los avances respecto a la eficiencia de las ceacutelulas
fotovoltaicas se realizaron importantes aportes respecto a la capacidad
fotovoltaica instalada desde principios de los antildeos 90 en la figura 13 se observa
el comportamiento de este aspecto en los uacuteltimos antildeos Se asegura que el parque
fotovoltaico aumenta en un 35 por antildeo desde 1998 y la Asociacioacuten Europea de
Energiacutea Fotovoltaica preveacute que el parque instalado podriacutea alcanzar unos 1 800
GW para el 2030 para una produccioacuten que representa el 14 del consumo
mundial de electricidad y capaz de dar suministro a 45 mil millones de personas
[18 19]
23
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Seguacuten el Renewables Global Status Report 2011 Europa concentra maacutes del 75
de capacidad fotovoltaica instalada en el mundo siendo Alemania el paiacutes con
mayor aumento en el 2010 y con mayor capacidad fotovoltaica instalada
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 Tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Aunque la capacidad promedio de los sistemas fotovoltaicos ha aumentado existe
un intereacutes creciente en los sistemas de pequentildea escala particularmente en los
paiacuteses en desarrollo Estos sistemas representan el 5 del mercado global y
desde los antildeos 80 este mercado ha sido creciente en Aacutefrica Asia y Ameacuterica Latina
24
en la medida en que los precios de la generacioacuten con combustibles en las zonas
aisladas son comparables con los de esta nueva tecnologiacutea [20]
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICA
El desarrollo tecnoloacutegico va iacutentimamente ligado con la capacidad de recursos
energeacuteticos que se puedan aprovechar por el ser humano A su vez el crecimiento
tecnoloacutegico es el que determina la utilizacioacuten de ciertos tipos de energiacutea y por
tanto la disponibilidad de este recurso Estos recursos energeacuteticos son usados por
el hombre con el objeto de satisfacer algunas de sus necesidades en el mayor de
los casos en forma de calor y trabajo que son posibles gracias al manejo de
electricidad
Hacia finales del siglo XIX se inventaron las primeras centrales teacutermicas que
requieren para su funcionamiento combustibles como la gasolina el diesel el gas
natural el carboacuten etc Antildeo tras antildeo se fueron sofisticando este tipo de maacutequinas
siendo maacutes econoacutemicas seguras confiables eficientes y abundantes logrando de
esta forma satisfacer demandas eleacutectricas en lugares donde los recursos hiacutedricos
no son eficaces Este tipo de maacutequinas operan bajo el principio de conversioacuten de
energiacutea quiacutemica almacenada en los combustibles en energiacutea eleacutectrica capaz de
ser transmitida y aprovechada por el ser humano Sin embargo la transformacioacuten
de dicha energiacutea genera residuos toacutexicos para el medio ambiente En un principio
la explotacioacuten de estos recursos que son derivados del petroacuteleo se consideraron
ilimitados y su impacto ambiental se consideraba despreciable sin embargo
estudios posteriores evidenciaron alteraciones atmosfeacutericas a nivel mundial como
el aumento en la concentracioacuten de dioacutexido de carbono en la atmoacutesfera
responsable del efecto invernadero lo que generoacute un aumento de temperatura
promedio a nivel mundial logrando asiacute el derretimiento del polo norte y por ende
el crecimiento del nivel de los mar
Es por esto que se hace necesario la buacutesqueda e implementacioacuten de nuevas
formas de generacioacuten de energiacutea amigables con el medio ambiente como la
energiacutea eoacutelica fotovoltaica entre otras La energiacutea fotovoltaica aprovecha la
energiacutea proveniente del Sol captando esta mediante celdas fotoeleacutectricas
capaces de convertir la luz en un potencial eleacutectrico sin que tenga lugar a un
efecto teacutermico es uno de los meacutetodos maacutes limpios y simples de produccioacuten
energeacutetica sin desechos peligrosos para el medio ambiente conocidos por el
hombre Parte de una fuente inagotable la energiacutea que emitida por el Sol y
absorbida por la atmoacutesfera terrestre Los cientiacuteficos consideran que si esta energiacutea
fuese aprovechada en su totalidad solo bastariacutea media hora para abastecer la
demanda energeacutetica mundial durante todo un antildeo Sin embargo esto es a nivel
teoacuterico pues a nivel praacutectico es imposible [15 21]
25
Aun asiacute cada vez es maacutes y mejor aprovechada la energiacutea fotovoltaica abarcando
cada vez maacutes campos de aplicacioacuten que variacutean desde sateacutelites suministro de
electricidad para poblaciones lejanas e incluso vehiacuteculos alimentados por energiacutea
solar
La principal desventaja de esta forma de generacioacuten es su elevado costo aunque
la materia prima con la que se componen los paneles solares sea el silicio que es
el segundo elemento maacutes abundante en la Tierra algunos son fraacutegiles y sensibles
compuestos por semiconductores cristales etc que requieren mantenimiento
constante y a menudo deben ser reemplazados
Los encargados de hacer la conversioacuten de energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica se
llaman moacutedulos fotovoltaicos o paneles solares un solo panel generalmente no
es capaz de suministrar suficiente energiacutea para una carga debido a que en el
mejor de los casos no llegaraacuten ni siquiera a un 40 de eficiencia No obstante
este problema se soluciona agrupando un mayor nuacutemero de paneles que
funcionen conjuntamente para producir mayor energiacutea En este orden de ideas se
busca mayor eficiencia de paneles a menor costo con el fin de usar menos
espacio y que la produccioacuten energeacutetica sea econoacutemicamente sostenible
Los problemas teacutecnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energiacutea
solar son los siguientes
1 Gran dispersioacuten de la energiacutea solar sobre la superficie de la Tierra
2 Caraacutecter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiacioacuten
solar
Se calcula que a grandes rasgos la radiacioacuten que recibe una superficie horizontal
es del orden de 11198961199081198982 al medio diacutea variando ciertas condiciones como latitud
del lugar nubosidad sombras y humedad Esto da como resultado un gran
problema de intermitencia que en muchos casos no obedece al comportamiento
tiacutepico de la demanda es decir que en ocasiones se recibe maacutes energiacutea de la que
se necesita y en otros casos se consume maacutes energiacutea de la que el sistema
fotovoltaico puede suministrar Lo anterior evidencia la importancia de un sistema
de almacenamiento capaz de retener energiacutea cuando esta no sea consumida y
entregue energiacutea a las cargas cuando la radiacioacuten solar no sea suficiente En
algunos casos en donde la demanda sea de suma importancia se puede contar
con un sistema de respaldo o fuentes suplementarias de energiacutea lo que hariacutea que
el sistema sea maacutes confiable
Seguacuten el anterior orden de ideas para el aprovechamiento de la energiacutea solar es
necesario realizar los siguientes procesos
26
1 Captacioacuten y concentracioacuten de la energiacutea solar
2 Transformacioacuten para su utilidad
3 Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo
de autonomiacutea establecido
4 Disposicioacuten de una fuente de energiacutea suplementaria disponible si se supera
el tiempo de autonomiacutea
5 Control de la energiacutea almacenada para que pueda ser utilizada en conjunto
con el sistema de captacioacuten de energiacutea
De esta forma se evidencia que es de vital importancia para el sistema el
correcto dimensionamiento de los diacuteas de autonomiacutea para cada caso en particular
teniendo en cuenta que cuanto mayor y mejor sea el dimensionado del sistema de
almacenamiento menor seraacute la dependencia de fuentes energeacuteticas externas de
apoyo
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICA
131 Conductores semiconductores y aislantes
El modelo moderno del aacutetomo describe las posiciones de los electrones en un
aacutetomo en teacuterminos de probabilidades Un electroacuten se puede encontrar
potencialmente a cualquier distancia del nuacutecleo pero dependiendo de su nivel de
energiacutea tiende a estar con maacutes frecuencia en ciertas regiones alrededor del nuacutecleo
que en otras estas zonas son conocidas como orbitales atoacutemicos [22]
A los electrones de la zona maacutes alejada se les denomina electrones de valencia y
poseen la caracteriacutestica de interactuar con otros electrones de valencia formando
una red cristalina El comportamiento de esta interaccioacuten clasifica materiales en
conductores semiconductores y aislantes La diferencia entre estos tres se basa
en la resistencia que opone el paso de corriente sobre un material La corriente
eleacutectrica se define como la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo
Cuando en los extremos de un material se aplica un voltaje se crea un campo
eleacutectrico dentro del mismo y los electrones pertenecientes a la oacuterbita exterior de un
aacutetomo de este material estaraacuten sometidos a una fuerza dada por
119865 = 119902 lowast 119864 120783 120783
Donde
119902 = 119907119886119897119900119903 119889119890 119897119886 119888119886119903119892119886 119890119899 119888119906119897119900119898119887119894119900119904
119864 = 119881119886119897119900119903 119889119890119897 119888119886119898119901119900 119890119897eacute119888119905119903119894119888119900 119890119899 119881119898
27
En materiales conductores es maacutes faacutecil generar movimiento de electrones en la
banda de valencia bajo la accioacuten de una fuerza generada por el producto entre la
carga y el campo eleacutectrico por esta razoacuten el nivel de conductividad en estos
materiales es grande a comparacioacuten de los materiales aislantes como el vidrio el
diamante y la porcelana que aun con elevados valores de campo eleacutectrico la
fuerza que ejerce este sobre los electrones no es la suficiente para generar
movimiento y por ende conducir electricidad [21]
El silicio cuenta con 14 electrones y a su vez el germanio con 32 electrones de los
cuales 4 son de valencia que se unen con otros 4 electrones de valencia de otros
aacutetomos De esta manera dentro de un cristal de silicio no existiraacuten electrones
libres lo que en esta configuracioacuten (estructura cristalina) se consideran elementos
aislantes
A una configuracioacuten cristalina de silicio o de germanio se le incorporan aacutetomos de
otras sustancias (impurezas) la conductividad de este material va a variar
draacutesticamente convirtieacutendolos en semiconductores de esta forma si algunos
aacutetomos de silicio en la configuracioacuten de cristal se sustituyen por aacutetomos de foacutesforo
el cual tiene 5 electrones en la banda de valencia 4 de estos se uniraacuten
covalentemente a los otros 4 electrones de silicio quedando libre el quinto
electroacuten que se podraacute separar maacutes faacutecilmente del aacutetomo mediante una
estimulacioacuten aportada por una fuente externa de energiacutea A esta nueva
configuracioacuten se la conoce como semiconductor ldquotipo nrdquo en donde predomina el
flujo de electrones De esta misma forma si algunos aacutetomos de silicio en la
configuracioacuten de cristal se sustituyeran por aacutetomos de boro que tienen 3
electrones de valencia se llegariacutea a una situacioacuten en donde seriacutea necesario un
electroacuten adicional para completar los enlaces quiacutemicos con los aacutetomos adyacentes
de silicio Este electroacuten que falta se denomina ldquohuecordquo y a esta configuracioacuten se la
conoce como semiconductor ldquotipo prdquo
El proceso de introduccioacuten de aacutetomos que ceden o toman electrones se ha
convertido en un proceso robotizado en donde los aacutetomos de las substancias
dopantes se introducen usando cantildeones electroacutenicos que bombardean los
cristales (proceso de implantacioacuten) Industrialmente se usa el cristal de silicio
porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio[15
21]
132 Unioacuten p-n
Al juntar una barra de material ldquotipo prdquo con una barra de material ldquotipo nrdquo se
produce una nueva unioacuten conocida como unioacuten p-n
28
Los electrones que se encuentren en estado libre dentro de la zona del material
ldquotipo nrdquo detectaraacuten una regioacuten en donde no existen electrones libres generando un
flujo de estos electrones portadores hacia la otra zona como intento de equilibrio
Del mismo modo los huecos existentes en la ldquozona prdquo detectaraacuten una regioacuten en la
que no existen huecos y se produciraacute por tanto un flujo de cargas positivas en
sentido contrario al flujo de electrones Debido al avance de este proceso de flujo
de electrones y huecos se produce un exceso de cargas con potencial negativo
en la ldquozona prdquo y un exceso de cargas con potencial positivo en la ldquozona nrdquo
Por tanto en el aacuterea de unioacuten de los dos materiales se origina un campo eleacutectrico
que aumenta a medida que los huecos y electrones se siguen difundiendo hacia
lados opuestos Este proceso no terminaraacute hasta que el potencial eleacutectrico de este
campo alcance un valor que impida el posterior flujo de electrones y huecos Una
vez se llega a este punto de equilibrio se habraacute creado en la estructura p-n un
campo eleacutectrico sin la ayuda de campos eleacutectricos externos
Asiacute entonces si la energiacutea que suministra el Sol en forma de fotones al
interactuar con una superficie de silicio tipo p posee la frecuencia miacutenima
necesaria para generar la energiacutea para romper un enlace de la estructura del
silicio (band-gap) seraacute absorbido y con ello se crearaacute una nueva pareja de
electroacuten-hueco el efecto de esta nueva pareja seraacute que el electroacuten liberado se
trasladaraacute hacia la zona n como una accioacuten de recuperar el equilibrio De esta
misma forma si el fotoacuten incide sobre la zona n se generaraacute una nueva pareja
electroacuten-hueco pero en este caso el hueco se traslada a la zona p El resultado
de este flujo es la acumulacioacuten de cargas positivas en la zona p y de cargas
negativas en la zona n dando origen a un campo eleacutectrico opuesto al creado por
el mecanismo de difusioacuten
Al aumentar el nuacutemero de fotones que incide sobre la unioacuten aumenta el campo
que anula el inicial hasta llegar a un valor umbral en el que ya no hayan campos
internos que separen cada pareja de electroacuten-hueco Esta es la condicioacuten que
determina la tensioacuten a circuito abierto de la ceacutelula fotovoltaica Este potencial
eleacutectrico evidencia las causas del efecto fotovoltaico
29
Figura 15 Efecto fotovoltaico tomada de SUSTAINABLE ENERGY SYSTEMS The
Photovoltaic Effect 3 de Enero del 2012 Disponible en httpsustainableenergysystemzcomthe-
photovoltaic-effect172
Al establecer un circuito eleacutectrico externo entre las dos superficies los electrones
acumulados fluiraacuten a traveacutes de eacutel regresando a su posicioacuten inicial Este flujo de
electrones forma lo que se conoce como una corriente fotogenerada o fotovoltaica
133 La ceacutelula fotovoltaica
Las ceacutelulas o celdas solares se fabrican a partir de planchas de silicio el cual es
un elemento muy abundante en el planeta Tierra debido a que es uno de los
componentes que forman la arena (dioacutexido de silicio SiO2) En su forma maacutes
pura el silicio semiconductor se emplea en la industria de la microelectroacutenica
como base para los microchips
Fiacutesicamente una ceacutelula fotovoltaica es un diodo con una superficie muy amplia
generalmente tiene un grosor que variacutea entre los 025 y 035 mm y una forma
generalmente cuadrada con una superficie aproximada de 100cm2 El proceso de
fabricacioacuten variacutea seguacuten las cualidades que se quieran obtener (rendimiento
flexibilidad economiacutea) A maacutes pureza maacutes altos costos para una calidad que no
va a suponer un incremento sustancial de rendimiento
Las ceacutelulas fotovoltaicas de silicio pueden construirse de cristales monocristalinos
policristalinos o de silicio amorfo La diferencia entre ellas radica en la forma como
estaacuten dispuestos los aacutetomos de silicio en la estructura cristalina Esta hace que
tengan eficiencias diferentes La eficiencia de una ceacutelula fotovoltaica es el
porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad Las celdas solares de
silicio monocristalino y policristalino tienen casi la misma eficiencia que supera a
la del amorfo sin embargo este uacuteltimo es el maacutes econoacutemico de ambos [21]
134 Silicio monocristalino
30
Las celdas de Silicio monocristalino representan el estaacutendar de la tecnologiacutea
fotovoltaica comercial Para fabricarlas el silicio es purificado mediante la
introduccioacuten de una varilla de ldquocristal germenrdquo de silicio fundido a unos 1400degC y
cristalizado ya sea en lingotes o en laacuteminas delgadas posteriormente el silicio es
rebanado en obleas delgadas para definir las celdas individuales posteriormente
las obleas se pulen por ambas caras Durante el proceso de corte y pulido se
desperdicia casi la mitad del material Una vez pulidas las celdas se introduce por
difusioacuten a alta temperatura un material dopante tiacutepicamente boro si se desea que
el semiconductor sea tipo p y foacutesforo si se desea que el semiconductor sea tipo
n Esta forma de obtencioacuten del silicio para usos fotovoltaicos se conoce como el
meacutetodo Czochralski
En el anterior meacutetodo la mayoriacutea de veces se hace el dopado con boro con el fin
de caracterizar el semiconductor tipo p Para la unioacuten n-p se difunden aacutetomos de
foacutesforo que se depositan sobre una cara y alcanzan cierta profundidad en
superficie Asiacute se consigue que una de las zonas tenga deficiencia de aacutetomos
(tipo p) y la otra cara exceso de aacutetomos (tipo n) Debido a esta diferencia de carga
eleacutectrica en el material se produce un campo eleacutectrico encargado de empujar a
los electrones a salir de la ceacutelula por la superficie de la capa n lo que conlleva al
establecimiento de una corriente eleacutectrica con la interaccioacuten de la energiacutea
proveniente del Sol en forma de fotones
La ceacutelula que se obtiene ha de estar dotada de unos contactos eleacutectricos para
poder canalizar la energiacutea que produce cuando recibe insolacioacuten Estos contactos
sobre la cara asoleada se reparten en forma ramificada y se unen a dos contactos
principales Es comuacuten para la fabricacioacuten de contactos usar procedimientos
serigraacuteficos dado su bajo costo y la facilidad de automatizacioacuten En la cara
posterior que no recibe el sol el material suele extender a toda la superficie o
formar una malla metaacutelica muy tupida esta se recubre con un tratamiento
antirreflexivo de bioacutexido de titanio o zirconio
La mayoriacutea de las ceacutelulas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente
05v independientemente del aacuterea superficial de la celda sin embargo mientras
mayor sea la superficie mayor seraacute la capacidad en corriente que pueda
suministrar
31
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino
El proceso de construccioacuten de paacuteneles monocristalinos es muy costoso y requiere
mucha energiacutea aunque se obtiene un cristal maacutes eficaz con rendimientos en
laboratorio del 15 al 18 Se distinguen por su color azul homogeacuteneo o negro Los
moacutedulos fabricados con tal material tienen tal calidad que algunos fabricantes los
garantizan por 25 antildeos
135 Silicio policristalino
Las ceacutelulas de silicio policristalino se obtienen de planchas de silicio policristalino
que son maacutes econoacutemicas que las planchas de silicio monocristalino Se obtienen
por un proceso de moldeo a partir de pasta de silicio formado por muacuteltiples
cristales de silicio la cual es fundida y vertida en un molde donde se deja asentar
lentamente con lo cual se obtiene un soacutelido formado por muchos pequentildeos
cristales Una vez listo este material se corta en planchas de menor espesor que
las monocristalinas (solo algunas micras) Estas ceacutelulas son maacutes econoacutemicas que
las ceacutelulas monocristalinas sin embargo no son igual de eficientes debido a sus
imperfecciones en su estructura cristalina Aunque su eficiencia ronda entre el
12 y el 14 su costo ha hecho que sean muy usadas de manera comercial
Su composicioacuten a partir de pequentildeos cristales hace que su color no sea uniforme
como las ceacutelulas monocristalinas esta caracteriacutestica hace que su color tenga
diferentes tonalidades de azul
32
Tanto este proceso como el anterior casi la mitad del silicio se pierde como polvo
durante el cortado La garantiacutea de este producto suele ser de 20 antildeos
dependiendo del fabricante
Figura 17 Panel solar silicio policristalino
136 Silicio amorfo
El silicio amorfo es silicio en una forma cristalina con defectos en sus enlaces
atoacutemicos Sin embargo si el silicio amorfo se deposita de tal manera que contenga
una pequentildea cantidad de hidroacutegeno estos aacutetomos de hidroacutegeno saturan muchos
de los huecos de la red cristalina permitiendo asiacute a los electrones moverse a
traveacutes del silicio tipificaacutendose gracias a la accioacuten del dopaje como un material
tipo p o tipo n En cualquier caso en las regiones p o n obtenidas la vida media de
los portadores de carga es reducida
Se obtiene de un proceso de produccioacuten relativamente simple econoacutemico con
poco gasto de energiacutea lo que hace posible la produccioacuten de ceacutelulas a gran escala
Las ceacutelulas de silicio amorfo se obtienen depositando capas delgadas de silicio
sobre un substrato de bajo costo que puede ser vidrio plaacutestico o similar y son de
color marroacuten homogeacuteneo Tienen dos principales desventajas baja eficiencia
respecto a ceacutelulas monocristalinas y policristalinas (cerca del 10 lo que conlleva
a utilizar mucha maacutes aacuterea) y las ceacutelulas se ven envueltas en un proceso de
degradacioacuten en los primeros meses de funcionamiento reduciendo la eficiencia a
lo largo de su vida uacutetil
Las ceacutelulas amorfas son utilizadas en aplicaciones en donde se demande poca
electricidad por ejemplo Relojes calculadoras luces de prados etc [15 21 23]
33
Figura 18 Panel de silicio amorfo tomada de ENGANGET Xunlight Logra Crear Paneles
Solares Flexibles de Gran Tamantildeo 6 de Junio del 2009 Disponible en
httpesengadgetcom20090605xunlight-logra-crear-paneles-solares-flexibles-de-gran-tamano
CEacuteLULAS RENDIMIENTO LABORAL
RENDIMIENTO DIRECTO
CARACTERIacuteSTICAS FABRICACIOacuteN
Monocristalino
24
15-18
Es tiacutepico los azules homogeacuteneos y la conexioacuten de las ceacutelulas individuales entre si (Czochralsky)
Se obtiene de silicio puro fundido y dopado con fosforo
Policristalino
19-20
12-14
La superficie estaacute estructurada en cristales y contiene distintos tonos azules
Igual que el monocristalino solo que se disminuye el nuacutemero de fases de cristalizacioacuten
Amorfo
16
lt10
Tiene un color homogeacuteneo (marroacuten) no tiene conexioacuten visible entre ceacutelulas
Tiene la ventaja de depositarse en forma de laacutemina delgada y sobre un sustrato como vidrio o plaacutestico
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas
fotovoltaicas comerciales
34
14 RECURSO SOLAR
Seguacuten la explicacioacuten del efecto fotoeleacutectrico propuesta por Albert Einstein la
energiacutea de la luz va ligada netamente a la frecuencia de los fotones que esta
contenga de esta forma se comporta la energiacutea contenida en los rayos del Sol en
donde se puede modelar la siguiente ecuacioacuten llamada ldquoecuacioacuten de Plankrdquo
119864 = ℎ lowast 119881 120783 120784
En donde
119864 Energiacutea de los fotones
ℎ Constante de Planck que equivale a 662510minus34Js
119881 Frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de la luz
De esta manera la energiacutea proveniente del Sol a la Tierra seraacute el resultado del
producto entre la constante de Planck y la suma de las frecuencias que tiene cada
fotoacuten del espectro solar Sin embargo no toda esa energiacutea es aprovechada en la
superficie terrestre debido a que existen fotones con poca frecuencia y por ende
poca energiacutea incapaz de atravesar la atmoacutesfera
La energiacutea que se obtiene en la atmoacutesfera terrestre es una mezcla de radiaciones
de longitudes de onda formada por radiacioacuten ultravioleta luz visible y radiacioacuten
infrarroja Una de las funciones de la capa de ozono es filtrar parte de esta
energiacutea y de esta manera formar el espectro solar terrestre En la siguiente
imagen se puede mostrar la situacioacuten descrita [24]
35
Figura 19 Espectro solar tomada de ADMATNET Espectro Solar Disponible en
httpadmatnetcomwp-contentuploads201310espectro-solar-vs-SC1jpg
En donde la longitud de onda (120574) y la frecuencia (119891) de la ondas
electromagneacuteticas se relacionan mediante la expresioacuten
120574 =119888
119891 120783 120785
En donde
119888 Velocidad de la luz a la cual se desplazan todas las ondas electromagneacuteticas
Asiacute entonces se sabe que seguacuten la Ley de Planck que permite calcular la
radiacioacuten emitida por un cuerpo negro el Sol emite unos 38 lowast 1023kw solo una
pequentildea cantidad es absorbida por la atmoacutesfera y es conocida como la radiacioacuten
terrestre que variacutea de acuerdo a ciertas condiciones geograacuteficas a lo largo del
antildeo
Un paraacutemetro fundamental para comprender el comportamiento de la radiacioacuten
terrestre es la ldquoconstante solarrdquo que es la cantidad de energiacutea que incide
perpendicularmente en 1 1198982 de aacuterea ubicada en la parte exterior de la atmoacutesfera
Su valor es 1338 119908 1198982frasl y variacutea un plusmn3 en el antildeo debido a que la Tierra tiene una
trayectoria eliacuteptica alrededor del Sol [15 21]
La radiacioacuten del Sol no es absorbida en su totalidad por la atmoacutesfera esta se
debilita por accioacuten de la reflexioacuten difusioacuten y absorcioacuten Se dice que en ciertas
36
condiciones tales como diacutea perfectamente claro ausencia de sombras y con los
rayos cayendo perpendicularmente a un plano horizontal casi las tres cuartas
partes de la energiacutea proveniente de Sol alcanzaraacuten dicho plano El resto se refleja
en la atmoacutesfera y se dirige al espacio exterior La atmoacutesfera juega un papel de
filtro sobre la radiacioacuten ultravioleta y gran parte de la infrarroja siendo estas
absorbidas por el ozono Asiacute entonces la constante solar ya no es vaacutelida en ninguacuten
nivel terrestre donde bajo las condiciones nombradas anteriormente se dice que
en 11198982 de superficie a nivel del mar con los rayos llegando de forma
perpendicular cerca de 1000 119908 1198982frasl seraacuten disponibles
La anterior situacioacuten puede variar considerablemente dependiendo de las
condiciones encontradas en el ambiente Algunas de estas son momento del diacutea
variacutea de un lugar a otro especialmente en lugares montantildeosos la elevacioacuten solar
(posicioacuten relativa del Sol en el cielo) que depende de la latitud del lugar la altitud
donde se sabe que a mayor altura existiraacute menor espesor de atmoacutesfera y por ende
mayor energiacutea disponible en forma de radiacioacuten solar
En la tabla 12 se puede observar a grandes rasgos como variacutea la intensidad de la
radiacioacuten en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar y coacutemo influyen ciertas
condiciones climatoloacutegicas
VARIACIOacuteN DE LA RADIACIOacuteN INCIDENTE CON LA ALTITUD
ALTITUD SOBRE EL NIVEL DEL MAR
0 900 1500 2250 3000
INTENSIDAD DE LA RADIACIOacuteN
(w119950120784)
950 1050 1100 1150 1190
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del
mar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y
Cualificacioacuten Meacutexico 2008
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS EN LA RADIACIOacuteN INCIDENTE
CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS
RADIACIOacuteN
GLOBAL(w119950120784)
PORCENTAJE DE RADIACIOacuteN DIFUSA
CIELO DESPEJADO 750-1000 10-20
CIELO PARCIALMENTE NUBOSO
200-500 20-90
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente tomada de
Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
37
De esta manera existen entonces dos factores fundamentales que hacen que la
radiacioacuten solar sea de caraacutecter intermitente Se nombran a continuacioacuten
141 Factores externos a la superficie de la Tierra
Son los de caraacutecter dependiente a la posicioacuten de la Tierra respecto al Sol como
bien se sabe la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol es eliacuteptica por lo que la
energiacutea proveniente del Sol no seraacute constante a lo largo del antildeo debido a que en
ciertas eacutepocas esta deberaacute atravesar mayor distancia y por tanto mayor masa lo
que en este caso disminuiraacute la energiacutea proveniente del Sol Tambieacuten involucran
las coordenadas geograacuteficas del lugar considerando latitud y longitud que
condicionan baacutesicamente el recorrido de la radiacioacuten a traveacutes de la atmoacutesfera y el
aacutengulo de incidencia de los rayos solares Son funcioacuten pues de la altura solar en
cada instante
142 Factores climaacuteticos
Estos factores involucran la atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por parte de agentes
internos al ambiente terrestre tales como nubes cantidad de vapor de agua
contaminacioacuten ozono etc Contenidos en la atmoacutesfera y que fundamentalmente
atenuacutean la radiacioacuten solar por concepto de absorcioacuten reflexioacuten y difusioacuten de la
radiacioacuten [15 21 25]
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten tomada de HERNANDEZ PEDRO J Efectos Teacutermicos de Los Materiales Disponible en httppedrojhernandezcomtagconceptos-2
143 Componentes de la radiacioacuten solar Seguacuten la forma como llegue la luz solar a la superficie de la Tierra se pueden clasificar en tres formas diferentes Radiacioacuten solar directa es captada desde una superficie terrestre que posee un uacutenico aacutengulo de incidencia Es decir es la que viaja en liacutenea recta desde la atmoacutesfera hasta la superficie terrestre
38
Radiacioacuten solar dispersa o difusa es la energiacutea que ha sido desviada por accioacuten de los gases disponibles en el ozono esto explica que una superficie con sombra o sin luz solar se encuentre iluminada incluso a pesar de su condicioacuten Radiacioacuten solar albedo es la radiacioacuten reflejada por el suelo o alguna otra superficie Cuando la fuente de luz es el Sol se usa el teacutermino albedo en lugar de reflectancia Esta es variable de un lugar a otro por ejemplo la superficie de un cuerpo negro tendraacute un albedo de cero sin embargo una superficie cubierta de nieve tendraacute un albedo de aproximadamente 09 y para el suelo mojado tendraacute un albedo de 018 (la superficie de un cuerpo negro es un elemento ideal y netamente teoacuterico por ende inexistente)
En teacuterminos generales se define al albedo como
120566 =119877119903
119877119894 120783 120786
En donde
119877119903 es la radiacioacuten reflejada por la superficie
119877119894 es la radiacioacuten incidente en la superficie
La radiacioacuten incidente puede tener entonces dos componentes radiacioacuten directa y
radiacioacuten difusa [21]
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solar
Se pueden destacar los siguientes
Datos de estaciones cercanas
Los valores arrojados por este meacutetodo podraacuten ser acertados si solamente se trata
de un lugar llano y la distancia entre la estacioacuten y el lugar que se planea energizar
es menor a 10 km Sin embargo en la ausencia de alguna otra opcioacuten esta podriacutea
ser una opcioacuten previa donde se podriacutea dar una idea de coacutemo puede ser la
radiacioacuten en un lugar en especiacutefico
Interpolar valores a partir de medidas de la radiacioacuten solar en otras estaciones
La informacioacuten acerca de la radiacioacuten entregada por este meacutetodo puede llegar a
ser confiable si el nuacutemero de estaciones en un lugar es considerable y
dependiendo del tipo de terreno es decir que la interpolacioacuten puede verse
afectada si entre estaciones no tienen en cuenta terrenos en donde la altura
humedad y nubes puedan afectar el resultado
39
Modelos de interpolacioacuten que tienen en cuenta la topografiacutea
Este meacutetodo puede llegar a ser efectivo debido a que tienen en cuenta la
desventaja del iacutetem anterior sin embargo es escaso tener acceso a esta
informacioacuten debido a la complejidad que involucrariacutea tener en cuenta toda la
topologiacutea geograacutefica de un paiacutes como Colombia
Meacutetodo de tratamiento de imaacutegenes de sateacutelites
Es el meacutetodo maacutes exacto para encontrar la radiacioacuten solar en un sitio determinado
Es el resultado de la reflexioacuten de los rayos solares en la superficie de la Tierra
Este meacutetodo se caracteriza por llevar impliacutecito los factores externos a la superficie
de la Tierra y los factores climaacuteticos y topograacuteficos [25 26]
15 DESARROLLOS EN COLOMBIA
Colombia es un paiacutes que produce en su gran mayoriacutea energiacutea eleacutectrica a partir de
la energiacutea potencial almacenada por embalses (centrales hidroeleacutectricas) Este
tipo de generacioacuten aprovecha el movimiento del agua para convertirlo en corriente
eleacutectrica comercial su impacto ambiental es mucho menor que en las energiacuteas
foacutesiles (no produce gases de efecto invernadero ni contamina a la atmoacutesfera) su
explotacioacuten apenas requiere mantenimiento y el almacenamiento de agua tambieacuten
se puede utilizar para plantaciones Sin embargo su construccioacuten implica un gran
impacto ambiental al ser necesaria la inundacioacuten de valles y desplazamiento de
poblacioacuten constituyen una de las principales causas directas e indirectas de
peacuterdida de millones de hectaacutereas de bosques muchas de ellas abandonadas bajo
el agua y en descomposicioacuten Se modifican las condiciones fiacutesicas y quiacutemicas del
riacuteo como salinidad temperatura y nutrientes debido a que el agua embalsada
altera las condiciones naturales del riacuteo
La produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en Colombia empleando sistemas fotovoltaicos
ha tenido un enfoque en el sector rural en donde el gran costo de generacioacuten
provocados por los altos precios en los combustibles y los costos de operacioacuten y
mantenimiento hace que la generacioacuten fotovoltaica sea una opcioacuten adecuada y
confiable a largo plazo Estos sistemas empezaron en Colombia con la empresa
Telecom a comienzos de los antildeos 80s con el apoyo de la Universidad Nacional
Se desarrollaron proyectos con pequentildeos generadores fotovoltaicos de 60 Wp
con los cuales energizaron radioteleacutefonos y algunos sistemas de comunicacioacuten
adicionales en 1983 ya se habiacutean instalado 2950 de este tipo de sistemas y
alcanzaron una potencia instalada entre 3 a 4 kWp para antenas satelitales
terrenales
40
Muchas empresas optaron por instalar sistemas fotovoltaicos para energizar sus
sistemas de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas fotovoltaicos
para alimentar repetidoras de microondas boyas estaciones remotas bases
militares y algunas viviendas en las zonas rurales Seguacuten estudios realizados en
1983 y 1994 se importaron 48499 moacutedulos solares para una potencia de 205
MWp de estos el 411 para proyectos de telecomunicaciones el 465 para
electrificacioacuten rural y el 124 para otras operaciones El mismo estudio determino
que para 248 sistemas fotovoltaicos equivalentes a 419 moacutedulos el 56 de los
sistemas funcionaban correctamente mientras que el 37 funcionaban con
problemas y el 8 estaban fuera de servicio Como fuente principal de problemas
encontraron la falta de miacutenimo mantenimiento componentes dantildeados partes sin
reemplazo y sistemas subestimados Esto evidencia que los dimensionamientos
no son adecuados para estos sistemas al igual que un olvido teacutecnico para estos
usuarios con respecto a mantenimiento y ajustes al sistema En los uacuteltimos 10
antildeos tampoco se ha evidenciado estudios similares a este en donde se muestre
el estado real de dichos sistemas [28]
En promedio los sistemas para electrificacioacuten rural constan de un panel entre 50 y
70 Wp una bateriacutea entre 60 y 120 Ah y un regulador Lo que producen una
energiacutea miacutenima para satisfacer las necesidades maacutes baacutesicas del sector rural El
costo actual de estos pequentildeos sistemas oscila entre US$ 1200 a 1500 afectando
principalmente los altos costos de instalacioacuten en las zonas remotas
Durante los uacuteltimos antildeos se han instalado muchos maacutes sistemas en los programas de electrificacioacuten rural con fuerte financiacioacuten del Estado haciendo uso actualmente de recursos como el FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energizacioacuten de las Zonas No Interconectadas) El IPSE (Instituto para la Promocioacuten de Soluciones Energeacuteticas) es en la actualidad la institucioacuten que lidera las acciones del Estado en la energizacioacuten del campo colombiano Seguacuten esta institucioacuten hay en la actualidad maacutes de 15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones Pero ademaacutes el IPSE tiene en desarrollo soluciones innovadoras como sistemas hiacutebridos en donde se combinan por ejemplo la energiacutea solar fotovoltaica y las plantas diesel para reducir los costos de generacioacuten del diesel y emplear el generador como respaldo [29] El Estado tambieacuten cuenta con una institucioacuten encargada de recopilar la informacioacuten de la energiacutea solar disponible en el territorio colombiano el IDEAM (Instituto de Estudios Ambientales) es la entidad encargada de cumplir con esa tarea empleando la informacioacuten de 383 estaciones de brillo solar medido con helioacutegrafos Campebell-Stokes 32 estaciones de referencia y 39 estaciones radiomeacutetricas unas con actinoacutegrafo Fuess y otras con piranoacutemetros Eppley Blanco y negro y PSP Con esta informacioacuten recopilada mes a mes se corrioacute el modelo de Angstrom modificado dando como resultado los mapas de radiacioacuten solar para superficies horizontales publicados en el 2005 expuestos en el anexo 1
41
Como conclusioacuten al anterior estudio se presenta la tabla 14 en donde se muestra la energiacutea sobre metro cuadrado a lo largo del antildeo para las regiones del paiacutes
REGIOacuteN kWh119950120784antildeo
GUAJIRA 2190
COSTA ATLAacuteNTICA 1825
ORINOQUIA 1643
AMAZONIA 1551
ANDINA 1643
COSTA PACIacuteFICA 1278 Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia
Sin embargo este estudio presenta deficiencias para ser considerado adecuado a la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico debido a la poca confiabilidad de los resultados entregados para el dimensionamiento en las diferentes zonas del paiacutes ya que la densidad de estaciones climatoloacutegicas es insuficiente para el caacutelculo adecuado del modelo Angstrom modificado El caacutelculo maacutes confiable se presenta en la zona Andina debido a que en esta regioacuten la maacutes elevada del paiacutes
se tiene la mayor densidad de estaciones climatoloacutegicas por 1198961198982 mientras que en la zona paciacutefica existe la menor densidad de las mismas Adicional a esto no resulta muy uacutetil tener los mapas de radiacioacuten solar promedio mes a mes debido a que solo es informacioacuten indicativa y carece de informacioacuten maacutes detallada como radiacioacuten en un lugar especiacutefico radiacioacuten sobre un plano inclinado e incluso recomendaciones sobre una mejor inclinacioacuten y orientacioacuten del generador fotovoltaico Sin embargo existen herramientas capaces de recopilar informacioacuten de las estaciones meteoroloacutegicas existentes en una regioacuten y correr un sistema de interpolacioacuten un poco maacutes preciso con respecto a una ubicacioacuten inclinacioacuten y orientacioacuten detallada Es el caso de la base de datos llamada Meteonorm y el modelo usado por MeteoSyn para generar datos de radiacioacuten solar en un sitio determinado Ambos son usados por distintos software como es el caso de PVSOLreg que es capaz de calcular y disentildear sistemas fotovoltaicos [20] 16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA EL DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 161 Declinacioacuten Magneacutetica Se conoce como declinacioacuten magneacutetica a la diferencia entre el norte o sur magneacutetico comprendido por una bruacutejula y el verdadero o geograacutefico punto cardinal La bruacutejula se orienta con el campo magneacutetico de la Tierra que no siempre estaacute alineado con el eje de rotacioacuten por lo que la orientacioacuten de los moacutedulos
42
fotovoltaicos se debe trabajar con el norte geograacutefico y no con el magneacutetico Se presenta la figura 111 en donde se observa que para Colombia la declinacioacuten magneacutetica esta en unos 8ordm grados al Este
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica tomada de Global Top Variacioacuten Magneacutetica Disponible en httpwwwgtop-techcomesproductVariacin-magnticaSoftware_Services_16htmlprettyPhoto[rm-prd-photoshow]0
De esta manera se debe ajustar la orientacioacuten entregada con la bruacutejula con unos 8ordm al Este para aplicaciones fotovoltaicas en Colombia [10 29] 162 Trayectoria solar La posicioacuten del Sol variacutea diariamente desde el amanecer hasta el ocaso dependiendo de la latitud del lugar asiacute por ejemplo para lugares ubicados en el hemisferio Norte de la Tierra el Sol sale por el Este se desplaza en direccioacuten Sur y se pone en el Oeste Se debe aclarar que es la Tierra la que cada diacutea hace una rotacioacuten completa alrededor de su eje lo que crea una sensacioacuten estaacutetica en el observador por tanto es costumbre decir que ldquoel Sol realiza un recorrido ldquo aunque en realidad es la Tierra la que hace el recorrido alrededor del Sol se seguiraacute manejando con fines praacutecticos el termino trayectoria solar La Tierra tiene dos movimientos la rotacioacuten sobre su eje y la traslacioacuten alrededor del sol esta uacuteltima sigue una trayectoria eliacuteptica que da lugar a las estaciones del antildeo La combinacioacuten de ambos movimientos genera que se observe una variacioacuten de la trayectoria solar a lo largo del antildeo Este es un factor de intereacutes para la ubicacioacuten orientacioacuten e inclinacioacuten de los moacutedulos fotovoltaicos debido a que se intenta que esteacuten plenamente orientados hacia el Sol con el fin de que la incidencia de la luz en el panel sea siempre plena
43
Se presenta la figura 112 donde se observa dicha variacioacuten a lo largo del antildeo para la ciudad de Pereira [30]
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira disponible en SUN EARTH TOOLS Ubicador Geograacutefico Solar Disponible en httpwwwsunearthtoolscomdptoolspos_sunphplang=es
En figura 112 se muestran tres trayectorias solares la superior representa el solsticio de verano o solsticio de Junio la del medio representa una fecha de ejemplo y la inferior representa el solsticio de invierno o solsticio de Diciembre Asiacute entonces se definen dos paraacutemetros fundamentales 163 Acimut Es la localizacioacuten aparente del Sol al Este u Oeste del sur verdadero se mide en grados al Este u Oeste Se puede optimizar el rendimiento diario de los colectores si estos se fijan frente al sur geograacutefico es decir acimut 0deg 164 Inclinacioacuten del arreglo Es el aacutengulo que forma el arreglo de paneles con el plano horizontal Se intenta que este sea adecuado para que la incidencia de los rayos solares sea perpendicular a la superficie captadora [10 21] Seguacuten la imagen para que los paneles esteacuten en todo momento perfectamente inclinados hacia el sol se deberaacute estar dispuesto sobre un mecanismo de anclaje que permita la movilidad tanto en su eje horizontal como en su eje vertical Sin
44
embargo para paiacuteses cercanos a la liacutenea ecuatorial no es necesario dicho mecanismo debido a que las variaciones no son muy bruscas a diferencia de paiacuteses muy alejados de la liacutenea ecuatorial en donde si no se dispone de un sistema mecaacutenico para dicha aplicacioacuten se intenta fijar la inclinacioacuten de acuerdo a la eacutepoca del antildeo en donde se desee utilizar el sistema de captacioacuten solar asiacute entonces algunos autores especifican que para el hemisferio norte de la Tierra en eacutepocas de invierno se inclinan los paneles 20deg mayor que la latitud para primavera y verano se fijan en 10deg menor que la latitud y la utilizacioacuten para todo el antildeo 10deg mayor que la latitud La altura del Sol por encima del horizonte se llama altitud la cual se mide en grados por encima del horizonte De esta forma al amanecer y al ocaso la altitud seraacute de cero grados Para el hemisferio Norte de la Tierra cuando el Sol estaacute sobre el sur verdadero (acimut 0ordm) estaraacute en su altitud maacutexima para ese diacutea Esta hora se conoce como medio diacutea solar y variacutea a causa de la rotacioacuten de la Tierra sobre su eje inclinado Para el caso de Colombia existen maacutes cantidad de diacuteas en donde el Sol posee una trayectoria hacia el sur que hacia el norte lo que convendriacutea inclinar los paneles hacia el sur (acimut=0deg) sin embargo existen otras opciones para mejorar la captacioacuten a partir de estructuras fijas que posean la manera de variar la inclinacioacuten Asiacute entonces el usuario podraacute variar la inclinacioacuten en dos o maacutes puntos dependiendo de la estructura fijada en los paneles de tal forma que para eacutepocas del antildeo en donde sean predominantes las trayectorias solares en direccioacuten norte el arreglo pueda tener la opcioacuten de adaptarse De acuerdo a la experiencia aportada por la empresa Colombian Solar Systems sitio en donde se llevoacute a cabo este proyecto se recomienda que la inclinacioacuten de los paneles no sea menor de 10deg debido a que es la inclinacioacuten necesaria para que el agua de la lluvia y los residuos del ambiente resbalen y no sean inconvenientes para la captacioacuten solar [10 21] En la tabla 15 se da a conocer el comportamiento de la radiacioacuten en la ciudad de Pereira (estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea) con distintas inclinaciones
45
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
De la tabla 15 se observa que la radiacioacuten en los meses de Mayo Junio Julio y Agosto es mayor para inclinaciones hacia el Norte sin embargo para el resto del antildeo la radiacioacuten es mayor para inclinaciones hacia el Sur En la tabla 16 se resume el comportamiento de la radiacioacuten solar anual en la ciudad de Pereira seguacuten el software PVSOLreg
Acimut Inclinacioacuten Radiacioacuten acumulada anual en [kWhmsup2]
Descripcioacuten
180deg 30deg 1373 Cara al Norte
180deg 15deg 1505 Cara al Norte
180deg 10deg 1535 Cara al Norte
180deg 5deg 1557 Cara al Norte
0deg 0deg 1570 Horizontal
0deg 5deg 1576 Cara al Sur
0deg 10deg 1574 Cara al Sur
0deg 15deg 1563 Cara al Sur
0deg 30deg 1485 Cara al Sur Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira
EneroFebre
roMarz
oAbril Mayo Junio Julio
Agosto
Septiembr
e
Octubre
Noviembre
Diciembre
Acimut 180deg inclinacioacuten 30deg 10683 10448 12242 11513 12025 12145 12896 13125 11767 10942 9472 10036
Acimut 180deg inclinacioacuten 15deg 13369 12342 13376 12123 12182 12125 12992 13563 1263 12445 11064 12318
Acimut 180deg inclinacioacuten 10deg 14143 12849 13626 12205 12111 11992 12887 1357 12795 12829 11508 1297
Acimut 180deg inclinacioacuten 5deg 14839 13288 13809 12225 11979 11797 12716 13509 12895 13149 11899 13557
Acimut 0deg inclinacioacuten 0deg 15454 13654 13923 12182 11787 11542 12478 13378 12931 13404 12234 14075
Acimut 0deg inclinacioacuten 5deg 15981 13945 13967 12078 11536 11228 12176 13178 12901 1359 12509 14521
Acimut 0deg inclinacioacuten 10deg 16417 14159 13941 11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 12723 14889
Acimut 0deg inclinacioacuten 15deg 16759 14294 13845 11687 10867 10435 1139 12582 12648 13752 12873 15179
Acimut 0deg inclinacioacuten 30deg 17197 1422 13148 1067 952 8949 9823 11232 11802 13467 12939 15553
020406080
100120140160180200
kWhm
sup2
Radiacioacuten Aeropuerto Matecantildea para distintos planos
46
165 Objetos que crean sombra Este paraacutemetro es de suma importancia para el disentildeo de cualquier sistema fotovoltaico debido a que afecta netamente el rendimiento de los paneles Este factor es muy variable de acuerdo a la ubicacioacuten del lugar Se pretende que las sombras sean reducidas lo maacuteximo posible sin embargo estas suelen aparecer con mayor persistencia en eacutepocas del antildeo donde la altitud del Sol es menor Un meacutetodo para evaluar sombras en Colombia constariacutea del anaacutelisis de los diacuteas en donde la altitud del Sol es menor asiacute entonces tendriacutea en cuenta los diacuteas de solsticio de Junio (21 de Junio) y el solsticio de Diciembre (21 de Diciembre) para hacer un anaacutelisis visual de sombras que intervienen en el arreglo y evaluar si estas pueden ser retiradas para mejorar la captacioacuten o por el contrario no es posible retirarlas lo que conlleva a un menor rendimiento [10]
47
Capiacutetulo 2
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Los sistemas autoacutenomos o independientes de la red son una buena opcioacuten para
abastecer de energiacutea eleacutectrica zonas de difiacutecil acceso constan de un arreglo
fotovoltaico encargado de transformar la energiacutea proveniente del Sol en energiacutea
eleacutectrica un banco de bateriacuteas que se encargaraacute de suministrar energiacutea en horas
del diacutea en donde la radiacioacuten sea miacutenima o nula un regulador encargado de
adecuar la tensioacuten y la corriente para cargar el banco de bateriacuteas y protegerlo de
sobrecargas y descargas profundas y un inversor que convierte la corriente
continua en corriente alterna adecuada para suministrar las cargas
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTOacuteNOMO
Para entender el funcionamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo se necesita
comprender el funcionamiento de cada uno de los elementos que lo componen
para posteriormente entrar en detalles en el modelamiento del sistema fotovoltaico
como tal
211 El panel fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos tienen como misioacuten captar la energiacutea en forma de
fotones provenientes del Sol para generar corriente eleacutectrica capaz de ser
almacenada y aprovechada para cualquier uso
Estaacuten compuestos de ceacutelulas solares que al ser tratadas individualmente no seriacutean
capaces de proporcionar niveles de tensioacuten y corriente adecuados para el
consumo Son fraacutegiles eleacutectricamente no aisladas y carecen de soporte mecaacutenico
es por estas razones que es necesario ensamblarlas de una manera adecuada
para constituir una estructura uacutenica riacutegida y hermeacutetica
En el conjunto del panel FV las ceacutelulas o celdas solares deben ser iguales de lo
contrario se presentaraacuten sectores en el panel fotovoltaico con altas temperaturas
Estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute en serie yo en paralelo de forma que la
tensioacuten y corriente alcancen valores adecuados Es frecuente que primero se
conecten ceacutelulas en serie hasta ajustar un nivel de tensioacuten y posteriormente
asociar en paralelo varias cadenas de esta serie para alcanzar niveles de corriente
deseados [21]
2111 Estructura de los paneles solares
48
Aunque cada empaquetadura puede variar entre distintos fabricantes existen
varias caracteriacutesticas comunes entre ellos como el uso de una estructura de
ldquoSaacutendwichrdquo donde ambos lados de las ceacutelulas quedan mecaacutenicamente protegidos
Los paneles solares estaacuten formados por los siguientes elementos cubierta frontal
material encapsulante ceacutelulas o celdas solares y sus conexiones eleacutectricas
cubierta posterior y arco metaacutelico Otros elementos que pueden llegar a ser parte
del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores [21]
Figura 21 Componentes de un panel solar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar
Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
21111 La cubierta frontal
Sirve para proteger las ceacutelulas contra las inclemencias del tiempo e impactos Es
vidrio templado de 3 a 4mm de espesor y al que se le ha dado una textura que
minimiza la reflexioacuten de la luz y favorece la transmisioacuten hacia el material
semiconductor en algunos casos de hasta el 91 Tambieacuten los hay en materiales
orgaacutenicos y plaacutesticos de alta resistencia [15 21]
21112 El material encapsulante
Se encuentra entre el vidrio y las ceacutelulas y tambieacuten las recubre en la parte
posterior Se intenta que sea un material con iacutendice de refraccioacuten parecido al del
vidrio utilizado en la cubierta frontal con el fin de evitar peacuterdidas producidas por el
traspaso de la radiacioacuten entre el aire encapsulado por la cubierta frontal y la ceacutelula
49
Tiene la funcioacuten de proteger la ceacutelula de la entrada de polvo impurezas agua y
acumulacioacuten de humedad ademaacutes de proporcionar amortiguamiento de impactos
y absorber tensiones debido a sus caracteriacutesticas elaacutesticas Es usual que este
material sea un copoliacutemero denominado EVA (etileno-vinil-acetato) este no se
degrada faacutecilmente solo a temperaturas y niveles de iluminacioacuten muy elevados
Los paneles que usan laacuteminas plaacutesticas en la superficie colectora suelen perder
hasta un 20 del valor inicial de transmisividad despueacutes de muchos antildeos de uso
(aproximadamente 20 antildeos) mientras que los que usan vidrio templado pierden
alrededor de 5 debido a que este material resiste la accioacuten deteriorante de los
rayos ultravioleta [21]
21113 La cubierta posterior
Sirve de proteccioacuten y cerramiento al moacutedulo fundamentalmente contra los agentes
atmosfeacutericos ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad Estaacute
formada por varias capas de un aislante eleacutectrico llamado Tedlar que al ser
opacas y de color blanco reflejan la luz que ha logrado pasar por las ceacutelulas
haciendo que vuelva a la parte frontal donde puede ser reflejada e incidir de
nuevo en las ceacutelulas En otros casos la cubierta posterior puede ser de aluminio
con lo que mejora la disipacioacuten de calor al exterior lo cual es un factor muy
importante para determinar la potencia de salida de un panel FV [21]
21114 El marco metaacutelico
Es la parte que le da rigidez y permite que se pueda formar montando estructuras
Es de Aluminio anodizado acero inoxidable o similar con soporte para poder
empotrar al moacutedulo en una estructura Este debe estar conectado a un conductor
de toma a Tierra [21]
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica
Las cajas de conexioacuten se encuentran situadas en la parte inferior del panel y
tienen acceso a los bornes del panel (terminal positivo y negativo del panel)
Deben ser lo suficientemente aisladas para que no exista presencia de humedad y
por tanto oxidacioacuten y aumento de resistencia que generen puntos calientes en el
moacutedulo FV Tambieacuten es el lugar en donde se encuentran los diodos de by-pass y
diodos de bloqueo [10]
21116 Diodos de by-pass
Para entender el funcionamiento de los diodos de bypass es necesario hacer un
breve eacutenfasis en el circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
Circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
50
El circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica se representa en la siguiente
figura
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira
I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
V es la tensioacuten en el maacuteximo punto potencia de la ceacutelula fotovoltaica
IL es la corriente fotogenerada por la ceacutelula fotovoltaica
D es un diodo en paralelo que simula la unioacuten p-n
Rs es la resistencia serie de la ceacutelula originada por la oposicioacuten a la corriente en
el emisor la base los electrodos de la ceacutelula solar y los contactos o uniones entre
estos y el semiconductor Se busca disminuir la magnitud de esta resistencia para
volver la ceacutelula maacutes eficiente y para esto es clave que los fabricantes de ceacutelulas o
celdas realicen un buen disentildeo de la ceacutelula solar en el que los contactos
metaacutelicos frontales sean oacuteptimos
Rp es la resistencia paralelo que ofrece un camino alternativo para la corriente
fotogenerada En lugar de fluir a traveacutes de la unioacuten p-n fluye a traveacutes de la
resistencia paralelo de modo que se reduce el voltaje de la ceacutelula Cuanto menor
sea la resistencia paralelo maacutes corriente podraacute desviarse por ella afectando su
eficiencia El impacto de esta resistencia paralelo es elevado sobre todo cuando la
ceacutelula trabaja a baja irradiancia La resistencia paralelo suele ser baja debido a
defectos de fabricacioacuten por lo que para maximizarla es necesario mantener un
buen control del proceso productivo
La unioacuten de varias ceacutelulas fotovoltaicas crean un moacutedulo o panel solar asiacute
entonces eleacutectricamente se puede representar de la siguiente manera
51
Figura 23 modelo eleacutectrico de un panel solar tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira I
Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La anterior imagen muestra una cadena de 5 ceacutelulas fotovoltaicas expuestas a una
radiacioacuten de 1000wm2 y 25degc
Sus caracteriacutesticas eleacutectricas son
IL = 51A (corriente que la ceacutelula transforma de la radiacioacuten bajo esas
condiciones)
V = 051 (Tensioacuten alcanzada por la ceacutelula bajo dichas condiciones)
Al analizar el conjunto de las 5 ceacutelulas tenemos
Iconjunto = 51A
Vmaacutex= 255A
Cuando una ceacutelula fotovoltaica se ve afectada por una sombra esta ya no puede
producir corriente convirtiendo la fuente de corriente en un circuito abierto A
continuacioacuten se muestra la representacioacuten eleacutectrica de dicho suceso
52
Figura 24 modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute
Universitat Rovira I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico
Disponible en httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La trayectoria azul muestra el camino que tomariacutea la corriente con la ceacutelula 3
afectada por una sombra Esta condicioacuten hace que la ceacutelula 3 se convierta en una
carga resistiva haciendo que pueda sufrir dantildeos por recalentamiento y que toda la
cadena de ceacutelulas disminuya su tensioacuten
Explicado el anterior fenoacutemeno los diodos de by-pass tienen como principal
funcioacuten proteger las ceacutelulas parcialmente sombreadas ofreciendo un camino con
menor impedancia a la corriente y asiacute evitando que eacutesta dantildee teacutermicamente las
ceacutelulas parcialmente sombreadas La siguiente imagen muestra el camino de la
corriente cuando hay una ceacutelula bajo sombra y con presencia de diodos de by-
pass [2131-33]
Figura 25 funcionamiento de diodo de bypass tomada de Energeacutetica Futura iquestQueacute es el problema del Punto Caliente en moacutedulos fotovoltaicos Disponible en
53
httpenergeticafuturacomblogC2BFque-es-el-problema-del-punto-caliente-en-modulos-fotovoltaicos
21117 Diodos de bloqueo
Para sistemas aislados es comuacuten acoplar a un arreglo fotovoltaico un conjunto de
bateriacuteas estas pueden dantildear los moacutedulos cuando exista poca o nula radiacioacuten
(horas de la noche) descargaacutendose energiacutea acumulada sobre los paneles
dantildeando teacutermicamente las ceacutelulas fotovoltaicas Los diodos de bloqueo evitan que
las bateriacuteas se descarguen sobre el arreglo proporcionando un camino de muy alta
impedancia Tambieacuten evitan que el flujo de corriente se invierta entre bloques de
paneles conectados en paralelo cuando en uno o varios de ellos se produce una
sombra Estos diodos de bloqueo deben ser capaces de soportar la corriente de
cortocircuito y el voltaje de circuito abierto del campo completo como norma se
toma que puedan soportar dos veces la corriente de cortocircuito y la tensioacuten de
circuito abierto del arreglo fotovoltaico [21]
La siguiente imagen resume la conexioacuten de diodos de by-pass y diodos de
bloqueo con un arreglo de paneles y una bateriacutea
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar
Las caracteriacutesticas de salida de un moacutedulo o panel solar se representan en la
curva I-V que muestra la relacioacuten de salida entre la corriente y la tensioacuten La
mayoriacutea de estas curvas las proporciona el fabricante del panel y estaacuten estudiadas
bajo condiciones normalizadas de pruebas conocidas como STC (Standard Test
Conditions) [10]
Estas pruebas constan de
Irradiancia 1000wm2
54
Temperatura 25degc (77degF)
Espectro luminoso = 15 masa de aire
La corriente de salida variacutea en funcioacuten del voltaje en la carga y su temperatura de
trabajo La siguiente figura muestra en forma graacutefica dicha relacioacuten cuando el
nivel de radiacioacuten permanece constante para un panel en particular
Figura 27 curva caracteriacutestica de una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV) Cells
Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Si bien la anterior imagen muestra la salida de un panel en particular se podriacutea
decir que los demaacutes paneles de silicio del mercado van a tener un comportamiento
similar Se puede observar que el valor maacuteximo para la tensioacuten de salida es
cuando la corriente es nula a este punto se le llama tensioacuten de circuito abierto
(Voc) mientras que la corriente llega a su valor maacuteximo cuando la tensioacuten es nula
a este punto se lo conoce como corriente de corto-circuito (I119888119888) Tambieacuten se puede
observar el punto de maacutexima potencia este es el valor donde el aacuterea bajo la curva
I-V es maacutexima cada panel solar suele especificar este valor con Vmp (Maximun
point voltage)
La salida del panel solar depende baacutesicamente de dos factores fundamentales la
temperatura y la radiacioacuten solar A continuacioacuten se muestran dos imaacutegenes en
donde se observa la influencia en la salida de una celda al variar estos dos
paraacutemetros
55
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV)
Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Figura 29 efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar tomada de ITACA Photovoltaic
(PV) Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-
cells
De la figura 29 se puede resaltar que la corriente que genera el panel depende de
la radiacioacuten solar permaneciendo la tensioacuten aproximadamente constante
De acuerdo a lo anterior tiene mucha importancia la orientacioacuten y la inclinacioacuten
respecto a la horizontal debido a que la radiacioacuten variacutea a lo largo del diacutea en
funcioacuten de la inclinacioacuten del Sol respecto al horizonte
56
De la figura 28 se puede resaltar que el aumento de la temperatura en las ceacutelulas
genera una disminucioacuten de la tensioacuten del panel permaneciendo casi constante la
corriente Asiacute entonces la ventilacioacuten adecuada del panel fotovoltaico va a jugar un
papel importante respecto a la tensioacuten de salida del mismo
El efecto global del aumento de la temperatura de trabajo del panel es que la
potencia del panel disminuya lo que generariacutea la necesidad de instalar maacutes
paneles para una aplicacioacuten y una temperatura baja podriacutea aumentar
draacutesticamente la tensioacuten poniendo en riesgo los elementos que completan el
sistema fotovoltaico [10 15 21 35]
212 Bateriacuteas
Se intenta que un sistema fotovoltaico aislado cubra todas las necesidades de
consumo sin importar la hora del diacutea o las inclemencias del clima Las bateriacuteas
almacenan la energiacutea eleacutectrica de la corriente directa en forma quiacutemica para su
uso posterior Como la cantidad de energiacutea que brinda un arreglo fotovoltaico variacutea
de acuerdo a la alteracioacuten de las condiciones climaacuteticas un sistema de
almacenaje puede brindar una fuente de energiacutea relativamente constante cuando
el sistema fotovoltaico produce una energiacutea pequentildea siempre y cuando este
mismo sistema haya producido la energiacutea necesaria para cargar el sistema de
almacenaje
Los elementos que componen un sistema fotovoltaico no son 100 eficientes y las
bateriacuteas no son la excepcioacuten en las bateriacuteas cierta cantidad de energiacutea se pierde
como el calor y las reacciones quiacutemicas durante la carga y la descarga por ende
el sistema fotovoltaico ademaacutes de prever la carga de estaacute sistema tambieacuten debe
tener en cuenta este hecho
Aunque se generaliza que un sistema fotovoltaico aislado posea un sistema de
almacenamiento para ciertas aplicaciones no son necesarias es el caso de
sistemas de bombeo de agua durante el diacutea a tanques de almacenamiento
motores de ventilacioacuten de invernaderos que solo funcionen en el diacutea ventiladores
para usos en donde solo el Sol brilla entre otros
Los sistemas interconectados a la red no necesariamente necesitan bateriacuteas
aunque ellas pueden ser usadas como fuente de respaldo cuando la energiacutea
convencional falle involucrarlas significa un inversor maacutes sofisticado mayores
costos y un sistema menos eficiente
Existen muchos tamantildeos de bateriacuteas Las maacutes pequentildeas comuacutenmente utilizadas
en linternas y radios estaacuten catalogadas como bateriacuteas ldquodesechablesrdquo o ldquoprimariasrdquo
las bateriacuteas para estos mismos usos pero recargables se las denomina
57
ldquosecundariasrdquo Las bateriacuteas recargables de niacutequel cadmio (nicad o NICd) se usan
comuacutenmente para grandes cargas estacionarias tales como aplicaciones
industriales cargas diarias en el sector rural y residencial y pequentildeos aparatos
portaacutetiles
Los fabricantes de bateriacuteas garantizan el funcionamiento de las bateriacuteas en
funcioacuten de ciclos estos ciclos son la secuencia de cargar y descargar una bateriacutea
esta accioacuten puede ocurrir varias veces al diacutea dependiendo de la aplicacioacuten asiacute
entonces si se desea preservar la vida del banco de bateriacuteas es necesario
dimensionar de manera adecuada el nuacutemero de bateriacuteas con el fin de no
descargar tan frecuentemente el sistema [10 15 21]
2121 Tipos de bateriacuteas
Los siguientes tipos de bateriacuteas se usan comuacutenmente para aplicaciones
fotovoltaicas
Bateriacuteas de plomo-aacutecido
- De liacutequido ventilada (vaso abierto)
- Selladas (plomo aacutecido de vaacutelvula regulada)
Bateriacuteas alcalinas
- Niacutequel cadmio
- Niacutequel hierro
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecido
En algunos paiacuteses es muy comuacuten usar este tipo de bateriacuteas para aplicaciones
fotovoltaicas a escala residencial debido a que son recargables ampliamente
accesibles relativamente baratas y disponibles en distintos tamantildeos de
almacenamiento nominal son de faacutecil mantenimiento y vida relativamente alta son
bateriacuteas muy similares a las usadas por los automoacuteviles convencionales sin
embargo las diferencia su construccioacuten y su aplicacioacuten las bateriacuteas para
automoacuteviles no son recomendadas para usos fotovoltaicos debido a que ellas no
estaacuten disentildeadas para ldquociclos profundosrdquo estas estaacuten disentildeadas para descargar
grandes cantidades de corriente durante cortos intervalos de tiempo para despueacutes
ser inmediatamente cargada por el alternador o generador del vehiacuteculo
Los sistemas fotovoltaicos a menudo necesitan descargar pocas cantidades de
corriente durante largos periodos de tiempo y ser cargadas en condiciones
irregulares Una bateriacutea para ldquociclo profundordquo puede ser descargada hasta el 80
de su capacidad nominal Una bateriacutea de vehiacuteculo solo puede durar unos pocos
58
ciclos bajo tales condiciones mientras que un banco de bateriacuteas para uso
fotovoltaico puede durar de 3 a 10 antildeos e incluso maacutes
Este tipo de bateriacuteas se pueden subdividir en bateriacuteas de plomo-aacutecido de
electrolito liacutequido conocidas como ldquovaso abiertordquo y de plomo-aacutecido selladas
conocidas como ldquoVRLArdquo [10 15]
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abierto
Estas bateriacuteas tienen una construccioacuten muy similar a la que se utiliza en los
automoacuteviles con placas positivas y negativas hechas de plomo y aleaciones de
plomo sumergidas en una solucioacuten electroliacutetica de aacutecido sulfuacuterico y agua A
medida que esta se descarga a niveles muy altos esta produce hidroacutegeno gaseoso
y es expulsado de la bateriacutea este desecho es altamente explosivo esta situacioacuten
obliga a que el ambiente en donde se instalen estas bateriacuteas sea lo maacutes aislado
posible evitando chispas de calentadores de gas arranques de motores etc Asiacute
entonces el uso de estas bateriacuteas obliga al uso de alguacuten sistema de control de
tensioacuten eleacutectrica para regular el voltaje de la bateriacutea y evitar descargas peligrosas
Cuando las aberturas de salida de bateriacutea eliminan gases se pierde agua por lo
que debe rellenarse perioacutedicamente Algunas bateriacuteas estaacuten equipadas con tapas
recombinatorias que capturan los gases y los devuelven a la bateriacutea en forma de
agua Las bateriacuteas de ciclo profundo duraraacuten maacutes si se protege de descargas
completas Los controladores con desconexioacuten de bajo voltaje (LVD por sus siglas
en ingleacutes) protegen a la bateriacutea de descargas completas Estas bateriacuteas al igual
que las de los automoacuteviles tienen mayor eficiencia a temperaturas altas sin
embargo en estas condiciones las bateriacuteas duraraacuten menos ciclos [10 15]
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto tomada de AMB Green Power BATERIAS
SOLARES TROJAN Disponibles en httpwwwambgreenpowercombaterias_solares_trojanaspx
59
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA
Al contrario de las bateriacuteas con vasos abiertos las bateriacuteas reguladas por vaacutelvulas
VRLA no tienen tapa y por tanto no tienen acceso al electrolito sin embargo no
estaacuten totalmente selladas una vaacutelvula permite que el exceso de presioacuten escape
en caso de sobrecarga Este tipo de bateriacuteas son libres de mantenimiento
Los dos tipos de bateriacuteas selladas usadas comuacutenmente en los sistemas
fotovoltaicos son la celda de gel y de lana de vidrio absorbente (AGM por sus
siglas en ingles) En las bateriacuteas tradicionales de celda de gel el electrolito se
lleva a estado coloidal o se gelifica por la adicioacuten de un material llamado siacutelica gel
que convierte el liacutequido en una masa coloidal Las bateriacuteas AGM usan una tela de
vidrio de un material siacutelice fibrosa para mantener el electrolito Esta tela o malla
suministra depoacutesitos o bolsillos que ayudan en la recombinacioacuten de gases
generados durante la carga y limita la cantidad de hidroacutegeno gaseoso producido
Este tipo de bateriacuteas son a prueba de derrame El electrolito gelificado no puede
derramarse ni aun en caso de rotura Esto les permite ser transportadas y
manipuladas con seguridad otra gran ventaja de estas bateriacuteas respecto a las
bateriacuteas de plomo acido de vaso abierto es que eacutestas se pueden enviar por avioacuten
sin necesidad de ser transportadas secas como es el caso de las bateriacuteas de vaso
abierto que es necesario que sean activadas en el sitio con la adicioacuten del
electrolito sin embargo las bateriacuteas de celdas de gel cuestan maacutes por unidad de
capacidad [10 15]
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA tomada de MTEK Bateriacutea GEL
100Ah Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID44CatID11Defaultaspx
60
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM tomada de MTEK Bateriacutea AGM 12volts 150Ah
Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID53CatID10Defaultaspx
21212 Bateriacuteas alcalinas
Las bateriacuteas alcalinas como las bateriacuteas de niacutequel cadmio y niacutequel hierro tambieacuten
tienen placas negativas y positivas sumergidas en un electrolito que usualmente
es de hidroacutexido de potasio Cada celda de la bateriacutea tiene una tensioacuten nominal de
12 volts y el punto de terminacioacuten de carga es entre 165v y 18v por celda
Tienen una gran ventaja respecto a las bateriacuteas de plomo aacutecido y es su
independencia respecto a la temperatura lo que las hace ideales para trabajar a
temperaturas extremadamente friacuteas como -45ordmc o menos sin embargo son mucho
maacutes costosas (de 6 a 8 veces) que las de plomo aacutecido lo que las vuelve poco
viables para esta aplicacioacuten
A pesar que son bateriacuteas maacutes costosas que las bateriacuteas de plomo-aacutecido estas
pueden tener un costo operacional maacutes bajo debido a su larga vida uacutetil y al poco
mantenimiento que necesitan Sus caracteriacutesticas maacutes sobresalientes son su
capacidad para soportar sin dantildeo cargas y descargas excesivas asiacute como una
mayor profundidad de descarga (cerca del 100) tienen una mayor eficiencia con
baja temperatura ambiente y altas humedades y evitan problemas de sulfatacioacuten
de las placas o congelacioacuten del electrolito [10 15]
2122 Especificaciones de las bateriacuteas
Las bateriacuteas poseen especificaciones de placa que deben ser tenidas en cuenta
para el uso en aplicaciones fotovoltaicas Las maacutes importantes se explican a
continuacioacuten
21221 Capacidad de la bateriacutea
La capacidad de la bateriacutea es sin duda un aspecto importante de las bateriacuteas esta
se valora en los amperios hora que puedan almacenar Una manera anaacuteloga muy
faacutecil de explicar este paraacutemetro es comparaacutendolo con un balde con agua en
61
donde el agua es anaacuteloga a la energiacutea y la capacidad en Ah se representa con la
capacidad de almacenamiento de agua del balde
En teoriacutea los amperios hora son la capacidad para que una bateriacutea entregue (o
almacene) cierta cantidad de amperios en un tiempo especiacutefico Asiacute entonces una
bateriacutea de 100Ah puede suministrar 100 amperios en 1 hora o 50 amperios en 2
horas etc Antes de que la bateriacutea se considere descargada sin embargo muchos
factores pueden afectar la capacidad de la bateriacutea como el ritmo de descarga la
temperatura la eficiencia del inversor la eficiencia del regulador el tiempo de uso
de la bateriacutea entre otros
Es comuacuten que para un sistema fotovoltaico las cargas necesiten maacutes de una
bateriacutea para su funcionamiento a este conjunto de bateriacuteas se le conoce como
ldquobanco de bateriacuteasrdquo y la capacidad de este se deberaacute calcular en funcioacuten de las
cargas a alimentar y de los diacuteas de autonomiacuteas o diacuteas de respaldo en caso de
radiacioacuten miacutenima
Sobredimensionar el banco de bateriacuteas por conexioacuten de nuevas bateriacuteas para
aumentar la capacidad de almacenamiento del banco puede generar varios
problemas entre ellos el que las viejas bateriacuteas degraden el comportamiento de
las nuevas bateriacuteas a causa de que la resistencia interna de las celdas de las
bateriacuteas nuevas es mayor que el de las bateriacuteas viejas ademaacutes al conectar
muchas bateriacuteas aumenta la probabilidad de fallas debido a celdas defectuosas y
al sobredimensionar el arreglo de bateriacuteas respecto al arreglo fotovoltaico se
genera un estado de carga parcial entre las bateriacuteas que causa acortamiento de
vida uacutetil del banco reduccioacuten de la capacidad y aumento en la sulfatacioacuten Es por
estas razones que los fabricantes de bateriacuteas prohiacuteben antildeadir nuevas bateriacuteas a
un banco ya existente [15]
21222 Ritmo y profundidad de descarga
El ritmo a la que se descarga la bateriacutea afecta directamente su capacidad Si la
bateriacutea se descarga raacutepidamente hay menos capacidad disponible y si por el
contrario una bateriacutea se descarga lentamente tendraacute maacutes capacidad para
entregar Asiacute por ejemplo una bateriacutea de 2 voltios con una capacidad de 2500Ah
puede entregar 131A en 20 horas lo que seriacutea equivalente a 2620Ah y 446A en 5
horas lo equivalente a 2230Ah (Ver anexo 2 Especificaciones de fabricante
MTEK para bateriacutea modelo MT225000D Constant Current Discharge
Characteristics) Asiacute entonces se especifican bateriacuteas con la capacidad de la
bateriacutea respecto al nuacutemero de horas en que se descarga De esta forma si una
bateriacutea entrega una capacidad de almacenamiento debe especificar tambieacuten el
nuacutemero de horas en que se descarga Es comuacuten que los fabricantes valoren este
62
dato en 20 horas y lo especifiquen con un C20 sin embargo hay fabricantes que
especifican este dato en un C10
Teniendo en cuenta lo anterior existe un tiempo involucrado en la carga de las
bateriacuteas que debe ser tenido en cuenta por el arreglo fotovoltaico y es que si se
necesita con urgencia cargar el banco de bateriacuteas se necesitaran maacutes paneles
que puedan generar dicha energiacutea o si por el contrario existe una mayor tolerancia
en el tiempo de carga de la bateriacutea el arreglo no necesita mucha energiacutea extra a la
de las cargas para cargar el banco de bateriacuteas Esta variable se llama Tiempo de
recuperacioacuten del sistema y se trataraacute en la seccioacuten de ldquoparaacutemetros necesarios
para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomordquo
La profundidad de descarga (PDD por sus siglas en ingleacutes) se refiere a la
capacidad que puede obtenerse de una bateriacutea La mayoriacutea de los sistemas
fotovoltaicos estaacuten disentildeados para descargas regulares del 40 y 80 La vida
de la bateriacutea estaacute relacionada directamente con la profundidad del ciclo de la
bateriacutea Por ejemplo si una bateriacutea se descarga 50 cada diacutea esta duraraacute
alrededor del doble que si se descargara el 80 Las bateriacuteas de plomo aacutecido
nunca deben descargarse completamente aunque algunas bateriacuteas de ciclo
profundo pueden sobrevivir bajo estas condiciones su tensioacuten decreceraacute
continuamente Sin embargo las bateriacuteas de NiCd pueden descargarse totalmente
sin sufrir dantildeos y manteniendo su tensioacuten
Los bancos de bateriacuteas de poca profundidad que descargan bateriacuteas solo entre el
10 y el 20 tienen dos ventajas diferentes Primero es que se preserva la
duracioacuten de la bateriacutea como se muestra en la figura siguiente en donde a menor
profundidad de descarga mayor nuacutemero de ciclos la bateriacutea puede resistir y
segundo es que el sistema puede llegar a ser maacutes confiable debido a que se crea
una reserva de energiacutea que se puede usar en situaciones de clima criacuteticas Sin
embargo crear un banco con estas especificaciones puede ser demasiado
costoso debido a que involucrariacutea mayor nuacutemero de bateriacuteas asiacute entonces se
debe buscar una buena relacioacuten de costo- confiabilidad Es usual encontrar un alto
nuacutemero de ciclos y un banco relativamente econoacutemico trabajando a un 50 de
PDD
A continuacioacuten se muestra la relacioacuten PDD vs ciclos para una bateriacutea promedio
63
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea
Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
Los fabricantes de bateriacuteas especifican que la esperanza de vida de una bateriacutea
se mide en nuacutemero de ciclos Las bateriacuteas pierden capacidad con el tiempo y se
considera que han llegado al final de su vida uacutetil cuando han perdido el 20 de su
capacidad nominal
La anterior imagen muestra la relacioacuten existente entre el porcentaje de descarga
promedio y el nuacutemero de ciclos para una bateriacutea sellada de bajo costo Asiacute
entonces una bateriacutea de estas caracteriacutesticas con un uso de poca profundidad de
solo el 25 de PDD podriacutea durar cerca de unos 4000 ciclos mientras que una
bateriacutea con un uso de 80 de PDD solo podraacute durar unos 1500 ciclos
Los Ah de una bateriacutea se miden de acuerdo a la tensioacuten que esta tiene en sus
bornes es decir que si esta descargada mediraacute una tensioacuten por debajo de su
tensioacuten nominal y cuando es cargada por completo tendraacute una tensioacuten superior
Esta es la manera de medir el estado de carga de las bateriacuteas por parte de los
instrumentos de control de un sistema fotovoltaico de esta forma se logra
controlar el PDD para evitar descargas profundas y disminuir la esperanza de vida
de la bateriacutea [10 15]
21223 Condiciones ambientales
Las bateriacuteas son sensibles a la temperatura del entorno que las rodea y por tanto
es necesario tener en cuenta este factor La temperatura afecta la capacidad de
Ah que esta puede dar en general los fabricantes entregan la capacidad de la
bateriacutea a 25degc sin embargo la capacidad de esta decreceraacute a menores
temperaturas y aumentaraacute a mayores temperaturas Lo anterior respecto a la
capacidad de la bateriacutea lo contrario ocurre para la esperanza de vida o el nuacutemero
de ciclos que esta puede soportar en donde a temperaturas por encima de 25degc la
64
esperanza de vida disminuye y por debajo de los 25degc la esperanza de vida
aumenta La mayoriacutea de los fabricantes aseguran que hay una peacuterdida de vida del
50 por cada 15degF (83degc) que se incrementen por encima de los 77degF (25degc) de
temperatura estaacutendar de la bateriacutea
De esta forma se intenta que el banco de bateriacuteas sea ubicado en un lugar
ventilado y aislado por el peligro de explosioacuten que existe cuando las reacciones
quiacutemicas desechan hidroacutegeno pues este es explosivo y nocivo para la salud [10]
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacutea
Para medir un estado de carga de una bateriacutea es usual utilizar un voltiacutemetro
aunque tambieacuten se puede medir con un densiacutemetro midiendo la densidad del
electrolito este meacutetodo no es tan comuacuten por el costo del aparato de medicioacuten y
porque seriacutea imposible medir de esta forma la carga de una bateriacutea sellada tipo
GMA o tipo GEL asiacute entonces se adopta con mucha maacutes frecuencia medir la
tensioacuten en los bornes de las bateriacuteas en reposo es decir desconectarlas de las
fuentes y de las cargas por unas horas La tensioacuten obtenida por este meacutetodo
puede ser consultada con tablas anexas a los manuales de las bateriacuteas
suministradas por el fabricante aunque es comuacuten adoptar los siguientes valores
[10 36]
ESTADO DE CARGA TENSIOacuteN BATERIacuteAS TIPO VASO ABIERTO
100 128
75 125
50 122
25 119
0 116 Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea
213 Regulador de carga
La energiacutea solar tiene una naturaleza muy variable lo que causariacutea problemas a la
hora de disponer de ella directamente mediante un arreglo fotovoltaico para
suministrar energiacutea a equipos sensibles de tensioacuten y corriente es por esto que se
han desarrollado dispositivos que controlan en cierta forma la conversioacuten de
energiacutea solar a eleacutectrica Bajo esta premisa se han desarrollado los reguladores de
carga o controladores solares que para un sistema aislado intentan acoplar el
arreglo fotovoltaico con el banco de bateriacuteas adecuando de cierta forma la tensioacuten
y la corriente al banco de bateriacuteas para el correcto funcionamiento de este
evitando primordialmente sobrecargas y descargas profundas que pueden acortar
la esperanza de vida de las bateriacuteas La mayoriacutea de reguladores disponibles en el
65
mercado se instalan entre el arreglo fotovoltaico y las bateriacuteas tomando de estas
la energiacutea para su funcionamiento
Los reguladores de carga actuales poseen varios microcontroladores programados
para analizar el estado de carga de las bateriacuteas tensioacuten y corriente del arreglo con
el fin de tomar decisiones adecuadas para cargar las bateriacuteas de forma adecuada
algunos de estos poseen un bus de datos para proporcionar dicha informacioacuten al
usuario dando a conocer posibles problemas en el sistema
Asiacute entonces las prestaciones maacutes habituales de los reguladores de carga que se
usan en instalaciones solares autoacutenomas son las siguientes
Proteccioacuten contra sobrecarga del banco de bateriacuteas es la funcioacuten maacutes baacutesica del
regulador con la cual evita que la bateriacutea se caliente pierda agua el electrolito
(para bateriacuteas plomo-acido vaso abierto) y que las placas se oxiden
Alarma por tensioacuten de bateriacutea baja cuando la tensioacuten del banco de bateriacuteas
alcanza niveles bajos (especificados por el fabricante) significa que esta
descargado y corre peligro en caer en una descarga profunda Esta alarma
informa a los usuarios de este problema con el fin de que estos regulen su
consumo de energiacutea sin embargo esta no siempre es la solucioacuten lo que obliga al
regulador a desconectar las cargas mediante relees electromecaacutenicos
incorporados en el dispositivo con el fin de concentrar toda la energiacutea en el banco
de bateriacuteas y restablecer el suministro una vez superado el inconveniente [10]
Existen dos tipos de reguladores de carga para uso fotovoltaico reguladores con
modulacioacuten de ancho de pulso conocidos como reguladores PWM (Pulse Width
Modulation) y reguladores con seguimiento del maacuteximo punto de potencia
conocidos como reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking)
2131 Reguladores PWM
Los reguladores de carga solares PWM facilitan una conexioacuten directa desde el
panel solar hacia el banco de bateriacuteas proporcionando la tensioacuten necesaria para
que este se cargue siempre y cuando el arreglo fotovoltaico lo facilite Asiacute
entonces un regulador PWM ajusta niveles de tensioacuten de acuerdo a la tensioacuten
necesitada por el banco de bateriacuteas y este va a disminuyendo su tensioacuten de
acuerdo a la energiacutea que vaya almacenando esta condicioacuten genera que el arreglo
fotovoltaico no aproveche toda la potencia que puede generar y ser aprovechada
por las cargas es decir que este tipo de reguladores no garantiza operar en el
punto donde el arreglo fotovoltaico proporciona mayor cantidad de potencia este
punto se lo conoce con las siglas MPP (Maximun Power Point)
66
Un ejemplo tiacutepico es un sistema a 12V en donde se tiene una sola bateriacutea de
plomo aacutecido AGM que opera en un rango aproximado entre 10V y 15V
dependiendo del estado de carga un moacutedulo tiacutepico para cargar esta bateriacutea tiene
una tensioacuten Vmp = 17V asiacute entonces el regulador PWM se ve obligado a reducir
esta tensioacuten a un valor entre 10V y 15V para cargar la bateriacutea haciendo que el
panel no pueda aprovechar toda su capacidad
La siguiente imagen ilustra dicho comportamiento
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar tomada de MORNINGSTAR
Traditional PWM vs Morningstarrsquos TrakStartrade MPPT Technology Disponible en
httpwwwmorningstarcorpcomwp-contentuploads201404Morningstar-Corporation-Traditional-
PWM-vs-TrakStar-MPPT-Whitepaper-April-2013pdf
De esta forma se observa que con reguladores PWM entre mayor sea la diferencia
de la tensioacuten del arreglo fotovoltaico a la del banco de bateriacuteas menor seraacute el
aprovechamiento de energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico es decir que hay
energiacutea que se desperdicia bajo estas condiciones Esto puede ser aun peor
cuando la temperatura disminuye debido a que la tensioacuten aumenta y se
desperdicia auacuten maacutes energiacutea que con un regulador MPPT se podriacutea aprovechar
para cargar de una mejor manera las bateriacuteas y mejor suministro de energiacutea a las
cargas
Para el uso de un regulador PWM se recomienda tener en cuenta varios factores
por parte del arreglo fotovoltaico como verificar que la tensioacuten de circuito abierto a
bajas temperaturas (maacutexima tensioacuten de un arreglo fotovoltaico) del arreglo no
supere la tensioacuten maacutexima del regulador esto debido a que puede estropear su
funcionamiento y en peores casos dantildearlo de forma irreparable debido a que la
corriente generada por el arreglo fotovoltaico seraacute la misma a la salida del
67
regulador PWM es necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico (maacutexima corriente que un arreglo fotovoltaico puede generar) no
supere la corriente maacutexima que los fabricantes recomiendan esto puede generar
recalentamientos frecuente accioacuten de las protecciones y dantildeos en el dispositivo
de manera irreparable la tensioacuten de maacutexima potencia de un arreglo fotovoltaico
tambieacuten debe ser previamente verificada esta debe superar la tensioacuten maacutexima de
carga de las bateriacuteas de tal forma que el arreglo pueda proporcionar una carga
adecuada al banco sin embargo no debe sobrepasar demasiado dicha tensioacuten
debido a que se desperdiciariacutea mucha energiacutea y el sistema no seriacutea eficiente
Seguacuten esto algunos fabricantes recomiendan los siguientes casos
Sistemas de 12V Vmpgt 15V
Sistemas de 24V Vmpgt 30V
Sistemas de 36V Vmpgt 45V
Sistemas de 48V Vmpgt 60V
Con respecto a la magnitud de la tensioacuten Vmp el software PVSol recomienda que
la tensioacuten de la bateriacutea no debe ser menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo fotovoltaico (Vmp) [37 38]
2132 Reguladores MPPT
Los controladores MPPT poseen un algoritmo que busca la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo (Vmp) del arreglo fotovoltaico y asiacute lograr utilizar en casi su
totalidad la potencia que el arreglo fotovoltaico puede suministrar De esta manera
ya no es necesario buscar una configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que se acople
al banco de bateriacuteas ya que este regulador convertiraacute la diferencia de tensioacuten
entre el arreglo fotovoltaico y el banco de bateriacuteas en corriente asiacute entonces es
posible que la corriente que genere el arreglo fotovoltaico ya no sea la misma que
alimenta al banco de bateriacuteas y las cargas si no que sea mayor aprovechando la
potencia que el arreglo fotovoltaico puede generar por tanto la potencia de
entrada del regulador seraacute aproximadamente igual (debido a peacuterdidas normales de
cualquier dispositivo) a la salida de este
Los reguladores MPPT entonces pueden aprovechar la potencia extra (puede
llegar a ser mayor que en condiciones STC) del arreglo fotovoltaico cuando las
ceacutelulas alcancen temperaturas bajas (aumenta la tensioacuten y por tanto aumenta la
potencia)
Al igual que en los reguladores PWM los reguladores MPPT necesitan que el
arreglo fotovoltaico esteacute bien dimensionado para garantizar un ambiente adecuado
68
para el funcionamiento del regulador Como principal preocupacioacuten se debe tener
en cuenta la tensioacuten en circuito abierto del arreglo fotovoltaico a temperaturas
bajas debido a que eacutesta es la condicioacuten para la cual se logra la mayor tensioacuten que
el arreglo fotovoltaico puede alcanzar esta no debe ser mayor a la tensioacuten
maacutexima especificada por el fabricante del regulador No cumplir con la anterior
condicioacuten puede dantildear el regulador por efecto de una sobretensioacuten tambieacuten es
necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo fotovoltaico no sea
mayor a la que el fabricante entrega esta condicioacuten puede dantildear por efectos de
sobrecorriente el dispositivo Por uacuteltimo los fabricantes de reguladores MPPT
entregan un dato que especifica cuanta potencia el regulador puede transmitir al
banco de bateriacuteas y a las cargas se recomienda entonces que la potencia
fotovoltaica instalada del arreglo no sea mayor que la maacutexima potencia del
dispositivo No acatar dicho paraacutemetro no significa poner en riesgo el regulador
MPPT si no que eacuteste en esas condiciones no podraacute entregar toda la potencia
proporcionada por el arreglo fotovoltaico de esta forma el sistema perderaacute
eficiencia por tanto se evita esta situacioacuten en la etapa de disentildeo del arreglo
fotovoltaico
En la seccioacuten 2112 (Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar) se explica el
comportamiento que tiene la temperatura respecto la tensioacuten de un panel solar la
manera de relacionar estos dos paraacutemetros estaacute dada por el coeficiente de
temperatura especificado por el fabricante del moacutedulo (coefficient Temperature
Voc y comuacutenmente se expresa en K) este paraacutemetro entrega la informacioacuten
necesaria de coacutemo seraacute la tensioacuten del moacutedulo fotovoltaico bajo influencia de la
temperatura A continuacioacuten se explica coacutemo se debe calcular la maacutexima tensioacuten
de un arreglo fotovoltaico y un rango de tensioacuten de operacioacuten (Vmp) que es muy
uacutetil cuando se desea utilizar un regulador MPPT
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119900119888) 119875119904119890119903119894119890 120784 120783
119881119898iacute119899119898119901 = ((119879119898aacute119909 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120784
119881119898aacute119909119898119901 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120785
En donde
69
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119898iacute119899119898119901 tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura alta promedio
119881119898aacute119909119898119901 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura baja promedio
119879119898iacute119899 temperatura promedio miacutenima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119879119898aacute119909 temperatura promedio maacutexima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119862119900119890119891119905119890119898119901 coeficiente de temperatura en K especificado por el fabricante
119881119900119888 tensioacuten de circuito abierto especificada por el fabricante del moacutedulo
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia especificado por el fabricante
119875119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie
Los reguladores MPPT tienen un rango de seguimiento de tensioacuten donde el
regulador buscaraacute la tensioacuten de maacutexima potencia es decir que si el arreglo tiene
una tensioacuten que se encuentra dentro de este rango el regulador garantizara la
maacutexima potencia del arreglo es por esta razoacuten que es necesario conocer un
rango de tensioacuten de operacioacuten del arreglo en funcioacuten de la temperatura promedio
miacutenima y maacutexima de la zona donde se quiere instalar esto con el fin de buscar en
el mercado un regulador con rango de seguimiento que abarque el rango de
tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo (limitados por 119881119898119894119899119898119901 y 119881119898119886119909119898119901)
Aunque todo apunta a que son mayores las ventajas que entrega el regulador
MPPT respecto al regulador PWM no siempre es asiacute la principal desventaja que
tiene un regulador MPPT respecto a un regulador PWM es su costo y es que
resulta en promedio de tres a cuatro veces maacutes econoacutemico un regulador PWM
adicional a esto en ciertas aplicaciones las ventajas estudiadas anteriormente
pueden ser anuladas por el regulador PWM asiacute entonces en ocasiones resulta
maacutes conveniente un regulador PWM A continuacioacuten se nombran algunos casos
Aplicaciones de baja potencia (consumo de corriente baja) la mayoriacutea de
reguladores MPPT poseen una baja eficiencia a comparacioacuten de los reguladores
PWM cuando la carga es baja Esto podriacutea empeorar cuando este tipo de cargas
70
es de uso continuo Muchos fabricantes especifican las curvas de eficiencia de sus
dispositivos para informar al disentildeador acerca de la eficiencia
A continuacioacuten se muestra una curva caracteriacutestica de eficiencia de un regulador
MPPT
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT tomada de MORNINGSTAR Solar
Controller with Maximum Power Point Tracking Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Altas temperaturas Como se explicoacute anteriormente se observa un mejor
comportamiento de reguladores MPPT en temperaturas bajas debido al aumento
de la tensioacuten de maacutexima potencia (Vmp) Por el contrario cuando hay temperatura
media suficientemente alta la tensioacuten Vmp decrece ajustando sin necesidad de
seguimiento de punto de maacutexima potencia el arreglo fotovoltaico al banco de
bateriacuteas (disminuye la diferencia entre el Vmp del arreglo fv y del banco de
bateriacuteas) No seriacutea necesario utilizar un regulador MPPT en estas aplicaciones
Sistemas fotovoltaicos para consumo en el diacutea para cargas de uso en horas del
diacutea es comuacuten que la energiacutea del arreglo fotovoltaico se use directamente sin
necesidad de almacenarlas en bateriacuteas Esta situacioacuten hace que la energiacutea de las
bateriacuteas no sea comuacutenmente usada y por tanto que el banco de bateriacuteas no sea
muy frecuentemente cargado haciendo que la ventaja de recoleccioacuten de energiacutea
proporcionada por un regulador MPPT no sea necesaria [37]
214 Inversores autoacutenomos
Los inversores autoacutenomos se encargan de convertir la corriente continua del
arreglo fotovoltaico en corriente alterna que es maacutes faacutecil de transportar y se ha
convertido en el estaacutendar para los fabricantes de aparatos electroacutenicos comunes
71
Es por esto que los inversores juegan un gran papel en instalaciones fotovoltaicas
debido a que son el acople directo entre el sistema fotovoltaico y las cargas
adicional a esto las bateriacuteas solo pueden almacenar energiacutea en forma de corriente
directa lo que evidencia auacuten maacutes su importancia
Durante antildeos los constructores han usado diferentes tecnologiacuteas para convertir la
corriente continua de una fuente de baja tensioacuten en corriente alterna de mayor
tensioacuten Los primeros inversores usaban un transistor baacutesico para cambiar la
polaridad de la corriente continua de positivo a negativo cerca de 60 veces por
segundo creando una forma de onda cuadrada con gran cantidad de armoacutenicos
Fue entonces con la llegada de circuitos integrados maacutes sofisticados como
transistores de efecto de campo y transformadores de alta frecuencia que fue
posible la creacioacuten de inversores maacutes eficientes y ligeros que producen una forma
de ondas cercanas a una onda sinusoidal En lugar de convertir corriente directa
en alterna de 120VCA o 240VCA se usa un proceso multipasos digital en donde
se convierte la corriente continua en alterna de tensioacuten baja y alta frecuencia para
despueacutes elevar la tensioacuten con un transformador de alta frecuencia rectificarla en
una nueva etapa y convertirla nuevamente a tensioacuten y frecuencia requeridas [10]
2141 Clasificacioacuten de inversores
Existen tres tipos fundamentales de inversores autoacutenomos que se clasifican
baacutesicamente por su forma de onda Se explican a continuacioacuten
21411 Inversores de onda cuadrada
Estos inversores cambian la entrada de corriente directa en una salida de corriente
en funcioacuten de paso o ldquocuadradardquo alterna Estos brindan poco control de tensioacuten de
salida capacidad de sobretensioacuten limitada y una distorsioacuten armoacutenica considerable
Por tanto los inversores de forma de onda cuadrada son apropiados para
pequentildeas cargas de calentamiento por medio de resistencias algunos aparatos
eleacutectricos de bajo consumo y focos incandescentes Son inversores econoacutemicos y
tienen poco uso en el campo residencial
21412 Inversores de onda cuadrada modificada
Este tipo de inversores utiliza transistores de efecto de campo (FET) o
rectificadores de control de silicio (SCR) para cambiar la entrada de corriente
directa en salida de corriente alterna Este tipo de inversores pueden manejar
grandes sobretensiones y producir salidas con mucha menos distorsioacuten armoacutenica
debido a esto es adecuado para un mayor nuacutemero de cargas como algunos
motores televisores luces equipos de muacutesica etc
72
21413 Inversores de onda sinusoidal
Los inversores de onda sinusoidal se usan para operar aparatos electroacutenicos
sensibles que requieren una forma de onda de alta calidad Ellos son los
inversores maacutes comunes en las aplicaciones residenciales y tienen muchas
ventajas sobre los inversores de onda cuadrada modificada como tener una salida
con muy poca distorsioacuten armoacutenica que permite energizar los maacutes sensibles
aparatos electroacutenicos poseen una mayor capacidad de sobretensioacuten y son
capaces de arrancar muchos tipos de motores faacutecilmente [10 15]
La imagen siguiente muestra la forma de onda de los tres tipos de inversores
autoacutenomos caracteriacutesticos
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2142 Caracteriacutesticas de los inversores
Eficiencia la mayoriacutea de los inversores modernos convierten maacutes del 90 de la
corriente directa en la entrada en corriente alterna de salida Muchos fabricantes
de inversores aseguran una alta eficiencia sin embargo los inversores solo son
altamente eficientes cuando se utilizan en ciertos puntos de operacioacuten por tanto
es necesario saber cuaacutenta carga maacutexima alcanzaraacuten las cargas para escoger un
inversor adecuado La siguiente imagen muestra una curva tiacutepica de un arreglo
fotovoltaico
73
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor tomada de MORNINGSTAR Pure sine wave
inverter Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Peacuterdidas en espera o standby se refiere al consumo de energiacutea que un inversor
posee cuando no hay cargas en operacioacuten los inversores modernos poseen unas
muy bajas peacuterdidas por standby
Regulacioacuten de frecuencia la regulacioacuten de frecuencia de un inversor debe ser
capaz de manejar cualquier condicioacuten de entrada debido a que existen cargas
que son muy sensibles a esto Esta caracteriacutestica depende netamente de la
construccioacuten y la calidad del inversor
Potencia de salida de AC (Watt) los fabricantes de inversores disentildean el
dispositivo para cierta magnitud maacutexima de carga asiacute entonces es importante que
un inversor sea capaz de soportar la potencia pico de la demanda de lo contrario
el inversor puede sufrir recalentamiento y se veraacute obligado a accionar muy
frecuentemente las protecciones internas (si el fabricante las garantiza)
Tensioacuten de entrada DC la entrada de un inversor estaacute suministrada por el arreglo
fotovoltaico y por las bateriacuteas depende de la configuracioacuten del sistema cual es
dicha tensioacuten Es comuacuten que los sistemas fotovoltaicos sean de 12V 24V 36V o
48V y es obligatorio que la entrada a del inversor sea igual a la del sistema
Tensioacuten de salida AC es necesario hacer un estudio previo del tipo de cargas que
se piensan interconectar y saber que tensioacuten nominal manejan de acuerdo a esto
se escoge un inversor con tensioacuten de salida en AC que satisfaga dichas cargas
De lo contrario el suministro de energiacutea no se lograraacute de manera adecuada y el
inversor podriacutea sufrir dantildeos
74
Capacidad de sobretensioacuten la mayoriacutea de inversores son capaces de exceder
mayores cantidades de potencia por corto tiempo Esto puede ser un factor
importante para el arranque de motores que suelen consumir cerca de siete veces
su potencia nominal en el arranque [10 15]
22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
En la seccioacuten 15 se explica [28] y se evidencia que en Colombia existe una gran
necesidad de dimensionar de una manera adecuada los sistemas fotovoltaicos
debido a que cerca del 44 de los sistemas existentes tiene problemas para
funcionar o no funcionan A continuacioacuten se explica los paraacutemetros que se
necesitan conocer para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico
221 Estimacioacuten del consumo y carga
Con frecuencia la carga es el paraacutemetro que maacutes influye en el tamantildeo y costo de
un sistema fotovoltaico por esta razoacuten es necesario hacer un estudio adecuado
para determinar valores adecuados de carga el eacutexito de un disentildeo fotovoltaico
dependeraacute de esta variable
Aunque en teoriacutea se puede alimentar cualquier tipo de carga se intenta no
alimentar muchas resistencias que generen calor sobre todo si eacutestas tienen
mucho tiempo de uso como es el caso de sistemas de calentamiento de agua
calefaccioacuten hornos eleacutectricos etc Lo anterior se intenta evitar debido a la gran
potencia que necesitan para funcionar y por tanto pueden demandar un gran
consumo de energiacutea que puede encarecer el sistema fotovoltaico Sin embargo si
se dispone de los recursos suficientes y no existen otras opciones se puede llevar
a cabo el disentildeo y dimensionamiento
Por otra parte tambieacuten es necesario revisar las caracteriacutesticas eleacutectricas de cada
carga como es el caso de frecuencia nominal tensioacuten nominal potencia nominal
corriente en standby y distorsioacuten armoacutenica Esto con el fin de encontrar un inversor
que sea capaz de alimentar las cargas sin sufrir dantildeo alguno Asiacute mismo es de
suma importancia determinar el tiempo promedio en el cual van a estar en uso las
cargas en el diacutea esto con el fin de estimar un consumo promedio diario este
aspecto junto con la potencia nominal de cada carga determinaraacute el consumo
promedio diario
Asiacute entonces con este estudio se pretende estimar tres vectores
[119873] nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea energizar [119882] potencia en Watt nominal que necesitan los aparatos eleacutectricos que se desean energizar
75
[ℎ] estimacioacuten de tiempo en horas al diacutea que los aparatos eleacutectricos permanecen encendidos Con lo anterior se define un vector de consumo por grupo de aparatos [119862] cuyos elementos estaacuten en Whdia
[119862] = [
1198621
1198622
⋮119862119899
] = [
1198731 lowast 1198821 lowast ℎ1
1198732 lowast 1198822 lowast ℎ2
⋮119873119899 lowast 119882119899 lowast ℎ119899
] 120784 120786
Una vez encontrado [119862] se puede definir el consumo promedio diario y la carga
maacutexima de la siguiente forma
119860119888119879 = sum 119862119896
119899
119896=1
120784 120787
119875119879119860119862 = sum 119873119896 lowast 119882119870 120784 120788
119899
119896=1
En donde
119860119888119879 consumo promedio diario en wh
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda en w Como criterio de disentildeo de este trabajo se asumiraacute que todas las cargas se encuentran encendidas a una hora del diacutea esto con el fin de que el regulador en ninguacuten caso corra peligro de estar subdimensionado [10] 222 Recurso solar Para el disentildeo de un sistema fotovoltaico es necesario tener la estimacioacuten de la radiacioacuten mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior sobre un plano inclinado y orientado en cierta direccioacuten (depende del sitio donde se quiera hacer la instalacioacuten) En la seccioacuten 143 (modelos para estimar la radiacioacuten solar) se explican varios de estos El recurso solar es un factor indispensable para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico aislado en Colombia esta informacioacuten se puede encontrar en estaciones meteoroloacutegicas de aeropuertos o universidades que estudian fenoacutemenos ambientales sin embargo es difiacutecil tener con exactitud la radiacioacuten en un lugar determinado por efecto de topografiacutea y distancia a las estaciones meteoroloacutegicas Existen sitios web y programas que tienen informacioacuten de varias estaciones lo que puede facilitar el meacutetodo de interpolacioacuten y entregar un estimado
76
cercano de recurso solar disponible en el sitio donde se desea instalar el sistema fotovoltaico La importancia de encontrar una buena herramienta que calcule la radiacioacuten es que de esta depende la energiacutea que puede producir un arreglo fotovoltaico al estimar mal la radiacioacuten se corre el riesgo de sobreestimar el arreglo produciendo sistemas maacutes costosos de lo necesario o subestimarlo creando deacuteficit de energiacutea e inconformidad con el usuario Es comuacuten que las herramientas encargadas de calcular el recurso solar entreguen la radiacioacuten adquirida en cada uno de los meses del antildeo sin embargo para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico se necesita la radiacioacuten promedio mensual de cada uno de los meses esta se puede calcular con el producto punto entre la radiacioacuten mensual y el inverso punto a punto de vector de diacuteas en cada mes como se indica a continuacioacuten
= lowast [1
] 120784 120789
En donde
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo (desde enero a diciembre)
(kWhm2d)
radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (kWhm2)
diacuteas de cada mes (desde enero a diciembre) (d)
[1
] representa el resultado de invertir cada componente del vector
Como criterio de disentildeo de este trabajo se recomienda trabajar con la menor radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo estudiado esto con el fin de adoptar el peor escenario ambiental en el cual el sistema fotovoltaico va a generar energiacutea De esta forma se tiene
Γ = miacuten([]) 120784 120790 Donde
Γ radiacioacuten promedio diaria mensual maacutes baja del antildeo (kWhm2d) Para disentildeo de sistemas fotovoltaicos se maneja el concepto de ldquohoras solar picordquo y corresponde al nuacutemero de horas en las que cada metro cuadrado de superficie
captadora obtiene de modo constante 1000 119882 Este paraacutemetro relaciona los datos de placa del panel con el recurso solar disponible en la zona Si se quiere evaluar la energiacutea que el panel fotovoltaico puede producir
diariamente habraacute que conocer cuantas horas diarias con radiacioacuten de 1000wm2 estaraacute expuesto en el diacutea La manera de encontrar las horas solar pico del mes de
77
maacutes baja radiacioacuten consta del cociente entre la radiacioacuten promedio diaria mensual
maacutes baja y 1kWm2 de la siguiente forma
Hspico =Γ
1kWm2 120784 120791
Donde
Hspico horas solar pico del mes de maacutes baja radiacioacuten a lo largo del antildeo en (hd) 223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaico
La autonomiacutea de un sistema fotovoltaico es un paraacutemetro que modelaraacute el banco
de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico se refiere al nuacutemero de diacuteas en que un
sistema de bateriacuteas suministraraacute una carga determinada sin ser recargado por el
arreglo fotovoltaico u otra fuente
Las condiciones generales del clima determinan el nuacutemero de diacuteas con radiacioacuten
nula lo cual es una variable significativa para brindar un tiempo de autonomiacutea Sin
embargo este paraacutemetro es muy difiacutecil de determinar con exactitud en lugares
donde no se lleva un estudio estadiacutestico de la radiacioacuten solar lo que en lugares
alejados de estaciones climatoloacutegicas hace de este un paraacutemetro deductivo
Algunos autores recomiendan estudiar de las cargas si en verdad es criacutetico que la
carga opere en todo momento si la carga podriacutea ser cambiada o reemplazada por
alternativas maacutes eficientes y si la carga es simplemente una conveniencia [10 21]
Seguacuten lo anterior se puede dar un rango de autonomiacutea seguacuten la importancia de la
carga
1 De 2 a 3 diacuteas usos esenciales o sistemas con generador de respaldo
2 De 5 a 7 diacuteas para cargas criacuteticas sin ninguna otra fuente de energiacutea
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistema
Como se explicoacute en la seccioacuten 21221 (Ritmo y profundidad de descarga) se
necesita determinar un paraacutemetro que modele el tiempo que se requiere para
cargar las bateriacuteas despueacutes que se encuentren descargadas es decir con queacute
frecuencia se encontraraacute una serie de diacuteas con nula radiacioacuten en donde se
necesite tener cargado el banco de bateriacuteas
Este paraacutemetro al igual que el tiempo de autonomiacutea se deberiacutea calcular mediante
estudios estadiacutesticos de radiacioacuten solar en la zona donde se desea instalar el
sistema fotovoltaico sin embargo en un entorno como el de Colombia en donde
78
los sistemas fotovoltaicos estaacuten en auge se dificulta encontrar este paraacutemetro con
precisioacuten
El tiempo de recuperacioacuten del sistema relaciona el arreglo fotovoltaico con el
banco de bateriacuteas ya que cuando el banco este descargado el arreglo
fotovoltaico no solamente debe entregar energiacutea a las cargas si no al banco de
bateriacuteas y la energiacutea que invierta este en cargar el banco dependeraacute de cuaacutento
tiempo lo cargue Asiacute entonces por ejemplo el estudio estadiacutestico arroja que en
promedio existe un evento al mes en donde existiraacute una serie de diacuteas con mala
radiacioacuten el arreglo fotovoltaico deberaacute entonces cargar el banco de bateriacuteas
como miacutenimo 15 diacuteas de esta forma el arreglo deberaacute producir aparte de la
energiacutea que consuman las cargas la energiacutea suficiente para cargar el arreglo en
15 diacuteas [38]
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Una vez conocidos los paraacutemetros de disentildeo de un sistema fotovoltaico ya se
puede modelar el sistema A continuacioacuten se presenta el dimensionamiento del
banco de bateriacuteas y del arreglo fotovoltaico
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteas
El tamantildeo del banco de bateriacuteas dependeraacute baacutesicamente de los diacuteas de
autonomiacutea y el consumo promedio diario De la siguiente forma
119862119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120783120782
Donde
119862119887119886119899119888119900 capacidad del banco de bateriacuteas (Wh)
119863119886119900119906119905 diacuteas de autonomiacutea (d)
120578119894119899119907 eficiencia del inversor
120578119887119886119905 eficiencia de la bateriacutea
La eficiencias en el denominador modelan las peacuterdidas del inversor estudiadas en
la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) y la eficiencia de la bateriacutea
modela las peacuterdidas de las reacciones quiacutemicas que se desarrollan en las bateriacuteas
cuando se produce un ciclo de carga y descarga estudiada en la seccioacuten 21222
79
(Ritmo y profundidad de descarga) la eficiencia de bateriacuteas es usualmente
aproximada al 80 y del inversor usualmente se aproxima al 90 sin embargo
como se vio en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y carga) en donde se
especifica que el criterio de disentildeo para escoger el inversor dependeraacute
baacutesicamente de 119875119879119860119862 (Potencia maacutexima de demanda en W) conocido este valor
se puede encontrar la eficiencia especifica seguacuten la curva del fabricante
Ya con la capacidad del banco encontrada hace falta saber cuaacutenta energiacutea es
capaz de suministrar una sola bateriacutea especiacutefica aunque en teoriacutea cualquier
bateriacutea solar serviraacute el nuacutemero de estas dependeraacute de la capacidad de
almacenamiento que a su vez define el precio de la bateriacutea por tanto se intenta
que la energiacutea que suministra el banco de bateriacuteas no tenga valores muy
superiores al 119862119887119886119899119888119900 La ecuacioacuten que modela la capacidad de energiacutea que puede
entregar cada bateriacutea es
119864119887119886119905 = 119862119887119886119905 119897119894119898 119881119887119886119905 120784 120783120783
Donde
119864119887119886119905 energiacutea que puede suministrar una bateriacutea (Wh)
119862119887119886119905 capacidad de la bateriacutea especificada con el fabricante (Ah)
119897119894119898 liacutemite de descarga maacuteximo del banco de bateriacuteas
119881119887119886119905 tensioacuten nominal de la bateriacutea especificada por el fabricante (V)
El nuacutemero de bateriacuteas se define de acuerdo al cociente entre la capacidad del
banco y la energiacutea que puede entregar cada bateriacutea Como se muestra a
continuacioacuten
119873119887119886119905 = 119862119887119886119899119888119900
119864119887119886119905 120784 120783120784
Donde
119873119887119886119905 nuacutemero de bateriacuteas necesarias para la aplicacioacuten
Reemplazando las expresiones 210 y 211 en la 212 se tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120785
80
Sin embargo es muy difiacutecil que 119873119887119886119905 tome valores enteros lo que obliga a trabajar
con el entero maacutes proacuteximo superior debido a que se intenta garantizar como
miacutenimo los diacuteas de autonomiacuteas requeridos y no exceder el liacutemite de descarga
maacuteximo es aquiacute donde la energiacutea que una bateriacutea puede entregar juega un papel
importante debido a que es el uacutenico paraacutemetro ajustable (basta con cambiar la
bateriacutea con mayor o menor capacidad de Ah) esto con el fin de que la parte
decimal se aproxime tanto como se pueda al entero superior
Otra manera sencilla de saber el nuacutemero de bateriacuteas que dimensionan el banco
fotovoltaico es partir de la definicioacuten de cadenas y paralelos A continuacioacuten se
define dicha expresioacuten
119873119887119886119905 = 119861119886119905119904ℎ119906119899119905 119861119886119905119904119905119903119894119899119892 120784 120783120786
Doacutende
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 nuacutemero de cadenas en paralelo
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de bateriacuteas en serie
Analizando cada teacutermino tenemos
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 = 119881119900
119881119887119886119905 120784 120783120787
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119900 120784 120783120788
En donde la expresioacuten nuacutemero 15 muestra la relacioacuten de la tensioacuten con respecto al
nuacutemero de bateriacuteas en serie y la ecuacioacuten 16 muestra el nuacutemero de cadenas
necesarias para abastecer la demanda junto con las eficiencias de los dispositivos
que componen el sistema
Al reemplazar las expresiones 215 y 216 en la 214 y cancelando teacuterminos se
tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120789
En donde se comprueba que la expresioacuten 217 es igual a la expresioacuten 213
81
Aunque este es el nuacutemero de bateriacuteas necesario para satisfacer las necesidades
de la demanda teniendo en cuenta el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y llevando las
bateriacuteas a liacutemites de descarga ajustados previamente no necesariamente es el
nuacutemero definitivo de bateriacuteas debido a que el banco de bateriacuteas define la tensioacuten
del sistema el problema ocurre cuando el nuacutemero de bateriacuteas en serie que a su
vez ajusta la tensioacuten del sistema (comuacutenmente 12v 24v 36v o 48v) no es
divisible exactamente por el nuacutemero de bateriacuteas haciendo obligatorio ajustar
nuevamente el nuacutemero de bateriacuteas Un ejemplo tiacutepico es presentado cuando el
estudio arroja 5 bateriacuteas necesarias de 12 v cada una para trabajar a 24v es
necesario conectar cadenas de dos bateriacuteas en serie sin embargo es imposible
conectar todas estas bateriacuteas para esta configuracioacuten debido a que 5 no es
divisible exactamente entre dos una opcioacuten podriacutea ser usar 4 bateriacuteas sin
embargo esto iriacutea en contra del disentildeo debido a que el banco es maacutes pequentildeo del
nuacutemero calculado esta circunstancia podriacutea violar el liacutemite de descarga y los diacuteas
de autonomiacutea planteados la manera de solucionar este problema es ajustar a 6 el
nuacutemero de bateriacuteas de esta forma no se violan los paraacutemetros del disentildeo y se
genera un sistema auacuten maacutes confiable [10 15 21]
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaico
Es muy comuacuten que se modele el banco de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico como
dos fuentes de energiacutea diferentes en donde el arreglo fotovoltaico se modela de
acuerdo al consumo y recurso solar y el banco de bateriacuteas uacutenicamente al consumo
y tiempo de autonomiacutea sin embargo esta suposicioacuten no es del todo cierta debido
a que se debe tener en cuenta la energiacutea que el arreglo fotovoltaico invierte al
cargar las bateriacuteas y entregar energiacutea a las cargas es por esta razoacuten que en este
proyecto se propone que el arreglo fotovoltaico siacute tenga relacioacuten con el banco de
bateriacuteas y a continuacioacuten se explicaraacute coacutemo hacerlo
Se desea entonces un arreglo fotovoltaico que cargue el banco de bateriacuteas
anteriormente modelado y entregue energiacutea durante el diacutea a las cargas que esteacuten
encendidas La siguiente expresioacuten modela dicha suposicioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119864119888119900119899119904119906119898119900 + 119864119887119886119899119888119900 120784 120783120790
De esta forma se asegura que el modelamiento sea adecuado
Expandiendo cada teacutermino se tiene que
119864119888119900119899119904119906119898119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 120784 120783120791
82
La eficiencia del inversor debe ser tomada en este estudio debido a que modela
las peacuterdidas de operacioacuten de eacuteste y que el arreglo fotovoltaico tambieacuten debe tener
en cuenta
Para modelar la energiacutea que consumen las bateriacuteas se tiene en cuenta la energiacutea
que consume el banco de bateriacuteas involucrando el tiempo de recuperacioacuten del
sistema este deberaacute ser inversamente proporcional a la potencia que suministra el
arreglo fotovoltaico debido a que si este paraacutemetro aumenta el arreglo fotovoltaico
tendraacute maacutes tiempo de recargar las bateriacuteas con lo que probablemente disminuya
su tamantildeo Asiacute entonces se presenta dicha expresioacuten
119864119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
120578119887119886119905 119879119903119890119888 120784 120784120782
Reemplazando la expresioacuten 17 en la 20 tenemos
119864119887119886119899119888119900 = 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
119879119903119890119888
119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120784120782119938
Cancelando teacuterminos 119897119894119898 119862119887119886119905 y 119881119887119886119905 se obtiene
119864119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120783
Asiacute entonces se observa que al aumentar el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea del
sistema aumenta la capacidad de almacenamiento haciendo que tambieacuten exista
un mayor consumo para cargar las bateriacuteas por parte del arreglo fotovoltaico y que
al disminuir el tiempo de recuperacioacuten del sistema se necesitaraacute maacutes potencia
para cargar las bateriacuteas por tanto aumentaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico
De esta forma se pueden reemplazar las expresiones 221 y 219 en la 218
119864119886119903119903119890119892119897119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120784
Esta ecuacioacuten muestra la energiacutea que deberaacute entregar un arreglo fotovoltaico sin
embargo hay que referir esta energiacutea al recurso solar disponible para saber
cuaacutenta potencia fotovoltaica es necesaria Asiacute entonces la energiacutea que puede
83
suministrar un arreglo fotovoltaico seraacute igual al resultado del producto de las horas
solar pico (que en este trabajo seraacute la promedio del peor mes) por la potencia
fotovoltaica necesaria o calculada para la aplicacioacuten
A continuacioacuten se presenta la expresioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 120784 120784120785
119875119865119907119888 potencia fotovoltaica necesaria
Reemplazando la expresioacuten 23 en la 22 tenemos
119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 = 119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120785119938
Despejando potencia fotovoltaica necesaria se tiene
119875119865119907119888 = 119860119888119879
119867119904119901119894119888119900 120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119867119904119901119894119888119900 119879119903119890119888 120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120786
La ecuacioacuten 24 modela la potencia calculada para un sistema fotovoltaico la
manera de encontrar el nuacutemero de paneles especiacuteficos para una aplicacioacuten seraacute el
resultado del cociente entre la potencia fotovoltaica necesaria y la potencia que un
panel fotovoltaico puede entregar bajo las STC como se muestra a continuacioacuten
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120784 120784120787
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Sin embargo se presenta el mismo problema que con el banco de bateriacuteas y es
que 119873119901119886119899119890119897119890119904 tomaraacute valores que muy probablemente no seraacuten enteros por tanto
se debe aproximar este valor siempre al nuacutemero entero maacutes cercano superior
Depende entonces de la potencia del panel solar que se escoja para la aplicacioacuten
el nuacutemero de paneles solares que se necesiten [10 15 21]
De esta forma se ha planteado una manera de dimensionar sistemas fotovoltaicos
relacionando el tiempo de carga de las bateriacuteas y el tiempo de autonomiacutea que
84
seraacuten escogidos de acuerdo a las caracteriacutesticas de las cargas y recurso solar Un
disentildeo que considere estos dos paraacutemetros de manera acertada puede dar como
resultado un sistema fotovoltaico capaz de suministrar energiacutea en ambientes
criacuteticos
85
Capiacutetulo 3
SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Los sistemas fotovoltaicos interactivos con la red de servicio puacuteblico tienen como
propoacutesito suministrar energiacutea a un conjunto de cargas de forma total o parcial con
energiacutea proveniente del sol comuacutenmente son instalados en edificios comerciales o
en casas con acceso al servicio puacuteblico de energiacutea eleacutectrica Los avances
tecnoloacutegicos en los inversores interactivos con la red eleacutectrica han facilitado la
interconexioacuten de arreglos fotovoltaicos a la red haciendo que la energiacutea que
generen sea aprovechada principalmente por las cargas y el excedente de esta
seraacute ldquoempujadardquo a la red puacuteblica aunque en Estados Unidos y algunos paiacuteses de
Europa esta energiacutea empujada es remunerada por parte de las electrificadoras
mediante medidores de energiacutea que permiten el giro inverso en Colombia auacuten no
existe una legislacioacuten que respalde a los sistemas interconectados a la red por
esta razoacuten en un contexto como el de Colombia se intenta que el arreglo
fotovoltaico suministre energiacutea parcialmente a las cargas esto con el intento de no
inyectar energiacutea a la red y evitar sanciones a causa de desequilibrar la red de
distribucioacuten [15]
A continuacioacuten se da a conocer el funcionamiento de un sistema fotovoltaico
interactivo con la red
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Existen dos tipos de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red
1 Sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
2 Sistema interconectado a red con respaldo de bateriacuteas
Los sistemas interactivos con la red de servicio puacuteblico sin respaldo de bateriacuteas
solo constan de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red este
tipo de inversores son disentildeados para interrumpir la conexioacuten a la red del sistema
fotovoltaico cuando el suministro de energiacutea de la red falla esto con el fin de
despejar la falla y evitar problemas operativos en la red de distribucioacuten Los
sistemas fotovoltaicos con respaldo de bateriacuteas constan de un arreglo fotovoltaico
un inversor interactivo con la red capaz de cargar un banco de bateriacuteas este
sistema es capaz de suministrar energiacutea durante el tiempo de autonomiacutea para el
cual el banco fue disentildeado cuando la red de servicio puacuteblico falla sin embargo
para estos sistemas la red de distribucioacuten debe tener un sistema de proteccioacuten
adecuado con el fin de que el banco de bateriacuteas no alimente la falla existente en la
86
red Es por esta razoacuten que en este trabajo de grado se haraacute especial eacutenfasis en
sistemas sin respaldo de bateriacuteas debido a que pueden llegar a ser los maacutes
cercanos a la realidad del entorno Colombiano
A continuacioacuten se analizan las caracteriacutesticas por separado de los sistemas
interconectados a la red con respaldo de bateriacuteas y sin respaldo de bateriacuteas
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
Entre las ventajas y desventajas de un sistema interconectado a red sin respaldo
de bateriacuteas se encuentran disminucioacuten del consumo de energiacutea proveniente del
servicio puacuteblico ausencia de un sistema ininterrumpido de energiacutea en el caso de
falla de la red instalacioacuten simple alta eficiencia y no brindar oportunidades de
administrar la energiacutea
Los sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas constan
de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red El arreglo
fotovoltaico tiene caracteriacutesticas muy similares a un sistema autoacutenomo con la
diferencia de que estos arreglos no van a tener en cuenta la carga de un banco de
bateriacuteas y tienen la posibilidad de suministrar parte del consumo de las cargas A
continuacioacuten se da a conocer las caracteriacutesticas operativas de un inversor
interconectado a la red sin respaldo de bateriacuteas
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteas
La mayoriacutea de los inversores conectados a la red no utilizan un banco de
bateriacuteas por el contrario se conectan directamente con la red de servicio puacuteblico
utilizando esta fuente como un sistema de respaldo Cuando existen condiciones
ambientales para generar energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico el inversor
debe transformar y utilizar esta energiacutea para satisfacer el consumo sin embargo si
la generacioacuten de energiacutea es mayor a la del consumo el inversor suministraraacute la
energiacutea necesaria a las cargas y el exceso lo empujaraacute a la red puacuteblica aunque se
espera que en un futuro Colombia tenga una legislacioacuten que respalde a los
sistemas fotovoltaicos interconectados a la red por el momento no existe por
tanto no es posible vender este exceso de energiacutea lo que afecta netamente el
tiempo de recuperacioacuten de la inversioacuten por esta razoacuten se intenta disentildear un
arreglo fotovoltaico que suministre una parte del consumo para evitar la inyeccioacuten
de energiacutea que no seraacute remunerada El inversor interactivo con la red debe ser
capaz de alimentar las cargas tomando la energiacutea del arreglo fotovoltaico y la
energiacutea de la red puacuteblica a la vez de esta forma se reduce el consumo de energiacutea
por parte de la red puacuteblica produciendo un ahorro en funcioacuten de la energiacutea que es
capaz de suministrar el arreglo Durante la noche o las horas del diacutea donde la
radiacioacuten sea miacutenima toda la energiacutea provendraacute de la red puacuteblica de esta forma
87
el inversor interactivo con la red deberaacute ser capaz de atender cualquiera de los
anteriores casos [1015 21]
A continuacioacuten se daraacute a conocer los paraacutemetros para dimensionar un inversor
adecuado para las necesidades de una instalacioacuten fotovoltaica interconectada a
red sin respaldo de bateriacuteas
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo
de bateriacuteas
Existen varias caracteriacutesticas que los fabricantes de inversores especifican en sus
hojas de datos que es necesario conocer antes de adquirir alguacuten tipo de inversor
A continuacioacuten se dan a conocer varias de estas
Potencia de entrada del inversor al calcular un arreglo fotovoltaico para un
sistema interconectado a la red el tamantildeo del arreglo estaraacute determinado para
que cumpla con el suministro total o parcial del consumo presupuesto del cliente y
limitaciones de espacio Una vez determinado el tamantildeo del arreglo el inversor
deberaacute soportar el paso de potencia del arreglo fotovoltaico por ende se busca
que la potencia fotovoltaica instalada nunca sea mayor a la especificada por el
fabricante del inversor Tambieacuten se debe tener en cuenta que si se desea expandir
en un futuro la capacidad del arreglo el inversor sea capaz de soportar dicha
expansioacuten de potencia fotovoltaica instalada
Seguidor de punto de maacutexima potencia como se analizoacute en la seccioacuten 2132
(Reguladores MPPT para sistemas autoacutenomos) se intenta que el arreglo
fotovoltaico opere siempre en el punto de maacutexima potencia en la actualidad todos
los inversores interconectados a la red tienen esta caracteriacutestica con el fin de
aprovechar la maacutexima potencia que pueda entregar el arreglo fotovoltaico [10]
Tensioacuten de entrada la mayoriacutea de los inversores interconectados a red poseen
una ventana de tensioacuten que especifica el rango de operacioacuten en donde el inversor
funcionaraacute de manera adecuada Para estar dentro de esa ventana el arreglo
fotovoltaico debe estar interconectado de una manera especiacutefica Debido a que
usualmente las ventanas de tensioacuten de los inversores estaacuten entre 75V y 600V la
configuracioacuten deberaacute tener muacuteltiples moacutedulos en serie para alcanzar dicha tensioacuten
(generalmente mayor a la de los sistemas aislados) sin embargo como se estudioacute
en la seccioacuten 2132 (REGULADORES MPPT) en donde se analiza relacioacuten entre
la tensioacuten de los moacutedulos y la temperatura el disentildeo debe tener en cuenta la
temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima con el fin de
evitar que la tensioacuten maacutexima del arreglo (calculada con la temperatura miacutenima
promedio) y la tensioacuten miacutenima del arreglo (calculada con la temperatura maacutexima
promedio) salgan de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante Si el
88
arreglo fotovoltaico alcanza una tensioacuten tan baja que sale de la ventana de tensioacuten
del inversor se apagaraacute por otro lado si un arreglo fotovoltaico alcanza una
tensioacuten tal que supere el maacuteximo de la ventana de tensioacuten del arreglo el inversor
podriacutea estar en peligro potencial de dantildeo Por tanto es importante calcular de una
manera adecuada la tensioacuten maacutexima y miacutenima de un arreglo fotovoltaico que
dependeraacute del nuacutemero de paneles en serie y sus caracteriacutesticas eleacutectricas con el
fin de encontrar un inversor adecuado para la aplicacioacuten [10 36]
Seguacuten lo anterior
119881119898119901119901119905119898119894119899 le 119881119898iacute119899119898119901 120785 120783
119881119898119901119901119905119898119886119909 ge 119881119898aacute119909119898119901 120785 120784
En donde
119881119898119901119901119905119898119894119899 liacutemite inferior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119901119901119905119898119886119909 liacutemite superior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119894119899119898119901 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio maacutexima (ver ecuacioacuten 22)
119881119898119886119909119898119901 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio miacutenima (ver ecuacioacuten 23)
Tensioacuten maacutexima la tensioacuten maacutexima que deberaacute soportar el inversor interactivo
con la red se produce por parte del arreglo fotovoltaico en condiciones de circuito
abierto y temperatura promedio miacutenima
Se debe tener en cuenta dicha tensioacuten en el disentildeo del arreglo fotovoltaico con el
fin de que el inversor no sufra dantildeos por sobretensioacuten bajo estas condiciones
Seguacuten lo anterior se debe garantizar que
119881119894119899119907119898aacute119909 ge 119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 120785 120785
119881119898119886119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119894119899119907119898119886119909 tensioacuten maacutexima del inversor especificada por el fabricante
Tensioacuten de salida la tensioacuten de salida de los inversores es especificada por el
fabricante y su uso dependeraacute netamente de las caracteriacutesticas operativas de la
89
carga Para un entorno como el de Colombia es comuacuten que las cargas esteacuten
alimentadas a 120V (sistema monofaacutesico bifilar o sistema trifaacutesico tetrafilar) 240V
(sistema monofaacutesico trifilar) 208V (sistema trifaacutesico trifilar) y en algunos casos
hasta 480V Por esta razoacuten es necesario que se haga un estudio de tensioacuten
frecuencia y secuencia (en el caso de un sistema trifaacutesico) de la red disponible a la
que se va a interconectar el inversor aunque existen algunos inversores que son
capaces de acoplarse a cualquier tipo de red es recomendable hacer un estudio
previo de la misma y verificar con los datos teacutecnicos del inversor si es posible su
conexioacuten antes de adquirirlo [10 21]
Proteccioacuten de fallo a Tierra la mayoriacutea de fabricantes de inversores especifican la
proteccioacuten del dispositivo que en caso de producirse un cortocircuito parte del
flujo eleacutectrico se derive a Tierra
Proteccioacuten para sobrecorriente en DC y AC algunos inversores traen incorporados
sistemas de proteccioacuten tanto a la entrada (lado de DC) como a la salida (lado de
AC) sin embargo los fabricantes exigen incorporar protecciones externas para
cuando sea necesario desconectar el inversor y como respaldo a las protecciones
internas
Cubierta resistente a la intemperie la mayoriacutea de los inversores interconectados a
red se disentildean para instalaciones al aire libre y por tanto deben tener cubiertas
adecuadas para estos ambientes
Existen varias ventajas con los sistemas interconectados a la red entre ellas
Economiacutea para cargas con consumo grande depender uacutenicamente de sistemas
fotovoltaicos puede llegar a ser muy costoso sobre todo al disentildear un banco de
bateriacuteas capaz de respaldar la carga durante un periodo largo de operacioacuten o para
horas en el diacutea donde la radiacioacuten solar sea miacutenima Para este tipo de sistemas un
sistema interconectado a red puede resultar maacutes econoacutemico debido a que puede
usar como respaldo la red puacuteblica existente
Bajo costo inicial disentildear un sistema fotovoltaico para abastecer la totalidad del
consumo puede llegar a ser muy costoso sin embargo existe la posibilidad de
hacer una inversioacuten pequentildea que conste de un arreglo fotovoltaico pequentildeo y un
solo inversor maacutes adelante se podraacuten agregar maacutes moacutedulos a medida que el
inversor lo permita Algunos fabricantes de inversores fabrican inversores de
cadenas muacuteltiples (multistring) son capaces de interconectar varios arreglos
fotovoltaicos a la vez esta tambieacuten podriacutea ser una buena opcioacuten si lo que se
desea es aumentar la capacidad fotovoltaica instalada en un futuro
90
Incremento de la confiabilidad al tener dos sistemas de generacioacuten de energiacutea
independientes hay una confiabilidad mayor en un sistema interconectado a la red
que en un sistema autoacutenomo Si se antildeade un banco de bateriacuteas la confiabilidad es
auacuten mayor sin embargo la eficiencia del sistema disminuye debido a que las
bateriacuteas involucran peacuterdidas de almacenamiento gracias a las reacciones
quiacutemicas en el almacenamiento de energiacutea
Flexibilidad de disentildeo debido a que el servicio puacuteblico brinda una fuente de
energiacutea permanente el sistema fotovoltaico puede disentildearse seguacuten el
presupuesto y los deseos del propietario
Facilidad de interconexioacuten los avances en la tecnologiacutea de los inversores han
logrado que sea relativamente faacutecil el acoplo de los arreglos fotovoltaicos a la red
puacuteblica estos son capaces de cumplir con el sincronismo de fase secuencia y
frecuencia para que un sistema de generacioacuten pueda interconectarse a la red [10
15]
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS
El sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas es un sistema
relativamente simple debido a que solo consta de dos elementos fundamentales
el arreglo fotovoltaico y el inversor interconectado a red Sin embargo se necesitan
varios paraacutemetros para un correcto dimensionamiento de ambos elementos
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a red En la seccioacuten 222 (Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para
dimensionamiento de un sistema autoacutenomo) se explicoacute la importancia de tener una
informacioacuten acertada acerca de la radiacioacuten solar en el lugar donde se desea
instalar el arreglo fotovoltaico todo lo hablado en esta seccioacuten es totalmente
aplicable a este tema debido a que el arreglo fotovoltaico es muy similar al de este
caso sin embargo los criterios de dimensionamiento cambian draacutesticamente
debido a que para el dimensionamiento se va a necesitar la informacioacuten de
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo es decir el vector resultado del
producto punto entre el vector de radiacioacuten mensual de cada mes durante un antildeo
y el resultado de invertir cada componente del vector de diacuteas de cada mes (ver
ecuacioacuten 120784 120789) asiacute entonces partiendo de esta expresioacuten se obtiene el vector de
horas solar pico de la siguiente forma [10 15]
119919119956119953119946119940119952 =
1kWm2 120785 120786
91
En donde
119919119956119953119946119940119952 vector horas solar pico a lo largo del antildeo (hd)
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo desde enero a diciembre
(kWhm2119889) A diferencia de los sistemas autoacutenomos en donde se usa uacutenicamente la hora solar pico del mes de la radiacioacuten maacutes baja del antildeo el sistema interconectado a red deberaacute trabajar con toda la informacioacuten de radiacioacuten existente mes a mes Por esta razoacuten se trabajaraacute con el vector completo de horas solar pico [10 15 21] 322 Estudio del consumo anual Debido a que se busca disentildear un arreglo fotovoltaico que produzca un porcentaje de la energiacutea necesaria del consumo mes a mes es necesario conocer el consumo mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior al mes en donde se desea hacer la instalacioacuten del sistema fotovoltaico La manera maacutes sencilla de encontrar estos datos es hacer seguimiento mes a mes a las facturas de energiacutea proporcionadas por la electrificadora encargada del suministro de energiacutea en la zona Para tener en cuenta esta informacioacuten es necesario organizar los datos obtenidos en la premisa anterior de enero a diciembre debido a que se busca relacionar el consumo con el recurso solar correspondiente del mes sin importar si no corresponde a un orden cronoloacutegico es decir si se necesita conocer el consumo mensual de abril del 2013 a marzo de 2014 los meses se organizaraacuten iniciando con enero de 2014 lo relevante es el orden de los meses no el antildeo al que estos pertenezcan Para este trabajo se conoceraacute esta informacioacuten previamente organizada con un
vector [10]
consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente 323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Como se explicoacute en la seccioacuten 312 (Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas) el dimensionamiento del arreglo fotovoltaico interconectado a red dependeraacute de cuanta incidencia tenga el sistema fotovoltaico a las cargas Usualmente se caracteriza mediante un porcentaje del consumo dependiendo de queacute tan grande sea este porcentaje y que recurso solar exista en la zona dependeraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico por esta razoacuten este paraacutemetro se ve muy influenciado con el presupuesto del que se disponga para el proyecto fotovoltaico A mayor porcentaje de consumo anual mayor seraacute la potencia fotovoltaica calculada y seraacute maacutes probable la inyeccioacuten de energiacutea a la red que no seraacute remunerada
92
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblico En la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) en donde se habla de la eficiencia de un inversor autoacutenomo se acoge el mismo concepto para los sistemas interconectados a red en donde la eficiencia dependeraacute de la potencia de consumo de las cargas [10] 33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS El meacutetodo para modelamiento de un sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas consta de encontrar la potencia fotovoltaica necesaria para producir el porcentaje de energiacutea requerido partiendo del recurso solar disponible en la zona y del consumo de energiacutea Una vez encontrado este dato se busca un inversor capaz de soportar la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico con el fin de garantizar un funcionamiento adecuado 331 Modelamiento del arreglo fotovoltaico Con el recurso solar disponible consumo de energiacutea durante el uacuteltimo antildeo y el porcentaje de energiacutea de incidencia del arreglo fotovoltaico se calcula el tamantildeo del arreglo fotovoltaico En principio se debe calcular la energiacutea que el sistema fotovoltaico deberaacute suministrar de acuerdo al porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar [10] De la siguiente forma
119916119943119959 = 119864119891119907
100 120785 120787
En donde
119916119943119959 energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes (Kwhmes) consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (kWhmes) 119864119891119907 porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar
Una vez calculada la energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes se calcula el promedio diario en Wh de la energiacutea que el arreglo fotovoltaico deberaacute producir De la siguiente forma [1015 21]
119916119943119959119941119946119938 = (
1000119882ℎ
1119896119882ℎ 119916119943119959 ) lowast [
1
] 120785 120788
93
119916119943119959119941119946119938 energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar (Whd)
diacuteas de cada mes del antildeo Una vez calculada la energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar se calcula el vector de potencia fotovoltaica calculada de la siguiente forma
119927119943119959119914 = (
119916119943119959119941119946119938
120578119894119899119907100) lowast [
1
119919119956119953119946119940119952 ] 120785 120789
119927119943119959119914 potencia fotovoltaica calculada mes a mes
Debido a que no existe relacioacuten alguna entre el consumo de energiacutea y el recurso solar y son dos paraacutemetros netamente variables es imposible suministrar exactamente el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar mes a mes es por esta razoacuten que se busca un arreglo fotovoltaico que al antildeo suministre en promedio este porcentaje De esta forma el promedio de los
componentes de 119927119943119959119914 seraacute la potencia fotovoltaica necesaria para suministrar el
porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Asiacute entonces
119875119891119907119862119886119897119888119906119897119886119889119886 = 119901119903119900119898119927119943119959119914 120785 120790
Ya encontrado dicho paraacutemetro se puede encontrar el nuacutemero de paneles solares teniendo en cuenta la potencia especificada por el fabricante de manera anaacuteloga a la ecuacioacuten 225 del anterior capiacutetulo
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120785 120791
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Debido a que el nuacutemero de paneles de un arreglo fotovoltaico solo podraacute tomar valores enteros usualmente el paraacutemetro 119873119901119886119899119890119897119890119904 de la expresioacuten anterior deberaacute
ser aproximado al entero maacutes proacuteximo superior (solo si la expresioacuten anterior toma un valor no entero) con el fin de que nunca se produzca menor energiacutea de la especificada por el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado anteriormente De esta forma la aproximacioacuten dependeraacute de la
94
potencia en condiciones estaacutendar del moacutedulo a utilizar (STC por sus siglas en ingleacutes) Este nuacutemero de moacutedulos seraacute capaz de suministrar el porcentaje de consumo especificado con el estudio de cargas y con el presupuesto del proyecto con el nuacutemero de paneles especificados se puede conocer la potencia fotovoltaica instalada resultado del producto entre el nuacutemero de paneles y la potencia que cada panel puede suministrar bajo las STC [10] Asiacute entonces la potencia fotovoltaica instalada seraacute
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 = 119875119898119901119901 119873119901119886119899119890119897119890119904 120785 120783120782
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 potencia fotovoltaica instalada 119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Este paraacutemetro puede dar un indicio de la capacidad que debe tomar el inversor interactivo con la red eleacutectrica debido a que seraacute la potencia que en un instante dado bajo condiciones ambientales adecuadas puede suministrar el arreglo fotovoltaico al consumo Asiacute entonces se debe procurar que
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 le 119875119868119899119907 120785 120783120783
119875119868119899119907 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Violar la expresioacuten anterior no afectaraacute la esperanza de vida ni el funcionamiento del inversor debido a que la potencia fotovoltaica nominal del inversor especifica cuanta potencia es capaz de transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y a la red si el arreglo fotovoltaico produce maacutes potencia simplemente el inversor no la aprovecharaacute para el consumo Sin embargo se evita en la etapa de disentildeo este tipo de problemas debido a que produce sistemas poco eficientes Una vez especificado la potencia fotovoltaica instalada del arreglo se puede calcular cuanta energiacutea puede producir dicho arreglo mes a mes Para ello se debe evaluar el comportamiento del arreglo fotovoltaico con el vector de Horas Solar Pico como se muestra en la siguiente expresioacuten [10]
120643119943 119946 = 119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 (120578119894119899119907100) (
1119896119882
1000119882) 119919119956119953119946119940119952 lowast 120785 120783120784
120643119943 119946 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico mes a mes
De esta forma se puede analizar mes a mes la produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico seguacuten el recurso solar disponible La suma de las componentes de
95
este paraacutemetro representaraacute la energiacutea total que se puede producir en un antildeo de operacioacuten del sistema Seguacuten lo anterior se tiene
120585119891119886ntilde119900 = sum 120643119943 119946 120785 120783120785
12
119894=1
120585119891119886ntilde119900 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico anual
Debido a la aproximacioacuten al entero mayor maacutes proacuteximo especificada en la ecuacioacuten 39 se puede esperar que la produccioacuten energeacutetica anual del sistema fotovoltaico sea mayor a la calculada seguacuten el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado al principio de los caacutelculos Cabe aclarar que entre menor sea el ajuste en dicha expresioacuten menor seraacute la diferencia entre la energiacutea anual que el arreglo fotovoltaico puede producir al estimado por el porcentaje de incidencia del sistema especificado en la ecuacioacuten 313 Con esta informacioacuten teoacuterica se puede dimensionar un sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas cabe resaltar que aprovechar la energiacutea que produce el sistema fotovoltaico dependeraacute de si el perfil de carga se adapta a las horas del diacutea en donde el arreglo fotovoltaico produce energiacutea esto debido a que en un entorno como el de Colombia no trae ninguacuten beneficio econoacutemico inyectar energiacutea a la red por tanto los usuarios que deseen adquirir un sistema fotovoltaico de este tipo deberaacuten tener un mayor consumo de energiacutea en la medida de lo posible en horas de la mantildeana o al medio diacutea y no en la noche como es lo usual solo de esta forma se evitara inyectar mucha energiacutea a la red y se aprovecharaacute la producida por el sistema fotovoltaico
96
Capiacutetulo 4
DESARROLLO DE UN APLICATIVO DE DISENtildeO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS PARA LA EMPRESA COLOMBIAN SOLAR SYSTEMS
SAS
En la actualidad es faacutecil encontrar en su totalidad los elementos necesarios para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico La diversidad de fabricantes especializados en la creacioacuten de elementos para este tipo de generacioacuten origina la posibilidad de encontrar en el mercado diferentes elementos de distinta capacidad caracteriacutesticas eleacutectricas y funciones para abastecer el mercado fotovoltaico que cada antildeo crece la situacioacuten que realmente aqueja al campo de la energiacutea solar es por lo tanto no la dificultad para encontrar la diversidad en los elementos si no la exactitud para la escogencia de uno entre varios El modelamiento de cualquier sistema fotovoltaico estaacute dado por dos paraacutemetros
fundamentales los cuales son carga y recurso solar Para poder comprender la
teoriacutea de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos es necesario entrar en
detalle con el consumo de energiacutea eleacutectrica en el recinto rural o residencial donde
se desea disponer de la generacioacuten a partir de energiacutea solar y adicionalmente
tener valores acertados de radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo Un
conjunto de valores acertados de estos dos paraacutemetros fundamentales seraacuten de
gran importancia para un correcto dimensionamiento
Uno de los objetivos especiacuteficos para este proyecto es plantear un aplicativo
capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector residencial y rural para el
territorio colombiano con el fin de garantizar mejores disentildeos para la empresa
Colombian Solar Systems Para desarrollarlo se utilizoacute el ambiente graacutefico
proporcionado por Matlab conocido como Guide Matlab y que permite interactuar
con varias interfaz graacuteficas
El aplicativo consta de 16 interfaces graacuteficas que calculan los distintos paraacutemetros
necesarios para el disentildeo de sistemas fotovoltaicos de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada sobre consumo recurso solar y capacidad nominal de los
dispositivos que componen el sistema fotovoltaico Cada interfaz graacutefica
proporciona la informacioacuten necesaria para que el usuario busque de acuerdo a sus
proveedores los componentes que cumplan con las necesidades del sistema sin
embargo una vez escogido el dispositivo y por tanto sus valores nominales el
aplicativo estaacute programado para verificar que los rangos operativos de potencia
tensioacuten y corriente de los dispositivos sean adecuados respecto a los valores
necesarios del sistema fotovoltaico esto con el fin de que en la etapa de disentildeo se
97
busquen los elementos que mejor se adapten a las condiciones del sistema
fotovoltaico
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMO
El aplicativo posee un algoritmo cuantitativo capaz de interactuar con varias
interfaces graacuteficas guardando la informacioacuten necesaria entre cada una de ellas y
entregando la informacioacuten necesaria al usuario para buscar los dispositivos que
sean maacutes pertinentes El aplicativo inicia con una interfaz graacutefica en donde
pregunta al usuario cuaacutel es el sistema fotovoltaico que desea modelar (sistema
autoacutenomo o sistema interconectado a red) a partir de esta interfaz inicial se
ejecuta el proceso a seguir debido a que son sistemas totalmente distintos Al
final el algoritmo verifica que los datos nominales de los dispositivos sean los
adecuados Cabe aclarar que la certeza de los resultados entregados por el
aplicativo seraacuten proporcionales a la validez de los datos entregados como
entradas tales como recurso solar estudio de cargas y valores nominales de los
dispositivos esta informacioacuten seraacute consultada por el usuario por sus medios de
confianza
A continuacioacuten se presenta el diagrama de flujo del algoritmo desarrollado para el
aplicativo
98
INICIO
Estudio de
cargas
Estudio de consumo y
recurso solar
iquestCONTINUAR
CONTINUAR
Informacioacuten de
carga
Datos de
inversor
Recurso
solar y
estabilidad
CONTINUAR
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada con
peacuterdidas en inv
yo bat
Informacioacuten del panel solar
Potencia fv calculada
Datos de panel solar
Temperatura prom
miacutenima y maacutexima
iquestCONTINUAR
Potencia fv instalada y
configuracioacuten
Escoger opcioacuten
Informacioacuten de tensioacuten
del arreglo
Informacioacuten inversor
interconectado a red
Informacioacuten detallada del
arreglo
CONTINUAR
Tipo de sistemas
fotovoltaicos
NO
SI
NO
SI
SI NO
SI
NO
SI
SI NO
99
Potencia fotovoltaica instalada
iquestCONTINUAR
Informacioacuten sobre bateriacutea
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas Configuracioacuten del banco
de bateriacuteas (sin peacutedidas)
Configuracioacuten del banco de
bateriacuteas (con peacutedidas)
iquestCONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Tipo de regulador
Corriente maacutexima
de carga
Corriente maacutexima de
carga potencia fv
Escoger
configuracioacuten
Escoger
configuracioacuten
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
PWM
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas VERIFICACIOacuteN
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
MPPT
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
VERIFICACIOacuteN
FIN
VERIFICACIOacuteN
INFORME
SI
NO
NO SI
NO
SI
MPP
T PW
M
NO
SI
NO
SI
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el
aplicativo
100
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVO
El diagrama de flujo del algoritmo descrito anteriormente describe el
funcionamiento del aplicativo sin embargo es necesario describir cada interfaz
graacutefica que lo compone y el ambiente graacutefico con el que el usuario va a
interactuar
Al seleccionar el icono que hace el llamado al aplicativo abre la primera interfaz
graacutefica a la que el usuario podraacute acceder Esta permite escoger el tipo de sistema
fotovoltaico que desea desarrollar asiacute el usuario podraacute escoger entre un sistema
aislado o un sistema interconectado a red (sin respaldo de bateriacuteas) Al escoger
una de las dos opciones se empezaraacute con el proceso de dimensionamiento
descrito en el diagrama de flujo del algoritmo
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuesto
Al seleccionar ldquoSISTEMA AISLADOrdquo el aplicativo hace un llamado a la interfaz
graacutefica descrita en la figura 43 que representa la interfaz que permite al usuario
entregar la informacioacuten pertinente al estudio de cargas explicado en la seccioacuten
221 (Estimacioacuten del consumo y carga) Esta contiene una tabla editable por el
usuario en donde se especifica el nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea
energizar su potencia nominal y horas de uso al diacutea que se pretende utilizar dicho
grupo de aparatos Una vez especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute
acceder a la siguiente interfaz graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o podraacute acceder a
la interfaz de la figura 42 en cualquier momento escogiendo el iacutecono ldquoATRAacuteSrdquo
101
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo
La figura 44 representa a una interfaz graacutefica que tiene como objetivo informar el
consumo de energiacutea diaria y anual con el fin de que el usuario se entere de
cuanta energiacutea el arreglo fotovoltaico autoacutenomo deberaacute generar al diacutea y al antildeo
Figura 44 Informacioacuten de consumo
Se puede acceder a esta informacioacuten seleccionando ldquoCALCULARrdquo y una vez
especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute acceder a la siguiente interfaz
graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o si desea hacer alguna modificacioacuten al estudio
de cargas lo podraacute hacer seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo
102
La figura 45 representa la manera coacutemo se modelaraacute el inversor autoacutenomo en el
aplicativo Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se entrega al usuario la informacioacuten acerca
de la carga maacutexima que el sistema fotovoltaico tendraacute que alimentar a una hora
del diacutea esta situacioacuten se presenta cuando se interconectan todas las cargas
descritas en la etapa de estudio de carga (figura 43) El inversor autoacutenomo deberaacute
soportar esta condicioacuten es decir que la capacidad nominal de potencia que el
inversor puede transmitir a las cargas deberaacute de ser mayor que la potencia
maacutexima que estas alcancen Cabe recordar que el inversor autoacutenomo no solo se
escogeraacute de acuerdo a la anterior circunstancia si no a otras caracteriacutesticas
eleacutectricas nominales de las cargas tales como frecuencia tensioacuten tipo de onda y
distorsioacuten armoacutenica total El usuario deberaacute verificar que las caracteriacutesticas
eleacutectricas del inversor cumplan con las caracteriacutesticas nominales de la carga Asiacute
entonces el usuario deberaacute consultar los datos nominales del inversor autoacutenomo
que desea usar y llenar la informacioacuten requerida en los espacios correspondientes
teniendo en cuenta las unidades especificadas en cada espacio hay que tener
presente que la tensioacuten nominal DC del inversor autoacutenomo deberaacute ser la misma
que la tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten del banco de bateriacuteas es
en esta situacioacuten en donde se justifica que el aplicativo verifique las tensiones
nominales del banco de bateriacuteas y el inversor ya que es muy comuacuten que el usuario
olvide dicha circunstancia
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo
103
El usuario podraacute regresar a la interfaz de la informacioacuten de consumo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 46 representa a la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique ciertos factores de estabilidad del sistema fotovoltaico tales como
diacuteas de autonomiacutea (descrito en la seccioacuten 223) tiempo de recuperacioacuten del
sistema (descrito en la seccioacuten 224) horas solar pico promedio del peor mes de
radiacioacuten del antildeo (descrito en la seccioacuten 222) y rango de temperatura
(temperatura promedio miacutenima y maacutexima del antildeo de estudio) Esta informacioacuten
seraacute usada por el algoritmo para determinar la potencia fotovoltaica necesaria para
suplir el consumo el nuacutemero de bateriacuteas necesarias para suministrar energiacutea
durante el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y calcular tanto el rango de tensioacuten de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la tensioacuten maacutexima del arreglo en condiciones
de circuito abierto y temperatura baja
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico
El usuario podraacute regresar a la interfaz del modelamiento del inversor autoacutenomo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 47 representa a la interfaz graacutefica que tiene como objetivo calcular el
nuacutemero de paneles necesarios para la aplicacioacuten de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada por el usuario en las interfaces anteriores
104
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria
En el tablero de ldquoinformacioacutenrdquo se especifica mediante un ldquoradio buttonrdquo si el usuario
desea involucrar en el disentildeo peacuterdidas por parte del inversor yo bateriacuteas Aunque
se recomienda modelar sistemas fotovoltaicos con peacuterdidas debido a que son
modelos maacutes cercanos a la realidad de manera acadeacutemica puede llegar a ser
interesante observar en cuanta potencia fotovoltaica se incrementa el arreglo al
involucrar la eficiencia del inversor yo la eficiencia de las bateriacuteas (usualmente
aceptada en el 80) Cual sea el caso se puede acceder a esta informacioacuten en el
espacio ldquoPotencia fotovoltaica calculadardquo seleccionando en el tablero de
informacioacuten ldquoCALCULARrdquo Este caacutelculo tendraacute en cuenta los diacuteas de recuperacioacuten
del sistema y tiempo de autonomiacutea (explicados en la seccioacuten 22 paraacutemetros
necesarios para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo) de
acuerdo a la ecuacioacuten 224
De acuerdo con la ecuacioacuten 225 en la seccioacuten 232 es necesario especificar la
potencia del panel solar que se desea implementar para saber el nuacutemero de
paneles necesarios Esta informacioacuten se debe entregar en el recuadro
denominado ldquoParaacutemetros panel solarrdquo junto con la informacioacuten acerca del panel
especificada en dicho espacio esta informacioacuten seraacute almacenada y usada en las
proacuteximas interfaces graacuteficas
Una vez especificada toda la informacioacuten se podraacute acceder al nuacutemero de paneles
necesarios para el sistema fotovoltaico seleccionando ldquoCALCULARrdquo en el tablero
llamado ldquoCaacutelculo de potencia fotovoltaica y nuacutemero de moacutedulosrdquo
105
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la estabilidad del sistema
autoacutenomo seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 48 representa a la interfaz graacutefica que permite dar a conocer al usuario
cuantas bateriacuteas se necesitan para abastecer de energiacutea a las cargas de acuerdo
al nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea dato entregado en la interfaz representada en la
figura 46
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas
El usuario deberaacute consultar las caracteriacutesticas teacutecnicas de la bateriacutea y entregarlas
en los espacios especificados de la interfaz graacutefica tal como capacidad de la
bateriacutea tensioacuten de la bateriacutea (ambos paraacutemetros determinan cuanta capacidad de
almacenamiento en Wh posee la bateriacutea) maacutexima tensioacuten de carga (que depende
netamente del tipo de bateriacutea y su construccioacuten) y liacutemite de descarga maacuteximo (que
determinaraacute la esperanza de vida de la bateriacutea cabe recordar que entre menor
sea este liacutemite mayor tiempo de vida tendraacute el banco de bateriacuteas) una vez
especificada esta informacioacuten el usuario podraacute escoger si desea tener en cuenta
en el caacutelculo las peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas al igual que en el caso de
la potencia fotovoltaica calculada suele ser interesante observar el incremento de
la capacidad de almacenamiento calculada o necesaria teniendo en cuenta
peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas sin embargo este trabajo recomienda que
siempre se tengan en cuenta las peacuterdidas debido a que se aproximan a un
sistema mucho maacutes real y mejor dimensionado
106
Con la informacioacuten lista el usuario podraacute calcular el nuacutemero de bateriacuteas
necesarias desplazando el ldquopop-up menuacuterdquo correspondiente a la tensioacuten del
sistema este iacutecono permite escoger entre 12V 24V 36V y 48V de acuerdo a la
explicacioacuten dada en la seccioacuten 231 (Dimensionamiento del banco de bateriacuteas)
esta tensioacuten determina la configuracioacuten del banco de bateriacuteas Debido a que es
muy comuacuten que el nuacutemero de bateriacuteas necesarias no sea divisible exactamente
por el nuacutemero de bateriacuteas en serie (dadas por el cociente entre la tensioacuten del
sistema y la tensioacuten de la bateriacutea) es necesario reajustar el nuacutemero de bateriacuteas
lo que conlleva a reajustar nuevamente el liacutemite de descarga maacuteximo debido a
que con el nuacutemero de bateriacuteas reajustado que siempre seraacute mayor al calculado el
banco de bateriacuteas se descargaraacute menos que lo especificado por el usuario Esta
informacioacuten se encuentra en los espacios correspondientes a bateriacuteas en serie
nuacutemero de bateriacuteas seguacuten configuracioacuten y liacutemite de descarga ajustado al arreglo
de bateriacuteas
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la potencia fotovoltaica calculada
o necesaria seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo
seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 49 representa la interfaz que pretende que el usuario escoja el tipo de
regulador de carga que desea para la aplicacioacuten de acuerdo a la teoriacutea explicada
en las secciones 2131 y 2132 (REGULADORES PWM y REGULADORES
MPPT respectivamente)
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga
107
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del disentildeo del banco de bateriacuteas
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoREGULADOR PWMrdquo o ldquoREGULADOR CON SEGUIMIENTO MPPTrdquo
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWM
La figura 410 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
adquiera la informacioacuten necesaria para encontrar un regulador PWM adecuado
para la aplicacioacuten Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se adquiere la informacioacuten acerca
de Corriente maacutexima de la carga y la informacioacuten pertinente a la configuracioacuten del
arreglo fotovoltaico
Figura 410 Regulador PWM
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Corriente maacutexima de la carga es la corriente a la salida del regulador cuando
todas las cargas esteacuten interconectadas los fabricantes de reguladores PWM
deben especificar dicho paraacutemetro y por tanto se debe tener en cuenta por el
usuario
Dicha corriente se calcula de la siguiente forma
119894119898aacute119909119897119900119886119889 =119875119879119860119862
119907119900 120786 120783
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda
119907119900 tensioacuten del sistema 119894119898119886119909119897119900119886119889 corriente maacutexima de la carga
108
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
Una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a conocer la
informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 del arreglo fotovoltaico corriente de
cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad y corriente mppt en
condiciones STC del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten deberaacute de ser
corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador A
continuacioacuten se explica cada teacutermino
Tensioacuten de operacioacuten del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del nuacutemero de
paneles en serie que el usurario haya escogido en el recuadro de ldquointerconexioacuten
de moacutedulosrdquo y la tensioacuten mpp (119881119898119901) de cada moacutedulo fotovoltaico Cabe resaltar
que esta tensioacuten es calculada bajo las STC (25degc y 1000119882 1198982frasl ) por tanto este
dato no es totalmente real debido a que en algunas aplicaciones discrepan de
dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de la tensioacuten que el arreglo
fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea Se calcula seguacuten la siguiente
expresioacuten
119881119898119901_119886119903119903119886119910 = 119873119901119904119890119903119894119890 119881119898119901 120786 120784
En donde
119881119898119901_119886119903119903119886119910 tensioacuten de operacioacuten o de punto de maacutexima potencia del arreglo
fotovoltaico seguacuten las STC
119873119901119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie escogidos seguacuten configuracioacuten
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia del panel especificado por el fabricante
Corriente de cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad este dato es
funcioacuten del nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la
opcioacuten escogida por el usuario y de la corriente de cortocircuito (119894119888119888) algunos
autores recomiendan aumentar el dato real en un 25 con el fin de que el
regulador de carga pueda soportar esta condicioacuten sin sufrir dantildeos Asiacute entonces el
109
usuario deberaacute escoger un regulador de carga que tenga una capacidad de
corriente mayor o igual a la calculada [10]
Corriente en condiciones STC del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del
nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la opcioacuten
escogida por el usuario y de la corriente de mpp especificada por el fabricante del
moacutedulo Cabe resaltar que esta corriente es calculada bajo las STC (25degC y
1000119882 1198982frasl ) por tanto este dato no es totalmente real debido a que en algunas
aplicaciones discrepan de dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de
la corriente que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a capacidad de corriente de
regulador PWM tensioacuten nominal del regulador y tensioacuten maacutexima admisible por el
regulador PWM Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el regulador es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten tipo de regulador de
carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWM
La figura 411 representa la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
110
Figura 411 verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWM
En la interfaz representada en la figura 46 (Paraacutemetros que definen la estabilidad
del sistema fotovoltaico) se encuentran los espacios para que el usuario
especifique la temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima
que se encuentra en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar esto con el
fin de que el aplicativo calcule los valores de tensioacuten que resulten importantes para
el dimensionamiento tales como tensioacuten maacutexima 119881119898119901 119898aacute119909 del arreglo fotovoltaico
(calculada con la miacutenima temperatura promedio) tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico (calculada con la maacutexima temperatura promedio) y tensioacuten
maacutexima del arreglo fotovoltaico (calculada en condiciones de circuito abierto y
miacutenima temperatura promedio) Todos estos valores se muestran al usuario una
vez escogido el iacutecono ldquoCALCULARrdquo en la interfaz representada en la figura 411
(los caacutelculos obedecen a las ecuaciones 21 22 y 23)
En el recuadro llamado ldquoVerificacioacuten del regulador PWMrdquo se hacen dos
comparaciones una de ellas es acerca del valor de tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico y la tensioacuten 119881119898119894119899119887119886119905 en donde el banco de bateriacuteas estaacute
descargado El software PVSol expert recomienda que la tensioacuten de la bateriacutea no
sea menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo fotovoltaico (119881119898119901)
esto con el fin de evitar que la tensioacuten del arreglo fotovoltaico se aleje mucho de la
tensioacuten de la bateriacutea cabe resaltar que entre mayor sea esta diferencia de
tensiones menor potencia seraacute aprovechada por el sistema fotovoltaico [37 38]
La tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas es funcioacuten del liacutemite de descarga
descrito en la interfaz representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de
111
bateriacuteas) De esta forma es necesario poder calcular la tensioacuten de acuerdo al
liacutemite de descarga Partiendo de la informacioacuten suministrada en la tabla 6 (Estado
de carga de una bateriacutea) se hace una regresioacuten lineal con el fin de poder
encontrar la expresioacuten que involucre la relacioacuten tensioacuten de la bateriacutea vs estado de
descarga de esta forma se tiene lo siguiente
Figura 412 tensioacuten de la bateriacutea VS estado de carga
De la anterior regresioacuten se tiene entonces
119881119898iacute119899119887119886119905 = 0012 119878119900119888 + 116 120786 120785
En donde
119878119900119888 estado de carga de la bateriacutea (State of charge)
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima de la bateriacutea al liacutemite de descarga especificado
El estado de carga de la bateriacutea se puede representar como liacutemite de descarga de
la siguiente manera
119878119900119888 = 100 minus lim 120786 120786
En donde el valor del liacutemite de descarga seraacute el calculado en la interfaz
representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de bateriacuteas) con el nombre de
ldquoliacutemite de descarga adjuntado al arreglordquo
Es usual que la mayoriacutea de bateriacuteas de uso solar trabajen a 12V sin embargo
existen bateriacuteas que tiene valores distintos los maacutes usuales son 2V y 6V a pesar
de esto la construccioacuten de la bateriacutea es la misma por tanto se puede adaptar la
Y = 0012X + 116
114
116
118
12
122
124
126
128
13
0 20 40 60 80 100 120
Tensioacuten de la bateria VS Estado de carga
112
anterior relacioacuten dividiendo entre 2 para el caso de bateriacuteas de 6V y entre 6 para el
caso de bateriacuteas de 2V
Para encontrar entonces la tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas se debe primero
encontrar el nuacutemero de bateriacuteas en serie De la siguiente forma
119873119887119886119905_119904119890119903119894119890 =119881119900
119881119887119886119905 120786 120787
El nuacutemero de bateriacuteas en serie tomaraacute valores enteros siempre y cuando la
bateriacutea tenga tensiones de 12V 6V o 2V En este trabajo se limita el uso de
bateriacuteas con estos tres tipos de tensiones
Una vez encontrado el nuacutemero de bateriacuteas en serie y la tensioacuten miacutenima de la
bateriacutea escogida para la aplicacioacuten se puede encontrar la tensioacuten miacutenima del
banco de bateriacuteas de la siguiente forma
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898119894119899119887119886119905 120786 120788
En donde
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima en funcioacuten del estado de carga de la bateriacutea
Asiacute entonces una vez encontrado el valor de la tensioacuten miacutenima del banco de
bateriacuteas y la tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico el aplicativo verifica los
valores de tensioacuten de la siguiente forma
60 le119881119898iacute119899119887119886119899119888119900 100
119881119898119901 119898iacute119899 120786 120789
En done
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 tensioacuten cuando el banco de bateriacuteas esta descargado
119881119898119901 119898119894119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre menos moacutedulos en serie escoger otro panel con menor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de aumentar el nuacutemero de
bateriacuteas en serie
113
La segunda comparacioacuten que se hace en el recuadro ldquoverificacioacuten de las tensiones
MPPrdquo es acerca de la tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la
maacutexima tensioacuten del banco de bateriacuteas
La tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas seraacute funcioacuten de la tensioacuten maacutexima de
carga de la bateriacutea y el nuacutemero de bateriacuteas en serie
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar al banco de bateriacuteas la tensioacuten necesaria
para cargarlo este dato seraacute funcioacuten de la tensioacuten de carga ciacuteclica (Cyclic
charging voltaje) especificado por el fabricante de la bateriacutea El usuario debe
especificar este dato en la interfaz representada con la figura 48 (Disentildeo del
banco de bateriacuteas)
Una vez especificado la tensioacuten de carga ciacuteclica el aplicativo podraacute calcular la
tensioacuten maacutexima vista desde el arreglo fotovoltaico para cargar el banco de
bateriacuteas a continuacioacuten se muestra coacutemo
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898aacute119909119887119886119905 120786 120790
119873119887119886119905119904119890119903119894119890 nuacutemero de bateriacuteas en serie
119881119898119886119909119887119886119905 tensioacuten maacutexima de la bateriacutea
119881119898119886119909119887119886119899119888119900 tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar la tensioacuten necesaria para que el banco
de bateriacuteas se cargue de manera satisfactoria por tanto en la etapa de disentildeo del
sistema fotovoltaico se debe garantizar que la tensioacuten maacutexima requerida por el
banco de bateriacuteas no sea mayor a la tensioacuten que puede suministrar el arreglo
fotovoltaico de esta forma el aplicativo deberaacute verificar esta situacioacuten
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 lt 119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 120786 120791
En donde
119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo temperatura
promedio miacutenima
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre maacutes moacutedulos en serie escoger otro panel con mayor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de que disminuya el nuacutemero de
bateriacuteas en serie y por tanto la tensioacuten maacutexima de carga del banco
114
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del regulador
El aplicativo propuesto para este trabajo evaluacutea la capacidad de corriente que el
regulador de carga puede transmitir con la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico junto con un factor de seguridad el 25
La corriente de cortocircuito del regulador se calcula seguacuten el nuacutemero de cadenas
en paralelo y la corriente de cortocircuito de cada panel solar De la siguiente
forma
119868119888119888_119886119903119903119886119910 = 119873119904119905119903119894119899119892 119894119888119888 125 120786 120783120782
En donde
119868119888119888_119886119903119903119886119910 corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico
119873119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de cadenas en paralelo seguacuten configuracioacuten escogida
119894119888119888 corriente de cortocircuito del moacutedulo escogido
En la etapa de disentildeo del sistema fotovoltaico este valor de corriente deberaacute ser
menor a la capacidad de corriente maacutexima del regulador de carga con el fin de
que no sufra dantildeos graves bajo esta circunstancia Aunque los valores
especificados por el fabricante del panel solar estaacuten dados bajo las STC es muy
comuacuten que las aplicaciones solares discrepen de dichas condiciones en ciertas
horas del diacutea se puede obtener valores mayores a los 1000119882 1198982frasl lo que
aumentaraacute la produccioacuten de corriente eleacutectrica es por esta razoacuten que se supone
un 25 de factor de seguridad con el fin de darle al regulador un mejor
dimensionamiento en condiciones de mucha radiacioacuten solar
Seguacuten lo anterior el aplicativo deberaacute hacer la siguiente verificacioacuten
119868119888119888_119886119903119903119886119910 lt 119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120783
En donde
119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 corriente maacutexima del regulador PWM especificada por el fabricante
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de cadenas del arreglo yo cambiando el regulador PWM por otro con
mayor capacidad de corriente
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador
115
En la seccioacuten 4221 se hacen las verificaciones pertinentes a las tensiones de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico para este caso se hace algo muy similar solo
que ya no se tienen en cuenta la tensioacuten de operacioacuten del panel solar si no la
tensioacuten de circuito abierto y junto con la temperatura promedio miacutenima producen la
mayor tensioacuten que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar Asiacute entonces se busca
que el regulador de carga sea capaz de soportar dicha condicioacuten y por tanto en la
etapa de disentildeo se necesita que el aplicativo calcule este dato
Asiacute entonces al aplicar la ecuacioacuten 21 se obtiene el valor de la tensioacuten maacutexima
del arreglo fotovoltaico y en la interfaz descrita en la anterior figura el aplicativo
verificaraacute que dicha tensioacuten no sea mayor a la maacutexima que el regulador de carga
PWM pueda soportar De esta forma se tiene
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 lt 119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120784
119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 tensioacuten maacutexima del regulador de carga especificada por el
fabricante
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de paneles en serie del arreglo escogiendo otro panel que tenga menor
tensioacuten de circuito abierto yo cambiando el regulador PWM por otro con mayor
capacidad de tensioacuten
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor
El aplicativo propuesto para este trabajo verifica que los valores de tensioacuten DC y
potencia maacutexima del grupo de cargas del sistema fotovoltaico sean adecuados
con los valores del inversor escogido el usuario tendraacute entonces una valoracioacuten
acerca de si el dispositivo se puede usar para la aplicacioacuten a desarrollar o si por el
contrario es necesario cambiarlo
En la interfaz representada en la figura 45 (Modelamiento del inversor autoacutenomo)
se entrega al usuario la informacioacuten acerca de la potencia maacutexima que el conjunto
de cargas alcanzariacutea si todo estuviese interconectado a la vez Este trabajo
propone que el inversor sea capaz de soportar dicha situacioacuten con el fin de que
116
las personas beneficiadas de la instalacioacuten solar no tengan limitantes respecto al
nuacutemero de aparatos eleacutectricos que quieran interconectar para lograr esto el
aplicativo verificaraacute que la potencia del inversor escogido por el usuario pueda
operar bajo dicho evento De esta forma se tiene
119875119879119860119862 lt 119875119894119899119907119890119903119904119900119903 120786 120783120785
119875119879119860119862 potencia maacutexima de la demanda
119875119894119899119907119890119903119904119900119903 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga el
cambio pertinente del inversor debido a que este no podraacute trabajar bajo esas
circunstancias
La otra verificacioacuten que el aplicativo hace es acerca de la tensioacuten nominal de
entrada al inversor que es de caraacutecter continuo Este valor deberaacute ser igual a la
tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten a la que operaraacute el banco de
bateriacuteas De esta forma se tiene que
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 = 1198810 120786 120783120786
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 tensioacuten nominal a la entrada del inversor
1198810 tensioacuten del sistema
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y cambie
el inversor por uno que se acople a la tensioacuten escogida del sistema a desarrollar
Con esta comparacioacuten termina el modelamiento de un sistema fotovoltaico aislado
con regulador PWM usando el aplicativo propuesto
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPT
La figura 413 representa la interfaz para modelar un sistema fotovoltaico con
regulador MPPT para acceder a esta el usuario deberaacute escoger el iacutecono
ldquoREGULADOR MPPTrdquo en la interfaz representada con la figura 49 (Seleccioacuten tipo
de regulador de carga)
117
Figura 413 Regulador MPPT
En esta interfaz se entrega al usuario informacioacuten necesaria para encontrar un
regulador tipo MPPT que se ajuste al arreglo fotovoltaico dicha informacioacuten
aparece cuando el usuario escoge el iacutecono ldquoCALCULARrdquo y se describe a
continuacioacuten
Corriente maacutexima de la carga al igual que con el regulador PWM el regulador
MPPT tiene un valor maacuteximo de corriente a la salida para el cual fue disentildeado por
tanto se busca que el regulador sea capaz de soportar la corriente maacutexima de la
carga calculada con la expresioacuten 41
Potencia fotovoltaica instalada este dato da al usuario un indicio del regulador
MPPT que debe escoger debido a que es la potencia que debe transmitir a las
cargas Se calcula de la siguiente forma
119875119891119907_119894119899119904119905 = 119873119901119886119899119890119897119890119904 119875119898119901119901 120786 120783120787
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles calculados
119875119898119901119901 potencia del panel en condiciones STC
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
118
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
De manera similar a la interfaz que representa al modelamiento del regulador
PWM una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a
conocer la informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 (punto de maacutexima potencia) del
arreglo fotovoltaico y corriente de cortocircuito del arreglo esta informacioacuten deberaacute
de ser corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Potencia nominal DC del regulador este dato es especificado por el fabricante del
regulador y significa la cantidad de potencia que el regulador MPPT puede
transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y al banco de bateriacuteas En
algunas eacutepocas del antildeo los arreglos fotovoltaicos pueden producir maacutes potencia
de la especificada por el fabricante del regulador este podraacute soportar dicha
situacioacuten pero solo aprovecharaacute la potencia especificada por el fabricante el resto
la desecharaacute
Tensioacuten maacutexima admisible por el regulador como todo dispositivo electroacutenico los
reguladores de carga tipo MPPT poseen un liacutemite de tensioacuten maacutexima este dato es
especificado por el fabricante y depende netamente de su construccioacuten y
componentes operar por encima de dicho liacutemite podraacute dantildear el regulador o reducir
su esperanza de vida Aunque algunos fabricantes de reguladores poseen una
proteccioacuten contra sobretensiones se recomienda instalar protecciones por aparte
tales como DPS (Dispositivo de Proteccioacuten contra Sobretensiones) en la entrada
de regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con el fin de brindarle un mayor
respaldo al regulador
Maacutexima corriente a la entrada del regulador MPPT al igual que en el caso de la
tensioacuten los reguladores de carga MPPT poseen un liacutemite de corriente que
depende netamente de la construccioacuten del dispositivo estos valores son
especificados en las hojas teacutecnicas del regulador facilitadas por el fabricante con
el fin de que el usuario sepa cuanta corriente el arreglo fotovoltaico puede debe
producir para no dantildear el dispositivo Aunque algunos fabricantes de reguladores
poseen una proteccioacuten contra sobre-corrientes se recomienda instalar
protecciones en la entrada del regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con
119
el fin de abrir el circuito del sistema cuando se desea hacer un mantenimiento o
reparar el regulador y brindarle un mayor respaldo contra fallas al regulador
Liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor miacutenimo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por debajo de este liacutemite causaraacute que el regulador se apague por tanto se intenta
que la tensioacuten de operacioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico calculada con la
maacutexima temperatura promedio sea mayor a este valor asiacute se garantiza que el
arreglo fotovoltaico opere en el punto de maacutexima potencia en todo momento
Liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por encima de este liacutemite implica que el regulador no rastrearaacute el punto de maacutexima
potencia y si alcanza valores muy elevados pondraacute en riesgo el funcionamiento del
regulador por tanto se intenta que la tensioacuten de operacioacuten maacutexima del arreglo
fotovoltaico que es calculada con la temperatura promedio miacutenima sea menor a
este valor asiacute se garantiza que el arreglo fotovoltaico opere en el punto de
maacutexima potencia y no se ponga en riesgo el funcionamiento del dispositivo
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a tensioacuten maacutexima admisible por
el regulador potencia nominal DC del regulador maacutexima corriente a la entrada del
regulador MPPT liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante y liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el inversor es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten de tipo de regulador
de carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoVERIFICACIOacuteN DEL SISTEMArdquo
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPT
La figura 414 representa a la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
120
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPT
De manera similar a la seccioacuten 4221 (Verificacioacuten de las tensiones MPP usando
regulador PWM) el aplicativo calcula las tensiones maacuteximas y miacutenimas en funcioacuten
de la temperatura promedio miacutenima y maacutexima respectivamente la gran diferencia
radica en que la verificacioacuten no se hace respecto a las tensiones de carga y
descarga del banco de bateriacuteas si no respecto a la ventana de tensioacuten de
seguimiento de punto de maacutexima potencia del regulador MPPT que es
especificado por el fabricante De esta manera en la etapa de verificacioacuten del
sistema el aplicativo deberaacute hacer las siguientes comparaciones
119881119898119901 119898iacute119899 gt 119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 120786 120783120788
119881119898119901 119898aacute119909 le 119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 120786 120783120789
En donde
119881119898119901 119898iacute119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo miacutenima temperatura
promedio
119881119898119901 119898aacute119909 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 liacutemite de tensioacuten miacutenima de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
121
119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 liacutemite de tensioacuten maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
Si alguna de las anteriores expresiones no se cumplen en el recuadro de
recomendaciones se hace un comentario con el fin de que el usuario se entere de
dicha situacioacuten y haga los cambios pertinentes tales como escoger otra
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que ajuste los niveles de tensioacuten del inversor
escoger otro panel con mejor caracteriacutesticas de tensioacuten o escoger otro inversor
cuya ventana de tensioacuten se ajuste a las caracteriacutesticas del arreglo fotovoltaico
42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador
MPPT
Seguacuten las caracteriacutesticas constructivas del regulador y sus componentes el
regulador podraacute transmitir cierta cantidad de potencia desde el arreglo fotovoltaico
hacia las cargas por tanto en la etapa de disentildeo se intenta que el regulador tipo
MPPT tenga un liacutemite de potencia tal que sea mayor a la potencia del arreglo
fotovoltaico De esta forma el aplicativo deberaacute verificar lo siguiente
119875119891119907_119894119899119904119905 le 119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 120786 120783120790
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada (ver expresioacuten 415)
119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 potencia DC a la entrada del regulador de carga tipo MPPT
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten Se
recomendaraacute cambiar de regulador por otro con mayor capacidad de potencia con
el fin de aprovechar la potencia generada por el arreglo suponiendo las STC cabe
aclarar que hay eacutepocas del antildeo en donde se puede encontrar una irradiancia
mayor a los 1000119882 1198982frasl por tanto el arreglo fotovoltaico podraacute generar mayor
potencia eleacutectrica que la estipulada por la potencia fotovoltaica calculada bajo las
STC (ver expresioacuten 415) esta situacioacuten no pone en riesgo el regulador de carga
debido a que el regulador solo entregaraacute la potencia nominal y el resto no la
aprovecharaacute generando sistemas fotovoltaicos maacutes ineficientes
Las demaacutes verificaciones de caracteriacutesticas eleacutectricas del regulador MPPT y del
inversor tales como corriente maacutexima del regulador tensioacuten maacutexima del regulador
tensioacuten nominal del inversor y potencia AC del inversor seraacuten iguales a las
realizadas en el caso de las secciones 4222 4223 y 4224 (verificacioacuten de la
122
corriente nominal del regulador verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador y
verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor respectivamente)
De esta manera finaliza la descripcioacuten del aplicativo respecto a sistemas
fotovoltaicos aislados o autoacutenomos con esta propuesta se intenta que la empresa
Colombian Solar Systems SAS pueda disentildear sistemas fotovoltaicos de manera
sencilla y raacutepida teniendo en cuenta la teoriacutea respecto a dichos sistemas existente
en el capiacutetulo dos
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de
bateriacuteas con aplicativo propuesto
En la interfaz representada en la figura 42 (seleccioacuten de tipo de sistema
fotovoltaico) al seleccionar ldquoSISTEMA INTERCONECTADO A REDrdquo el aplicativo
hace llamado a la interfaz descrita en la figura 415
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
La figura 415 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique la radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (paraacutemetro en
kWhm2 explicado en la seccioacuten 222 Recurso solar) el consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (paraacutemetro en kWhmes explicado en la seccioacuten 322 Estudio del consumo anual) y el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar (explicado en la seccioacuten 323) El usuario podraacute entregar estos datos llenando la tabla correspondiente sin embargo suele ser arduo digitar todos estos datos por lo que el aplicativo podraacute importar los datos desde una tabla de Excel para esto el usuario debe seleccionar el ldquoradio buttonrdquo llamado ldquoExportar datos de Excelrdquo una vez seleccionado
123
apareceraacute un botoacuten llamado ldquoAbrir formato para importacioacutenrdquo el cual hace un llamado a un archivo Excel con las siguientes caracteriacutesticas mostradas en la figura 416
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel
Las herramientas encargadas de calcular el recurso solar en una superficie inclinada en una zona especiacutefica comuacutenmente tienen la opcioacuten de exportar los datos a una tabla de Excel lo que facilitaraacute que el usuario pueda pegar dichos datos al formato de importacioacuten llamado desde el aplicativo Una vez listos los datos en el formato se debe seleccionar la regioacuten que se desea exportar a Matlab y regresar a la interfaz descrita en la figura 415 en donde aparece un mensaje descrito en la imagen a continuacioacuten
124
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab
Al seleccionar ldquoOKrdquo aparecen los datos correspondientes en la tabla de la interfaz
representada en la figura 415 (paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema
interconectado a red)
Ya con los datos de consumo y recurso solar el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten correspondiente al porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar este dato determinaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico y del
inversor y por tanto dependeraacute del presupuesto que se disponga para la
instalacioacuten solar tambieacuten se recomienda que no sea un valor muy grande debido
a que es muy probable que se ldquoempujerdquo energiacutea a la red cabe recordar que en un
entorno como el de Colombia no generaraacute ninguna ventaja econoacutemica bajo esta
situacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca seleccioacuten tipo de sistema fotovoltaico
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 418 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario se
pueda enterar de lo que seraacute el arreglo fotovoltaico para cumplir con el porcentaje
de consumo que se desea suplir con energiacutea solar seguacuten su consumo a lo largo
de un antildeo proporcionado por la empresa prestadora del servicio y del recurso
solar en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar para esto el usuario
deberaacute escoger en la interfaz graacutefica el botoacuten ldquoCALCULARrdquo Cabe resaltar que el
resultado entregado en este paso es la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
que no siempre seraacute divisible exactamente por la potencia en STC de un panel
fotovoltaico por tanto es necesario que el usuario entregue a continuacioacuten las
125
caracteriacutesticas del panel solar que se desea usar se debe intentar escoger un
moacutedulo tal que al utilizar varios moacutedulos de estos la suma de potencia se aproxime
tanto como sea posible a la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
anteriormente calculada de esto dependeraacute que el arreglo fotovoltaico produzca el
porcentaje de consumo que se requiere suplir con energiacutea solar y no un porcentaje
mucho mayor (debido a que el aplicativo estaacute programado para aproximar el
nuacutemero de paneles al entero mayor maacutes cercano)
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada
Una vez entregada la informacioacuten del panel que se desea utilizar el usuario podraacute
conocer el nuacutemero de paneles que se necesitan para la aplicacioacuten para esto el
usuario debe escoger en el recuadro llamado ldquoPotencia fotovoltaica instaladardquo el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo a continuacioacuten aparece el nuacutemero de moacutedulos necesarios la
potencia fotovoltaica instalada y la posible interconexioacuten de los paneles seguacuten el
nuacutemero de paneles calculado
El aplicativo calcularaacute los valores de tensioacuten miacutenimos y maacuteximos en operacioacuten del
arreglo fotovoltaico seguacuten la configuracioacuten escogida por el usuario Seguacuten las
expresiones 21 22 y 23 (tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de
temperatura baja promedio tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico
bajo la influencia de una temperatura alta promedio y tensioacuten maacutexima de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de una temperatura baja
promedio respectivamente) el usuario deberaacute consultar los valores de temperatura
promedio miacutenima y maacutexima en la zona en donde se desea hacer la instalacioacuten del
arreglo fotovoltaico esto con el fin de que el aplicativo pueda verificar que los
126
niveles de tensioacuten del arreglo fotovoltaico sean adecuados para el inversor
interactivo con la red escogido por el usuario Por tanto el usuario deberaacute entregar
los datos de temperatura en los espacios pertinentes en la parte inferior de la
interfaz
Una vez entregados los datos de temperatura el usuario podraacute escoger la
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico (nuacutemero de paneles en serie y nuacutemero de
cadenas en paralelo) desplegando el ldquopop-up menuacuterdquo en el recuadro de
ldquointerconexioacutenrdquo Una vez seleccionada la opcioacuten aparece el dato de tensioacuten mpp
del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten daraacute un indicio del valor de tensioacuten que el
arreglo fotovoltaico podraacute alcanzar en STC y seguacuten el nuacutemero de paneles en serie
especificado en la opcioacuten escogida por el usuario
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de los paraacutemetros de consumo y
recurso solar del sistema interconectado a red seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute
continuar con el disentildeo seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 419 representa la interfaz que pretende que el usuario reciba la
informacioacuten necesaria para que pueda escoger un inversor interactivo con la red
que se adapte al arreglo fotovoltaico para esto el usuario debe seleccionar el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo en el recuadro ldquomodelamiento del inversor interactivo con la
redrdquo A continuacioacuten apareceraacute la informacioacuten pertinente a corriente de
cortocircuito del arreglo tensioacuten MPP del arreglo fotovoltaico y potencia
fotovoltaica calculada Dichos conceptos son iguales a los del sistema autoacutenomo
por tanto se calculan seguacuten las expresiones 410 42 y 415 respectivamente
127
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica
El usuario en primera instancia deberaacute buscar un inversor interactivo con la red
que pueda operar la potencia del arreglo fotovoltaico y se adapte a los valores
nominales de la red (tensioacuten frecuencia y fase en el caso de un inversor trifaacutesico)
una vez encontrado un inversor candidato el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten pertinente a dicho inversor en los espacios ubicados en la parte
inferior de la interfaz Debido a que el inversor interactivo con la red tiene
caracteriacutesticas similares al regulador con seguimiento MPP los conceptos
pertinentes a potencia nominal del inversor tensioacuten maacutexima admisible por el
inversor corriente maacutexima a la entrada del inversor eficiencia del inversor y liacutemite
miacutenimo y maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificada por el fabricante seraacuten
los mismos a los utilizados en la seccioacuten 4213 (modelamiento del sistema
usando regulador mppt)
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del caacutelculo de potencia fotovoltaica
instalada seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 420 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
identifique posibles errores del inversor candidato (escogido en la interfaz
representada en la figura 419 inversor interactivo con la red eleacutectrica) el
aplicativo se encarga de hacer sugerencias en el disentildeo del sistema de acuerdo al
error encontrado en el caacutelculo Debido a que este tipo de inversores tiene
caracteriacutesticas similares al de un regulador con seguimiento mpp de un sistema
autoacutenomo las verificaciones realizadas en la seccioacuten 4214 (verificacioacuten sistema
aislado con regulador mppt) seraacuten las mismas que para este caso
128
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red
Adicional a la verificacioacuten de sistema fotovoltaico interactivo con la red el
aplicativo calcula un informe en donde resume el comportamiento del sistema mes
a mes El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del inversor interactivo con la
red eleacutectrica seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con la interfaz acerca del
informe del sistema interconectado a red seleccionando ldquoINFORMErdquo
La figura 421 representa la interfaz que muestra el comportamiento de un sistema
fotovoltaico interconectado a red a lo largo del antildeo El diagrama de barras
muestra la demanda de energiacutea y la energiacutea que el sistema fotovoltaico produce
mes a mes de acuerdo a la potencia fotovoltaica instalada que en este caso es de
15kW la variacioacuten de la produccioacuten energeacutetica por parte del sistema fotovoltaico
dependeraacute de la variacioacuten del recurso solar mes a mes en la zona donde se
requiere de la instalacioacuten en este caso se usoacute la informacioacuten proporcionada por el
software PVSol para un plano inclinado a 10deg acimut 0deg y los datos de medicioacuten
hechas en la estacioacuten del Aeropuerto Matecantildea La primera fila de la tabla
muestra el paraacutemetro 119919119956119953119946119940119952 (Vector horas solar pico a lo largo del antildeo en hd)
que resume el comportamiento del recurso solar en el antildeo de estudio dicha tabla
tambieacuten contiene informacioacuten acerca de la demanda de energiacutea eleacutectrica
especificada como en la seccioacuten 322 la generacioacuten de energiacutea por parte del
arreglo bajo el recurso solar especificada como 120643119943 119946 en la seccioacuten 331 y
porcentaje de energiacutea que el sistema fotovoltaico produce con respecto a la
demanda especificado en la seccioacuten 323 Esto con el fin de que el usuario pueda
observar en una misma interfaz la influencia del recurso solar con la generacioacuten de
129
energiacutea del sistema fotovoltaico y el comportamiento de lo que seraacute el arreglo
fotovoltaico
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red
Esta interfaz termina con el resumen anual de la produccioacuten energeacutetica del sistema el consumo de energiacutea anual y el porcentaje que el sistema fotovoltaico produciraacute al final del antildeo en funcioacuten del tamantildeo del arreglo fotovoltaico del recurso solar y de la eficiencia del inversor interactivo con la red De esta forma se pretende aplicar la teoriacutea acerca de sistemas fotovoltaicos vista
en los anteriores 3 capiacutetulos en un aplicativo para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos propuesta presentada para la empresa Colombian Solar Systems
SAS a manera de praacutectica conducente a trabajo de grado A continuacioacuten se
presenta la comparacioacuten respecto a dos metodologiacuteas de disentildeo la primera
mediante el aplicativo propuesto en este capiacutetulo y la segunda con la simulacioacuten
desarrollada por el software PVSol expert
130
Capiacutetulo 5
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En este capiacutetulo se pretende exponer y comparar los resultados obtenidos por la
metodologiacutea planteada para el aplicativo propuesto para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos y la metodologiacutea de simulacioacuten mediante software comercial
PVSOLreg
Para corroborar la viabilidad de los disentildeos del aplicativo se propuso comparar sus
resultados con los obtenidos por otra metodologiacutea para este caso se utilizoacute la
simulacioacuten en un software especializado PVSOLreg Se propuso desarrollar 4
sistemas fotovoltaicos aislados y 3 sistemas fotovoltaicos interconectados a red
todos desarrollados en territorio colombiano y adquiridos bajo la experiencia de la
empresa Colombian Solar Systems SAS Con esta comparacioacuten se pretende
verificar si los disentildeos obtenidos por el aplicativo son resultados similares o si por
el contrario son muy alejados a los obtenidos por el software cabe resaltar que al
encontrar resultados similares no se garantiza un disentildeo enteramente confiable
sin embargo se puede dar un excelente indicio de un sistema fotovoltaico que esteacute
cercano a suministrar el 100 de la demanda si por el contrario se encuentran
resultados con un amplio margen de error se motiva el estudio para buscar una
metodologiacutea que tenga en cuenta nuevas teoriacuteas y nuevos estudios Sin embargo
para abordar claramente dicha comparacioacuten es necesario hacer una descripcioacuten
acerca de la metodologiacutea sobre disentildeo de sistemas fotovoltaicos con el software
PVSOLreg
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreg
El software PVSOLreg ofrece a los ingenieros y arquitectos una metodologiacutea faacutecil de
usar disentildeada para la praacutectica real tanto para el dimensionamiento como para el
disentildeo la simulacioacuten dinaacutemica y la evaluacioacuten de rendimientos para instalaciones
de energiacutea solar fotovoltaica Estaacute disentildeado tanto para sistemas conectados a red
con inyeccioacuten total asiacute como para sistemas con inyeccioacuten del excedente a la red
El software PVSOLreg puede simular el almacenamiento de energiacutea en sistemas
con bateriacuteas e importar perfiles de carga medidos en pasos de 15 minutos y 1
minuto Ademaacutes puede calcular las peacuterdidas en las cadenas y las peacuterdidas por el
cableado ACDC por inversor Tambieacuten incluye la herramienta de visualizacioacuten en
3D y un caacutelculo detallado de las sombras en instalaciones conectadas a la red con
131
los moacutedulos tanto paralelos como integrados en la cubierta asiacute como sistemas
montados en tejado y en aacutereas libres
Estas son algunas caracteriacutesticas destacadas del software
Acceso a los datos climaacuteticos de maacutes de 8000 lugares en el mundo
Archivo completo con maacutes de 13000 moacutedulos y 3100 inversores
Caacutelculo graacutefico del nuacutemero de moacutedulos en el tejado con configuracioacuten de
varios tipos de tejado
Detallado caacutelculo de sombras con simulacioacuten 3D
Estas caracteriacutesticas sumadas con una experiencia de 20 antildeos en la simulacioacuten
de sistemas fotovoltaicos hace de esta una herramienta importante y por esta
razoacuten se propone usarla como referencia para comparar los resultados del disentildeo
generados por el aplicativo propuesto en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se dan las descripciones generales de los sistemas autoacutenomos
base con los que se haraacute la comparacioacuten
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASE
Los sistemas fotovoltaicos piloto utilizados en este trabajo han sido aportados por
una base de datos propia de la empresa Colombian Solar Systems SAS esta
contiene peticiones de usuarios para soluciones energeacuteticas con sistemas
fotovoltaicos en distintos lugares del paiacutes
A continuacioacuten se presenta las caracteriacutesticas de demanda recurso solar y
estabilidad para cada piloto
521 Piloto sistema aislado 1
La primera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
132
Nuacutemero
de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de
la carga
6 12 4 Bombillos led
2 120 4 Televisor
2 180 6 Portaacutetil
1 200 1 Impresora
1 15 24 Modem
1 180 10 Nevera
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1
Los datos expuestos en la tabla 51 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
171971422 13148
1067 952 8949 9823 11232118021346712939
15553
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
133
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
Horas
solar pico
Enero 171972 555
Febrero 142198 508
Marzo 131477 424
Abril 106698 356
Mayo 95201 307
Junio 89485 298
Julio 98228 317
Agosto 112321 362
Septiembre 118016 393
Octubre 134671 434
Noviembre 129391 431
Diciembre 155527 502
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 298 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
134
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 298
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1
522 PILOTO SISTEMA AISLADO 2
La propuesta dos tiene como objetivo resaltar la importancia del recurso solar en
el lugar donde se desea hacer la instalacioacuten al igual que analizar la importancia de
ajustar a valores adecuados la inclinacioacuten del arreglo de esta forma se planteoacute las
mismas condiciones de la propuesta 1 (tabla 51 Datos de consumo de la
propuesta 1) pero con el recurso solar obtenido en la estacioacuten climatoloacutegica del
aeropuerto en la Isla de San Andreacutes y ajustando la inclinacioacuten a un valor cercano a
la latitud El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se expondraacute a
continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la simulacioacuten
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San
Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la Irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
1684718425 204617784
13987136571332714115160591538113019
15325
050
100150200250
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 15degy acimut 0deg
135
MES IRRADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16847 543
Febrero 18425 658
Marzo 2046 66
Abril 17784 593
Mayo 13987 451
Junio 13657 455
Julio 13327 43
Agosto 14115 455
Septiembre 16059 535
Octubre 15381 496
Noviembre 13019 434
Diciembre 15325 494
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 43 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
136
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 43
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2
523 PILOTO SISTEMA AISLADO 3
La tercera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 60 2 Purificador de
agua
1 30 4 Equipo de
sonido
1 80 5 Televisor
1 10 3 Circuito de carga
para celular
6 9 5 Bombillos led
1 80 12 Nevera
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3
Los datos expuestos en la tabla 56 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
con una inclinacioacuten de 10deg
137
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16417 53
Febrero 14159 506
Marzo 13941 45
Abril 11912 397
Mayo 11229 362
Junio 10858 362
Julio 11813 381
Agosto 12913 417
Septiembre 12807 427
Octubre 13706 442
1641714159 13941
11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 1272314889
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 10deg y acimut 0deg
138
Noviembre 12723 424
Diciembre 14889 48
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 362
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3
524 Piloto Sistema Aislado 4
La cuarta propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Perales ubicado en la ciudad de Ibagueacute en el
departamento de Tolima el usuario solicita una solucioacuten para iluminar un sendero
peatonal con iluminacioacuten led y un sistema fotovoltaico el ensamble de todo el
sistema se realizaraacute en un poste por lo que el sistema fotovoltaico deberaacute ser
pequentildeo y liviano El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 100 12 Iluminaria Led
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4
139
Los datos expuestos en la tabla 59 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Perales
con una inclinacioacuten de 10deg
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 14149 456
Febrero 11943 427
Marzo 12779 412
Abril 10328 344
Mayo 10725 346
1414911943 12779
10328 1072512195
10867 992811646 12202 12507 12695
0
50
100
150
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
140
Junio 12195 407
Julio 10867 351
Agosto 9928 32
Septiembre 11646 388
Octubre 12202 394
Noviembre 12507 417
Diciembre 12695 41
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 32
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 15
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4
Ya con los datos de recurso solar tiempo de recuperacioacuten del sistema y diacuteas de
autonomiacutea se puede desarrollar el disentildeo del sistema fotovoltaico que constaraacute
del caacutelculo de la potencia fotovoltaica necesaria y de la capacidad del banco de
bateriacuteas debido a que a partir de estos dos datos se calcula el nuacutemero de
moacutedulos y de bateriacuteas dependiendo de la capacidad de potencia y capacidad de
almacenamiento respectivamente
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMO
Los resultados de las anteriores propuestas para sistemas aislados se presentan
como la potencia fotovoltaica calculada y la capacidad necesaria del banco de
141
bateriacuteas con estos dos paraacutemetros el usuario podraacute calcular el nuacutemero de paneles
y bateriacuteas dependiendo de la potencia del panel que se desea usar y de la
capacidad de almacenamiento de la bateriacutea en particular respectivamente
(expresiones 225 y 212) Para el caacutelculo se supone una eficiencia del inversor del
90 y una eficiencia de la bateriacutea del 80 estos valores son usualmente
acogidos para disentildeos de sistemas fotovoltaicos [10]
A continuacioacuten se presentan los resultados de la simulacioacuten en el software
PVSOLreg y con el aplicativo propuesto para este trabajo
Resultados Piloto 1
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
2620 W 4807 Ah
Aplicativo 26703 W 534 Ah Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
Para este disentildeo descrito en la tabla 512 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900)
de 48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 2
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
1818 W 4807 Ah
Aplicativo 17389 W 534 Ah Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 513 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 3
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
731 W 4757 Ah
Aplicativo 7289 W 5864 Ah Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
142
Para el disentildeo descrito en la tabla 514 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 4
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
495 200 Ah
Aplicativo 48611 2777 Ah Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 515 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
54 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A RED
Las consultas por usuarios a la empresa Colombian Solar Systems SAS acerca
de este tipo de sistemas son menores que para el caso del sistemas fotovoltaicos
aislados sin embargo la base de datos que proporciona esta empresa puede
suministrar varias propuestas que se estudiaraacuten en esta seccioacuten
541 Piloto sistema interconectado a red 1
Esta propuesta fue solicitada por un usuario que necesitaba disminuir el consumo
de energiacutea eleacutectrica por parte de la electrificadora encargada en un eco hotel de
su propiedad por tanto acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 8220
Febrero 6120
Marzo 6960
Abril 8340
143
Mayo 6600
Junio 6660
Julio 6540
Agosto 7560
Septiembre 7320
Octubre 7800
Noviembre 9060
Diciembre 7800
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para el lugar exacto donde se
desea hacer la instalacioacuten solar A continuacioacuten se ilustra la interfaz graacutefica con la
que un usuario deberaacute interactuar para seleccionar el recurso solar en un lugar
exacto
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
144
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para
una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
En esta propuesta se plantea un 10 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
542 Piloto sistema interconectado a red 2
Esta propuesta fue solicitada por un grupo de usuarios que requieren alimentar
parte de su consumo con energiacutea solar en una zona residencial en la ciudad de
Bogotaacute por tanto se acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso A continuacioacuten se presenta el consumo de
energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 823912
Febrero 744176
Marzo 823912
Abril 765136
Mayo 790644
Junio 76422
Julio 79926
Agosto 79926
1753 15272 15053 13025 12342 11971 12925 14025 1392 14819 13835 16002
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
145
Septiembre 77348
Octubre 793868
Noviembre 76826
Diciembre 793868
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica
ubicada en el aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute La siguiente tabla
ilustra los datos obtenidos seguacuten el software PVSOLreg
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la
ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
543 Piloto sistema interconectado a red 3
Esta propuesta fue solicitada por un usuario en la ciudad de Pasto para una
residencia el usuario busca disminuir el consumo de energiacutea por parte de la
electrificadora encargada y servir de referente para los demaacutes usuarios en la
unidad residencial haciacutea el autoconsumo con energiacuteas renovables por tanto se
acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para solicitar un estudio de
un sistema fotovoltaico interconectado a la red Cabe resaltar que entre los
requerimientos del usuario estaacute el uso de una superficie inclinada a 10ordm y
orientacioacuten Norte (acimut 180ordm) para la instalacioacuten del arreglo fotovoltaico
1640914048 13989
11946 11222 10765 1178 12819 12832 13638 1279614967
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
146
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en un antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 205978
Febrero 186044
Marzo 205978
Abril 191284
Mayo 197661
Junio 191055
Julio 199815
Agosto 199815
Septiembre 19337
Octubre 198467
Noviembre 192065
Diciembre 198467
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg bajo el meacutetodo de
interpolacioacuten debido a la ausencia de una estacioacuten climatoloacutegica con nexo a la
base de datos de MeteoSyn (programa encargado de estudios sobre recurso solar
para software PVSOLreg) La siguiente tabla ilustra los datos obtenidos seguacuten el
software PVSOLreg
147
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto
(Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADOS A RED
Para sistemas interconectados a la red el software PVSOLreg analiza el nuacutemero de
paneles que el usuario quiera implementar pero no consulta el porcentaje de
consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar por parte del arreglo
fotovoltaico cabe recordar que este uacuteltimo es un paraacutemetro fundamental para el
dimensionamiento del arreglo fotovoltaico por parte del aplicativo propuesto por
este trabajo asiacute entonces se analizoacute en primera instancia cada propuesta con el
aplicativo teniendo en cuenta el porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar por parte del arreglo fotovoltaico para cada propuesta para asiacute
calcular un nuacutemero de paneles necesario que seraacute usado por el software
PVSOLreg Esto con el fin de que ambas metodologiacuteas calculen la energiacutea que un
sistema fotovoltaico podraacute suministrar a lo largo del antildeo del estudio
Dicha comparacioacuten ayudaraacute a verificar si el arreglo fotovoltaico calculado por el
aplicativo produce valores de energiacutea al antildeo similares o muy alejados a los
calculados por el software PVSOLreg cabe resaltar que el software calcula la
energiacutea que el arreglo produce cada diacutea del antildeo de acuerdo a la irradiacioacuten
exportada del recurso solar en el lugar donde se desea implementar el arreglo
fotovoltaico esto hace que sea una metodologiacutea adecuada para la comparacioacuten
A continuacioacuten se muestran los resultados para cada propuesta
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1
12384 10757 12208 12019 1265814763 13517 13448 13364 1283 11727 10961
0
50
100
150
200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 15degACIMUT 180deg
148
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 516 y
el recurso solar expuesto en la figura 56 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
La tabla 519 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 1
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 1
Consumo anual 88980kWh
Porcentaje de energiacutea (dato inicial) 10
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 17072kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 24
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 9034kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 8235kWh
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red
149
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 517 y
el recurso solar expuesto en la figura 57 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
La tabla 520 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 2
Consumo anual 9440kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 1572 kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 9
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 311987kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 2912kWh
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red
150
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 518 y
el recurso solar expuesto en la figura 58 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
La tabla 521 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 3
Consumo anual 2360kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 15066 kWhm2
Potencia del panel 180W
Nuacutemero de paneles 3
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 732kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 671kWh
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red
151
56 CONCLUSIONES
Basado en el trabajo de realizado y resultados obtenidos se concluye que
La potencia fotovoltaica calculada para los pilotos correspondientes a sistemas
aislados para ambas metodologiacuteas es similar maacutes no igual esto es debido a que
las metodologiacuteas usan distintas maneras para calcular un arreglo fotovoltaico Sin
embargo los resultados obtenidos no superan un rango de error mayor al 5 lo
que da un indicio de un disentildeo acertado del arreglo fotovoltaico
La capacidad del banco de bateriacuteas para las propuestas de sistemas aislados
involucran unas diferencias considerables para ambas metodologiacuteas es tal el caso
de obtener errores superiores al 11 Cabe resaltar que la simulacioacuten del banco
de bateriacuteas mediante el aplicativo para las cuatro propuestas fueron calculados
teniendo en cuenta perdidas en el inversor y en las bateriacuteas (10 y 20
respectivamente) sin embargo al no tener en cuenta dichas peacuterdidas la capacidad
del banco calculada por el aplicativo para cada uno de los casos es la misma que
la calculada por el software PVSOLreg lo que podriacutea significar que el software
PVSOLreg no tiene en cuenta dichas peacuterdidas a la hora de dimensionar un banco
de bateriacuteas Acoger esta premisa significariacutea ir en contra a lo propuesto por este
trabajo que es siempre tener en cuenta las peacuterdidas de los dispositivos con el fin
de preservar la esperanza de vida de las bateriacuteas y cumplir con el tiempo de
autonomiacutea especificado por el usuario para la aplicacioacuten
Para el caso de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red la diferencia de
produccioacuten de energiacutea bajo un antildeo de estudio calculada por ambas metodologiacuteas
no es mayor al 10 siendo para todos los casos la energiacutea calculada por el
software menor a la calculada por el aplicativo Esto puede significar que el
software tiene en cuenta otras peacuterdidas que el aplicativo no sin embargo las
diferencias no son significativas
152
57 RECOMENDACIONES
Con este trabajo se pretende plantear una metodologiacutea de disentildeo de sistemas
fotovoltaicos mediante el entorno graacutefico de Matlab sin embargo se podriacutea motivar
para trabajos futuros el estudio para desarrollar esta misma metodologiacutea en otros
ambientes graacuteficos con el fin de que el aplicativo sea maacutes portable
Un trabajo complementario a este podriacutea estar basado en la medicioacuten del recurso
solar para un lugar en especiacutefico durante todo un antildeo Esto con el fin de verificar
que tan confiables son las herramientas disponibles para el caacutelculo de radiacioacuten
solar en un lugar en especiacutefico
Para trabajos futuros relacionados con el tema se propone un estudio detallado
sobre el consumo de un usuario en especiacutefico de tal forma que se analice la curva
de potencia en cada hora del diacutea durante un tiempo en especiacutefico esto junto con
un estudio de medicioacuten de irradiacioacuten solar diario podraacuten entregar los datos
suficientes para calcular la energiacutea que se aprovecharaacute de un sistema fotovoltaico
y la que se inyecta a la red esto con el fin de concluir si un arreglo fotovoltaico es
viable para un usuario en especiacutefico Podriacutea motivarse auacuten maacutes el estudio si se
tratara de una entidad que preste un servicio importante a la comunidad como por
ejemplo hospitales colegios universidades aeropuertos etc
Para un trabajo relacionado con el tema se propone estudiar el recurso en un lugar
en especiacutefico de manera detallada con el fin de hacer un estudio probabiliacutestico que
determine un buen valor de los paraacutemetros tiempo de recuperacioacuten del sistema y
diacuteas de autonomiacutea esto con el fin de plantear una metodologiacutea que permita
calcular sistemas fotovoltaicos maacutes confiables
153
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156
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Manual Disponible en httpwwwvalentin-
softwarecomsitesdefaultfilesdownloadshandbuecherenmanual-pvsol-enpdf
AGRADECIMIENTOS
A la empresa Colombian solar Systems SAS y a Julio Ceacutesar Montero por la
oportunidad de desempentildear esta praacutectica conducente en su empresa y por todo la
experiencia adquirida
Al ingeniero Alexander Molina Cabrera por hacer el acompantildeamiento como
profesor guiacutea y que a pesar de sus compromisos laborales en su doctorado
siempre estuvo dispuesto a compartir sus conocimientos
INTRODUCCIOacuteN
Los sistemas fotovoltaicos son una alternativa amigable con el medio ambiente
para producir electricidad a partir de la energiacutea proveniente del Sol Los sistemas
fotovoltaicos pueden ser interconectados a red el sistema produce parte de la
energiacutea que el usuario demande y se toma como respaldo la energiacutea proveniente
de la red y sistemas fotovoltaicos autoacutenomos en donde el arreglo fotovoltaico
(grupo de paneles solares) debe producir la energiacutea necesaria para el consumo
en el diacutea almacenar otra parte para el consumo en las noches y servir de
respaldo para casos en donde la radiacioacuten solar se vea afectada por fenoacutemenos
ambientales involucrando entonces dos fuentes de energiacutea que deberaacuten ser
modeladas en conjunto
En la actualidad existen diversas herramientas que son capaces de modelar un
sistema fotovoltaico arrojando datos de cargabilidad y eficiencia respecto a los
elementos que lo componen es el caso del software especializado PVSOLreg el
cual utiliza bases de datos de irradiacioacuten solar y posee la capacidad de realizar
simulacioacuten de sombras Sin embargo es necesario realizar un aplicativo capaz de
incorporar toda la teoriacutea y conceptos de que consta el disentildeo y caacutelculo de un
sistema fotovoltaico para Colombia con el fin de comparar ambas metodologiacuteas
de disentildeo y asiacute poder obtener un sistema mejor dimensionado
La Universidad Tecnoloacutegica de Pereira se ha caracterizado por el protagonismo de
sus estudiantes y de la Institucioacuten en la innovacioacuten de los diferentes campos de las
ciencias que le competen pero hasta el momento no se han presentado aportes a
el aacuterea de software especializados en sistemas fotovoltaicos es por esto que se
hace necesaria la creacioacuten de un aplicativo con la capacidad de disentildear sistemas
fotovoltaicos que no solo sirva como un referente regional para la implementacioacuten
de este tipo de sistemas de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica si no tambieacuten que
cumpla la tarea de realizar una comparacioacuten de metodologiacuteas entre el algoritmo
propuesto en el proyecto y el software PVSOLreg uno de los maacutes utilizados hasta el
momento por la industria por su novedoso meacutetodo para modelar sombras
En el primer capiacutetulo se abordan los principios del efecto fotoeleacutectrico y
fotovoltaico como conceptos principales de la conversioacuten de energiacutea proveniente
del espectro solar en energiacutea eleacutectrica que puede ser aprovechada para el uso
residencial y comercial En el capiacutetulo 2 se estudian los sistemas aislados su
funcionamiento disentildeo y dimensionamiento En el capiacutetulo 3 se tratan los
sistemas interconectados a red su clasificacioacuten componentes disentildeo y
moldeamiento En el capiacutetulo 4 se explica el funcionamiento del aplicativo
propuesto para este trabajo su entorno graacutefico y expresiones matemaacuteticas tanto
para sistemas interconectados a la red como para los autoacutenomos El capiacutetulo 5
expone las caracteriacutesticas de los pilotos con los cuales se pretende hacer las
comparaciones con las dos metodologiacuteas los resultados obtenidos y las
recomendaciones
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un aplicativo para el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos y
compararlo con el software PVSOLreg
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Alcanzar el estado del arte en el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos
a partir de software y aplicativos especializados
Plantear un aplicativo capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector
residencial y rural (cargas de baja inductancia) para el territorio
colombiano
Modelar el sistema fotovoltaico base en el software especializado
PVSOLreg
9
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIOacuteN
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
TABLA DE CONTENIDOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
CAPIacuteTULO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
11 ANTECEDENTEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
131 Conductores semiconductores y aislanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
132 Unioacuten p-nhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
133 La ceacutelula fotovoltaicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
134 Silicio monocristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
135 Silicio policristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
136 Silicio amorfohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
14 RECURSO SOLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34 141 Factores externos a la superficie de la Tierrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
142 Factores climaacuteticoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
143 Componentes de la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
15 DESARROLLOS EN COLOMBIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
161 Declinacioacuten Magneacuteticahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
162 Trayectoria solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
163 Acimuthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
164 Inclinacioacuten del arreglohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Objetos que crean sombrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
CAPIacuteTULO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
211 El panel fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
2111 Estructura de los paneles solareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21111 La cubierta frontalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
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21112 El material encapsulantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
21113 La cubierta posteriorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21114 El marco metaacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21116 Diodos de bypass helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21117 Diodos de bloqueohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
212 Bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
2121 Tipos de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abiertohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
21212 Bateriacuteas alcalinashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
2122 Especificaciones de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21221 Capacidad de la bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21222 Ritmo y profundidad de descargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
21223 Condiciones ambientaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
213 Regulador de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
2131 Reguladores PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
2132 Reguladores MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
214 Inversores autoacutenomoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 70
2141 Clasificacioacuten de inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21411 Inversores de onda cuadradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21412 Inversores de onda cuadrada modificadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21413 Inversores de onda sinusoidalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
2142 Caracteriacutesticas de los inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72 22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
221 Estimacioacuten del consumo y cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
222 Recurso solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphellip 78
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 81
CAPIacuteTULO 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 85
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 85
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA 90
11
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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322 Estudio del consumo anualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solarhelliphelliphelliphellip 91
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblicohelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
331 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
CAPIacuteTULO 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 96
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 97
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 100
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuestohelliphelliphelliphellip 100
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWMhelliphellip 107
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 109
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphellip 110
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 119
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPThelliphelliphelliphelliphelliphellip 120 42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador MPPT 121
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas con aplicativo propuestohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
CAPIacuteTULO 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASEhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
521 Piloto sistema aislado 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
522 Piloto sistema aislado 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
523 Piloto sistema aislado 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
524 Piloto sistema aislado 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
54 Sistemas fotovoltaicos interconectados a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
541 Piloto sistema interconectado a red 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
542 Piloto sistema interconectado a red 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 144
543 Piloto sistema interconectado a red 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 147
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 148
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 149
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
12
56 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
57 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 152
BIBLIOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 153
13
IacuteNDICE DE FIGURAS Figura 11 Primera celda solar 17
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico 19
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 23
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 23
Figura 15 Efecto fotovoltaico 29
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino 31
Figura 17 Panel solar silicio policristalino 32
Figura 18 Panel de silicio amorfo 33
Figura 19 Espectro solar 35
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten 37
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica 42
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira 43
Figura 21 Componentes de un panel solar 48
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica 50
Figura 23 Modelo eleacutectrico de un panel solar 51
Figura 24 Modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra 52
Figura 25 Funcionamiento de diodo de bypass 52
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo 53
Figura 27 Curva caracteriacutestica de una celda solar 54
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar 55
Figura 29 Efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar 55
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto 58
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA 59
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM 60
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea 63
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar 66
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT 70
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida 72
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor 73
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el aplicativo 99
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico 100
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo 101
Figura 44 Informacioacuten de consumo 101
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo 102
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico 103
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria 104
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas 105
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga 106
Figura 410 Regulador PWM 107
Figura 411 Verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM 110
Figura 412 Tensioacuten de la bateriacutea VS Estado de carga 111
14
Figura 413 Regulador MPPT 117
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT 120
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
122
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel 123
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab 124
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada 125
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica 127
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red 128
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red 129
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
132
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
134
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
137
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
139
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
143
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
144
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
145
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto (Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
147
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
148
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
149
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
150
15
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas fotovoltaicas comerciales
33
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar
36
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente
36
Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia 41
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
45
Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira 45
Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea 64
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1 132
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
133
Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1 134
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
135
Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2 136
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3 136
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
138
Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3 138
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4 138
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
140
Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4 140
Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
141
Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
142
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980 kWhantildeo
143
16
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996 kWhantildeo
145
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360 kWhantildeo
146
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red 148
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red 149
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red 150
17
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
Capiacutetulo 1 REFERENTE TEOacuteRICO 11 ANTECEDENTES El intereacutes en el estudio del aprovechamiento de la energiacutea solar tuvo su origen en
1839 cuando el fiacutesico franceacutes Alexandre Edmond Becquerel analizoacute a profundidad
el fenoacutemeno de la fosforecencia a traveacutes del estudio de cuerpos que tienen la
propiedad de emitir luz propia en la oscuridad despueacutes de haber sido expuestos a
la irradiacioacuten de un foco de luz [1] En 1873 el cientiacutefico britaacutenico Willoughby Smith
estudioacute el comportamiento del selenio bajo la exposicioacuten a la luz y concluyoacute que
este aumenta su capacidad de conducir electricidad a medida que la exposicioacuten a
la luz aumentaba [2] Diez antildeos maacutes tarde Charles Fritts inventor
estadounidense creoacute las primeras celdas solares las cuales usaban uniones
formadas por el recubrimiento de los semiconductores hechos de selenio con una
capa ultra delgada casi transparente de oro ver figura 1 Esta fue muy poco
eficiente transformando menos del 1 de la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica
Sin embargo este descubrimiento demostroacute la viabilidad del uso de la energiacutea
solar para generar electricidad [3]
Figura 11 Primera celda solar tomada de The Encyclopedia OF EARTH Fritts
Charles Edgar 22 de Agosto del 2008 Disponible en
httpwwweoearthorgviewarticle152869
En 1887 Heinrich Hertz descubrioacute por accidente lo que hoy se conoce como
efecto fotoeleacutectrico Hertz generoacute una chispa oscilante mediante una bobina de
induccioacuten entre dos pequentildeas esferas metaacutelicas las cuales el denominoacute el
transmisor induciendo una chispa similar entre dos esferas de metal diferentes
18
conectadas a un aro de alambre que eacutel denominoacute el receptor y que a su vez no
teniacutea conexioacuten eleacutectrica alguna con el transmisor Con este experimento Hertz
estudiaba la teoriacutea de ondas electromagneacuteticas propuesta por Maxwell en donde
una carga acelerada produciriacutea un campo eleacutectrico cambiante de manera no
uniforme que a su vez produciriacutea un campo magneacutetico cambiante y asiacute
sucesivamente Hertz dedujo que el componente de campo eleacutectrico cambiante
causa cargas inducidas en el receptor lo que produce la chispa con las mismas
caracteriacutesticas del transmisor Hertz observoacute que para reproducir fielmente la
chispa inducida la separacioacuten de las esferas del receptor debe ser menor a un
miliacutemetro lo que le dio mucha dificultad al anaacutelisis de este estudio Hertz intento
solucionar este problema encerrando el receptor en un sitio oscuro lo que
facilitaba la visualizacioacuten de la chispa sin embargo descubrioacute que su intensidad
era claramente maacutes deacutebil en estas condiciones al cabo de un tiempo descubrioacute
que podiacutea aumentar la intensidad la de chispa mediante la iluminacioacuten con luz
visible o ultravioleta Estudios realizados en 1897 por JJ Thomson demostraron
que este aumento de la sensibilidad fue el resultado de la luz que empuja a los
electrones [4-7]
Fue entonces en 1905 cuando Albert Einstein con su artiacuteculo sobre el efecto
fotoeleacutectrico llamado On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and
Transformation of Light (ldquoHeuriacutestica de la generacioacuten y conversioacuten de la luzrdquo)
introdujo un cambio fundamental a la teoriacutea existente del efecto fotoeleacutectrico que
en aquel entonces era acogida por la teoriacutea de Maxwell en donde la luz es
modelada como una onda continuacutea y por ende su energiacutea va relacionada
netamente a esta
Einstein proponiacutea que la luz estaacute formada por ldquopaquetes de partiacuteculasrdquo llamados
fotones y que la energiacutea de cada fotoacuten de luz es igual a la frecuencia multiplicada
por una constante De este modo un fotoacuten por encima de un umbral de frecuencia
tiene la energiacutea requerida para expulsar un solo electroacuten justificando asiacute el
fenoacutemeno observado por Hertz al exponer el receptor a luz ultravioleta Asiacute la
energiacutea de electrones expulsados individuales aumenta linealmente con la
frecuencia de la luz
De esta manera los dos factores que afectan a la energiacutea cineacutetica maacutexima de los
fotoelectrones (o electrones liberados) son la frecuencia de la radiacioacuten incidente
y el material de la superficie La energiacutea de los electrones aumenta con la
frecuencia de la luz incidente de una manera lineal con pendiente igual a la
constante de Planck Cada curva tiene un intercepto en el eje de la frecuencia
diferente lo que demuestra que la frecuencia de umbral estaacute en funcioacuten del
material La mayoriacutea de los elementos tienen frecuencias de umbral ultravioleta
pero existen algunos como el potasio que tienen un umbral suficientemente bajo
19
como para ubicarlo entre el amarillo y el verde Los materiales con los valores maacutes
bajos son los que se encuentran bajo el nombre de semiconductores algunos
incluso llegan debajo del infrarrojo cercano [8]
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico imagen tomada de The Physics Hyper Text Book Photoelectric Effect Disponible en httpphysicsinfophotoelectric
El efecto fotoeleacutectrico actualmente se conoce como el hecho de que un material
pueda desprender electrones por un conductor gracias a la energiacutea recibida por
un haz de luz El haz de luz emite fotones que son partiacuteculas portadoras de todas
las formas de radiacioacuten La energiacutea transmitida por el fotoacuten es absorbida por el
electroacuten haciendo que este tenga la energiacutea suficiente para escapar del aacutetomo El
efecto fotoeleacutectrico ha permitido desarrollar ademaacutes del laacuteser sateacutelites de
comunicacioacuten y la energiacutea eleacutectrica a partir de radiacioacuten solar entre otros
Los aportes realizados por Einstein acerca del fenoacutemeno fotoeleacutectrico le hicieron
merecedor del Premio Nobel de Fiacutesica en 1922 [9]
Por otra parte en 1918 el cientiacutefico polaco Ene Czochralski produjo un meacutetodo
para hacer crecer monocristales de metal Lo que inspiroacute los estudios
fotoeleacutectricos con selenio a lo largo de los antildeos 30 a pesar de su baja eficiencia y
sus altos costos Maacutes adelante en 1948 Gordon Teal y John Little adaptaron el
meacutetodo de Czochralski para el crecimiento de los cristales para producir
germanio monocristalino y despueacutes producir silicio
20
En 1950 los laboratorios Bell comenzaron la buacutesqueda de una viacutea confiable para
energizar los sistemas de comunicacioacuten remotos Los cientiacuteficos de Bell
descubrieron que el silicio el segundo elemento maacutes abundante de la Tierra era
sensible a la luz y cuando se le trataba con ciertas impurezas generaba una
tensioacuten eleacutectrica considerable Este fenoacutemeno es causado por la recoleccioacuten de
cargas generadas en el efecto fotoeleacutectrico para generar energiacutea eleacutectrica este
comportamiento se conoce como efecto fotovoltaico y es la base de
funcionamiento de las celdas solares En 1954 Bell desarrollo una celda basada
en silicio que alcanzaba el 6 de eficiencia
Poco despueacutes en 1958 T Mandelkorn creoacute ceacutelulas fotovoltaicas de silicio n-on-P
(laacutemina de silicio dopada tipo n en la parte frontal y tipo p en la parte posterior)
con eficiencias del 9 que son maacutes resistentes al dantildeo por radiacioacuten y son maacutes
adecuadas para actividades espaciales que fueron utilizadas para el Vanguard l
conocido como el primer sateacutelite artificial alimentado con energiacutea solar [10]
En 1963 Sharp logroacute ser la primera compantildeiacutea en producir masivamente celdas
solares marcoacute un paso significativo para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a
partir de energiacutea solar dando su aporte en tiempos de preocupacioacuten internacional
respecto a la conservacioacuten del medioambiente Sin embargo el medio ambiente no
fue el uacutenico campo en el que se expandieron estos estudios la NASA en 1966
lanzo a la oacuterbita un observatorio astronoacutemico con una configuracioacuten fotovoltaica de
1kw y en 1972 la Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japoacuten (NASDA)
autorizoacute a Sharp para equipar con celdas solares el proyecto que pondriacutea en oacuterbita
al sateacutelite ldquoUmerdquo El reto para ese entonces fue soportar los severos cambios de
temperatura y radiacioacuten coacutesmica presentes en el espacio sin embargo el
comportamiento de los sistemas puestos a bordo fueron adecuados lo que
impulsariacutea en el futuro la utilizacioacuten de este tipo de generacioacuten de energiacutea para
usos espaciales debido a su faacutecil autonomiacutea y confiabilidad en este entorno [11
12]
En 1974 Japoacuten lanzoacute un importante proyecto con fines investigativos ldquoSunshine
Projectrdquo el cual fue promovido por el Ministerio de Comercio e Industria de Japoacuten
que teniacutea por objeto el desarrollo de las siguientes fuentes de energiacutea
1 Energiacutea solar
2 Energiacutea geoteacutermica
3 Gasificacioacuten del carboacuten y licuefaccioacuten
4 Energiacutea del hidroacutegeno
21
Este proyecto se promovioacute a escala nacional con la plena cooperacioacuten de las
organizaciones nacionales de institutos de investigacioacuten universidades y
empresas privadas asiacute como mediante la cooperacioacuten internacional El Sunshine
Project teniacutea como fin investigar aspectos importantes de las formas de
generacioacuten mencionadas anteriormente [13]
De manera similar en 1977 se fundoacute el Laboratorio Nacional de Energiacutea
Renovable (NREL por sus siglas en ingleacutes) en Estados Unidos fue denominado
primer laboratorio de energiacutea renovable y la eficiencia energeacutetica de investigacioacuten
y desarrollordquo y se financia a traveacutes del Departamento de Energiacutea de EEUU (DOE
por sus siglas en ingleacutes) El NREL se caracterizoacute por sus estudios en energiacutea
fotovoltaica desarrollando e impulsando este tipo de generacioacuten en Estados
Unidos Las instalaciones del campus del NREL dedicadas a la investigacioacuten
fotovoltaica poseen sistemas fotovoltaicos capaces de satisfacer las necesidades
de los ingenieros investigadores en esta aacuterea Este notable intereacutes en las
universidades y centros de investigacioacuten alrededor de todo el mundo llevoacute a
grandes logros en 1980 respecto a eficiencia de las ceacutelulas el maacutes importante fue
el presentado por la Universidad de Delaware en Estados Unidos que desarrolloacute
la primera ceacutelula solar de peliacutecula delgada que obtiene una eficiencia del 10
utilizando sulfuro de cobre (Cu2S) y sulfuro de cadmio (CdS) Lo que conllevariacutea a
grandes avances en cuestioacuten de produccioacuten de energiacutea fotovoltaica
A lo largo de la deacutecada de los ochentas y gracias a los avances de los 70 parecioacute
aceptarse que el liacutemite praacutectico para la eficiencia de las ceacutelulas de Silicio se
situaba alrededor de un 20 sin embargo los liacutemites teoacutericos suponiacutean un 337
[14] A mediados de los 80 se introducen algunas innovaciones que conducen a un
raacutepido incremento del rendimiento de estos dispositivos Estas mejoras fueron
basadas en reducir las recombinaciones en la estructura de la ceacutelula y en
particular en sus superficies y en sus contactos metaacutelicos Varios hechos
destacables ocurrieron en esta deacutecada tales como el ocurrido en la universidad de
Gales del Sur en donde se fabricoacute una ceacutelula fotovoltaica de silicio que llegoacute al
20 de eficiencia tambieacuten gracias a los avances en nuevos conceptos como
pasivacioacuten de la superficie (formacioacuten de una peliacutecula muy delgada sobre la
superficie de un material que lo enmascara en contra de la accioacuten de agentes
externos) en la universidad de Stanford en 1988 se disentildeoacute una ceacutelula de 851198881198982
que alcanzoacute una eficiencia del 223 en condiciones normales de operacioacuten [15]
En septiembre de 2013 se anuncioacute la obtencioacuten de un nuevo record de eficiencia
de conversioacuten fotovoltaica del 447 Este tipo de ceacutelulas estaacute catalogada como
ldquoceldas taacutendemrdquo o de ldquomultiunionesrdquo que consta de la unioacuten de varias subceldas
fabricadas una encima de la otra de forma tal que se compactan para formar una
sola pieza (monoliacutetico) El record se establecioacute usando sistemas oacutepticos que
22
logran concentrar la radiacioacuten en la superficie de una celda y los materiales
usados son combinaciones de los elementos quiacutemicos del grupo III y V de la tabla
perioacutedica que son Arseacutenico Indio Foacutesforo y Galio entre otros El costo de este tipo
de ceacutelula es elevado (lo que no hace posible su uso de manera comercial) y solo
se justifica su inversioacuten en condiciones en donde la incidencia solar sea en lo
posible ininterrumpida es decir en lugares que no posean muchas nubes como
en los desiertos e implementar un sistema de seguimiento solar de dos ejes lo que
incrementariacutea potencialmente el costo debido al factor mantenimiento que asocia
una estructura en movimiento [16]
Sin embargo se siguen haciendo aportes en la categoriacutea de ceacutelulas comerciales
es el caso de Panasonic al anunciar en febrero de 2013 su reacutecord mundial de
eficiencia de conversioacuten fotovoltaica usando ceacutelulas de silicio cristalino lo que las
hace maacutes econoacutemicas para el mercado a comparacioacuten de las ceacutelulas ldquotaacutendemrdquo
con un 247 de eficiencia superando al impuesto por Sun Power con un 242
en 2012 Este logro fue implementado bajo la utilizacioacuten de silicio monocristalino
lo que la hace mucho maacutes econoacutemica Panasonic uso una tecnologiacutea de
fabricacioacuten de ceacutelulas fotovoltaicas llamadas HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin layer) que se componen de pequentildeas placas hiacutebridas monocristalinas de
silicio que se recubren de una capa delgada de silicio amorfo Este meacutetodo pudo
crear una ceacutelula de tan solo 98 micras de espesor lo que conlleva a usar menos
material por ceacutelula [17]
Simultaacuteneamente a los avances respecto a la eficiencia de las ceacutelulas
fotovoltaicas se realizaron importantes aportes respecto a la capacidad
fotovoltaica instalada desde principios de los antildeos 90 en la figura 13 se observa
el comportamiento de este aspecto en los uacuteltimos antildeos Se asegura que el parque
fotovoltaico aumenta en un 35 por antildeo desde 1998 y la Asociacioacuten Europea de
Energiacutea Fotovoltaica preveacute que el parque instalado podriacutea alcanzar unos 1 800
GW para el 2030 para una produccioacuten que representa el 14 del consumo
mundial de electricidad y capaz de dar suministro a 45 mil millones de personas
[18 19]
23
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Seguacuten el Renewables Global Status Report 2011 Europa concentra maacutes del 75
de capacidad fotovoltaica instalada en el mundo siendo Alemania el paiacutes con
mayor aumento en el 2010 y con mayor capacidad fotovoltaica instalada
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 Tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Aunque la capacidad promedio de los sistemas fotovoltaicos ha aumentado existe
un intereacutes creciente en los sistemas de pequentildea escala particularmente en los
paiacuteses en desarrollo Estos sistemas representan el 5 del mercado global y
desde los antildeos 80 este mercado ha sido creciente en Aacutefrica Asia y Ameacuterica Latina
24
en la medida en que los precios de la generacioacuten con combustibles en las zonas
aisladas son comparables con los de esta nueva tecnologiacutea [20]
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICA
El desarrollo tecnoloacutegico va iacutentimamente ligado con la capacidad de recursos
energeacuteticos que se puedan aprovechar por el ser humano A su vez el crecimiento
tecnoloacutegico es el que determina la utilizacioacuten de ciertos tipos de energiacutea y por
tanto la disponibilidad de este recurso Estos recursos energeacuteticos son usados por
el hombre con el objeto de satisfacer algunas de sus necesidades en el mayor de
los casos en forma de calor y trabajo que son posibles gracias al manejo de
electricidad
Hacia finales del siglo XIX se inventaron las primeras centrales teacutermicas que
requieren para su funcionamiento combustibles como la gasolina el diesel el gas
natural el carboacuten etc Antildeo tras antildeo se fueron sofisticando este tipo de maacutequinas
siendo maacutes econoacutemicas seguras confiables eficientes y abundantes logrando de
esta forma satisfacer demandas eleacutectricas en lugares donde los recursos hiacutedricos
no son eficaces Este tipo de maacutequinas operan bajo el principio de conversioacuten de
energiacutea quiacutemica almacenada en los combustibles en energiacutea eleacutectrica capaz de
ser transmitida y aprovechada por el ser humano Sin embargo la transformacioacuten
de dicha energiacutea genera residuos toacutexicos para el medio ambiente En un principio
la explotacioacuten de estos recursos que son derivados del petroacuteleo se consideraron
ilimitados y su impacto ambiental se consideraba despreciable sin embargo
estudios posteriores evidenciaron alteraciones atmosfeacutericas a nivel mundial como
el aumento en la concentracioacuten de dioacutexido de carbono en la atmoacutesfera
responsable del efecto invernadero lo que generoacute un aumento de temperatura
promedio a nivel mundial logrando asiacute el derretimiento del polo norte y por ende
el crecimiento del nivel de los mar
Es por esto que se hace necesario la buacutesqueda e implementacioacuten de nuevas
formas de generacioacuten de energiacutea amigables con el medio ambiente como la
energiacutea eoacutelica fotovoltaica entre otras La energiacutea fotovoltaica aprovecha la
energiacutea proveniente del Sol captando esta mediante celdas fotoeleacutectricas
capaces de convertir la luz en un potencial eleacutectrico sin que tenga lugar a un
efecto teacutermico es uno de los meacutetodos maacutes limpios y simples de produccioacuten
energeacutetica sin desechos peligrosos para el medio ambiente conocidos por el
hombre Parte de una fuente inagotable la energiacutea que emitida por el Sol y
absorbida por la atmoacutesfera terrestre Los cientiacuteficos consideran que si esta energiacutea
fuese aprovechada en su totalidad solo bastariacutea media hora para abastecer la
demanda energeacutetica mundial durante todo un antildeo Sin embargo esto es a nivel
teoacuterico pues a nivel praacutectico es imposible [15 21]
25
Aun asiacute cada vez es maacutes y mejor aprovechada la energiacutea fotovoltaica abarcando
cada vez maacutes campos de aplicacioacuten que variacutean desde sateacutelites suministro de
electricidad para poblaciones lejanas e incluso vehiacuteculos alimentados por energiacutea
solar
La principal desventaja de esta forma de generacioacuten es su elevado costo aunque
la materia prima con la que se componen los paneles solares sea el silicio que es
el segundo elemento maacutes abundante en la Tierra algunos son fraacutegiles y sensibles
compuestos por semiconductores cristales etc que requieren mantenimiento
constante y a menudo deben ser reemplazados
Los encargados de hacer la conversioacuten de energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica se
llaman moacutedulos fotovoltaicos o paneles solares un solo panel generalmente no
es capaz de suministrar suficiente energiacutea para una carga debido a que en el
mejor de los casos no llegaraacuten ni siquiera a un 40 de eficiencia No obstante
este problema se soluciona agrupando un mayor nuacutemero de paneles que
funcionen conjuntamente para producir mayor energiacutea En este orden de ideas se
busca mayor eficiencia de paneles a menor costo con el fin de usar menos
espacio y que la produccioacuten energeacutetica sea econoacutemicamente sostenible
Los problemas teacutecnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energiacutea
solar son los siguientes
1 Gran dispersioacuten de la energiacutea solar sobre la superficie de la Tierra
2 Caraacutecter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiacioacuten
solar
Se calcula que a grandes rasgos la radiacioacuten que recibe una superficie horizontal
es del orden de 11198961199081198982 al medio diacutea variando ciertas condiciones como latitud
del lugar nubosidad sombras y humedad Esto da como resultado un gran
problema de intermitencia que en muchos casos no obedece al comportamiento
tiacutepico de la demanda es decir que en ocasiones se recibe maacutes energiacutea de la que
se necesita y en otros casos se consume maacutes energiacutea de la que el sistema
fotovoltaico puede suministrar Lo anterior evidencia la importancia de un sistema
de almacenamiento capaz de retener energiacutea cuando esta no sea consumida y
entregue energiacutea a las cargas cuando la radiacioacuten solar no sea suficiente En
algunos casos en donde la demanda sea de suma importancia se puede contar
con un sistema de respaldo o fuentes suplementarias de energiacutea lo que hariacutea que
el sistema sea maacutes confiable
Seguacuten el anterior orden de ideas para el aprovechamiento de la energiacutea solar es
necesario realizar los siguientes procesos
26
1 Captacioacuten y concentracioacuten de la energiacutea solar
2 Transformacioacuten para su utilidad
3 Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo
de autonomiacutea establecido
4 Disposicioacuten de una fuente de energiacutea suplementaria disponible si se supera
el tiempo de autonomiacutea
5 Control de la energiacutea almacenada para que pueda ser utilizada en conjunto
con el sistema de captacioacuten de energiacutea
De esta forma se evidencia que es de vital importancia para el sistema el
correcto dimensionamiento de los diacuteas de autonomiacutea para cada caso en particular
teniendo en cuenta que cuanto mayor y mejor sea el dimensionado del sistema de
almacenamiento menor seraacute la dependencia de fuentes energeacuteticas externas de
apoyo
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICA
131 Conductores semiconductores y aislantes
El modelo moderno del aacutetomo describe las posiciones de los electrones en un
aacutetomo en teacuterminos de probabilidades Un electroacuten se puede encontrar
potencialmente a cualquier distancia del nuacutecleo pero dependiendo de su nivel de
energiacutea tiende a estar con maacutes frecuencia en ciertas regiones alrededor del nuacutecleo
que en otras estas zonas son conocidas como orbitales atoacutemicos [22]
A los electrones de la zona maacutes alejada se les denomina electrones de valencia y
poseen la caracteriacutestica de interactuar con otros electrones de valencia formando
una red cristalina El comportamiento de esta interaccioacuten clasifica materiales en
conductores semiconductores y aislantes La diferencia entre estos tres se basa
en la resistencia que opone el paso de corriente sobre un material La corriente
eleacutectrica se define como la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo
Cuando en los extremos de un material se aplica un voltaje se crea un campo
eleacutectrico dentro del mismo y los electrones pertenecientes a la oacuterbita exterior de un
aacutetomo de este material estaraacuten sometidos a una fuerza dada por
119865 = 119902 lowast 119864 120783 120783
Donde
119902 = 119907119886119897119900119903 119889119890 119897119886 119888119886119903119892119886 119890119899 119888119906119897119900119898119887119894119900119904
119864 = 119881119886119897119900119903 119889119890119897 119888119886119898119901119900 119890119897eacute119888119905119903119894119888119900 119890119899 119881119898
27
En materiales conductores es maacutes faacutecil generar movimiento de electrones en la
banda de valencia bajo la accioacuten de una fuerza generada por el producto entre la
carga y el campo eleacutectrico por esta razoacuten el nivel de conductividad en estos
materiales es grande a comparacioacuten de los materiales aislantes como el vidrio el
diamante y la porcelana que aun con elevados valores de campo eleacutectrico la
fuerza que ejerce este sobre los electrones no es la suficiente para generar
movimiento y por ende conducir electricidad [21]
El silicio cuenta con 14 electrones y a su vez el germanio con 32 electrones de los
cuales 4 son de valencia que se unen con otros 4 electrones de valencia de otros
aacutetomos De esta manera dentro de un cristal de silicio no existiraacuten electrones
libres lo que en esta configuracioacuten (estructura cristalina) se consideran elementos
aislantes
A una configuracioacuten cristalina de silicio o de germanio se le incorporan aacutetomos de
otras sustancias (impurezas) la conductividad de este material va a variar
draacutesticamente convirtieacutendolos en semiconductores de esta forma si algunos
aacutetomos de silicio en la configuracioacuten de cristal se sustituyen por aacutetomos de foacutesforo
el cual tiene 5 electrones en la banda de valencia 4 de estos se uniraacuten
covalentemente a los otros 4 electrones de silicio quedando libre el quinto
electroacuten que se podraacute separar maacutes faacutecilmente del aacutetomo mediante una
estimulacioacuten aportada por una fuente externa de energiacutea A esta nueva
configuracioacuten se la conoce como semiconductor ldquotipo nrdquo en donde predomina el
flujo de electrones De esta misma forma si algunos aacutetomos de silicio en la
configuracioacuten de cristal se sustituyeran por aacutetomos de boro que tienen 3
electrones de valencia se llegariacutea a una situacioacuten en donde seriacutea necesario un
electroacuten adicional para completar los enlaces quiacutemicos con los aacutetomos adyacentes
de silicio Este electroacuten que falta se denomina ldquohuecordquo y a esta configuracioacuten se la
conoce como semiconductor ldquotipo prdquo
El proceso de introduccioacuten de aacutetomos que ceden o toman electrones se ha
convertido en un proceso robotizado en donde los aacutetomos de las substancias
dopantes se introducen usando cantildeones electroacutenicos que bombardean los
cristales (proceso de implantacioacuten) Industrialmente se usa el cristal de silicio
porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio[15
21]
132 Unioacuten p-n
Al juntar una barra de material ldquotipo prdquo con una barra de material ldquotipo nrdquo se
produce una nueva unioacuten conocida como unioacuten p-n
28
Los electrones que se encuentren en estado libre dentro de la zona del material
ldquotipo nrdquo detectaraacuten una regioacuten en donde no existen electrones libres generando un
flujo de estos electrones portadores hacia la otra zona como intento de equilibrio
Del mismo modo los huecos existentes en la ldquozona prdquo detectaraacuten una regioacuten en la
que no existen huecos y se produciraacute por tanto un flujo de cargas positivas en
sentido contrario al flujo de electrones Debido al avance de este proceso de flujo
de electrones y huecos se produce un exceso de cargas con potencial negativo
en la ldquozona prdquo y un exceso de cargas con potencial positivo en la ldquozona nrdquo
Por tanto en el aacuterea de unioacuten de los dos materiales se origina un campo eleacutectrico
que aumenta a medida que los huecos y electrones se siguen difundiendo hacia
lados opuestos Este proceso no terminaraacute hasta que el potencial eleacutectrico de este
campo alcance un valor que impida el posterior flujo de electrones y huecos Una
vez se llega a este punto de equilibrio se habraacute creado en la estructura p-n un
campo eleacutectrico sin la ayuda de campos eleacutectricos externos
Asiacute entonces si la energiacutea que suministra el Sol en forma de fotones al
interactuar con una superficie de silicio tipo p posee la frecuencia miacutenima
necesaria para generar la energiacutea para romper un enlace de la estructura del
silicio (band-gap) seraacute absorbido y con ello se crearaacute una nueva pareja de
electroacuten-hueco el efecto de esta nueva pareja seraacute que el electroacuten liberado se
trasladaraacute hacia la zona n como una accioacuten de recuperar el equilibrio De esta
misma forma si el fotoacuten incide sobre la zona n se generaraacute una nueva pareja
electroacuten-hueco pero en este caso el hueco se traslada a la zona p El resultado
de este flujo es la acumulacioacuten de cargas positivas en la zona p y de cargas
negativas en la zona n dando origen a un campo eleacutectrico opuesto al creado por
el mecanismo de difusioacuten
Al aumentar el nuacutemero de fotones que incide sobre la unioacuten aumenta el campo
que anula el inicial hasta llegar a un valor umbral en el que ya no hayan campos
internos que separen cada pareja de electroacuten-hueco Esta es la condicioacuten que
determina la tensioacuten a circuito abierto de la ceacutelula fotovoltaica Este potencial
eleacutectrico evidencia las causas del efecto fotovoltaico
29
Figura 15 Efecto fotovoltaico tomada de SUSTAINABLE ENERGY SYSTEMS The
Photovoltaic Effect 3 de Enero del 2012 Disponible en httpsustainableenergysystemzcomthe-
photovoltaic-effect172
Al establecer un circuito eleacutectrico externo entre las dos superficies los electrones
acumulados fluiraacuten a traveacutes de eacutel regresando a su posicioacuten inicial Este flujo de
electrones forma lo que se conoce como una corriente fotogenerada o fotovoltaica
133 La ceacutelula fotovoltaica
Las ceacutelulas o celdas solares se fabrican a partir de planchas de silicio el cual es
un elemento muy abundante en el planeta Tierra debido a que es uno de los
componentes que forman la arena (dioacutexido de silicio SiO2) En su forma maacutes
pura el silicio semiconductor se emplea en la industria de la microelectroacutenica
como base para los microchips
Fiacutesicamente una ceacutelula fotovoltaica es un diodo con una superficie muy amplia
generalmente tiene un grosor que variacutea entre los 025 y 035 mm y una forma
generalmente cuadrada con una superficie aproximada de 100cm2 El proceso de
fabricacioacuten variacutea seguacuten las cualidades que se quieran obtener (rendimiento
flexibilidad economiacutea) A maacutes pureza maacutes altos costos para una calidad que no
va a suponer un incremento sustancial de rendimiento
Las ceacutelulas fotovoltaicas de silicio pueden construirse de cristales monocristalinos
policristalinos o de silicio amorfo La diferencia entre ellas radica en la forma como
estaacuten dispuestos los aacutetomos de silicio en la estructura cristalina Esta hace que
tengan eficiencias diferentes La eficiencia de una ceacutelula fotovoltaica es el
porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad Las celdas solares de
silicio monocristalino y policristalino tienen casi la misma eficiencia que supera a
la del amorfo sin embargo este uacuteltimo es el maacutes econoacutemico de ambos [21]
134 Silicio monocristalino
30
Las celdas de Silicio monocristalino representan el estaacutendar de la tecnologiacutea
fotovoltaica comercial Para fabricarlas el silicio es purificado mediante la
introduccioacuten de una varilla de ldquocristal germenrdquo de silicio fundido a unos 1400degC y
cristalizado ya sea en lingotes o en laacuteminas delgadas posteriormente el silicio es
rebanado en obleas delgadas para definir las celdas individuales posteriormente
las obleas se pulen por ambas caras Durante el proceso de corte y pulido se
desperdicia casi la mitad del material Una vez pulidas las celdas se introduce por
difusioacuten a alta temperatura un material dopante tiacutepicamente boro si se desea que
el semiconductor sea tipo p y foacutesforo si se desea que el semiconductor sea tipo
n Esta forma de obtencioacuten del silicio para usos fotovoltaicos se conoce como el
meacutetodo Czochralski
En el anterior meacutetodo la mayoriacutea de veces se hace el dopado con boro con el fin
de caracterizar el semiconductor tipo p Para la unioacuten n-p se difunden aacutetomos de
foacutesforo que se depositan sobre una cara y alcanzan cierta profundidad en
superficie Asiacute se consigue que una de las zonas tenga deficiencia de aacutetomos
(tipo p) y la otra cara exceso de aacutetomos (tipo n) Debido a esta diferencia de carga
eleacutectrica en el material se produce un campo eleacutectrico encargado de empujar a
los electrones a salir de la ceacutelula por la superficie de la capa n lo que conlleva al
establecimiento de una corriente eleacutectrica con la interaccioacuten de la energiacutea
proveniente del Sol en forma de fotones
La ceacutelula que se obtiene ha de estar dotada de unos contactos eleacutectricos para
poder canalizar la energiacutea que produce cuando recibe insolacioacuten Estos contactos
sobre la cara asoleada se reparten en forma ramificada y se unen a dos contactos
principales Es comuacuten para la fabricacioacuten de contactos usar procedimientos
serigraacuteficos dado su bajo costo y la facilidad de automatizacioacuten En la cara
posterior que no recibe el sol el material suele extender a toda la superficie o
formar una malla metaacutelica muy tupida esta se recubre con un tratamiento
antirreflexivo de bioacutexido de titanio o zirconio
La mayoriacutea de las ceacutelulas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente
05v independientemente del aacuterea superficial de la celda sin embargo mientras
mayor sea la superficie mayor seraacute la capacidad en corriente que pueda
suministrar
31
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino
El proceso de construccioacuten de paacuteneles monocristalinos es muy costoso y requiere
mucha energiacutea aunque se obtiene un cristal maacutes eficaz con rendimientos en
laboratorio del 15 al 18 Se distinguen por su color azul homogeacuteneo o negro Los
moacutedulos fabricados con tal material tienen tal calidad que algunos fabricantes los
garantizan por 25 antildeos
135 Silicio policristalino
Las ceacutelulas de silicio policristalino se obtienen de planchas de silicio policristalino
que son maacutes econoacutemicas que las planchas de silicio monocristalino Se obtienen
por un proceso de moldeo a partir de pasta de silicio formado por muacuteltiples
cristales de silicio la cual es fundida y vertida en un molde donde se deja asentar
lentamente con lo cual se obtiene un soacutelido formado por muchos pequentildeos
cristales Una vez listo este material se corta en planchas de menor espesor que
las monocristalinas (solo algunas micras) Estas ceacutelulas son maacutes econoacutemicas que
las ceacutelulas monocristalinas sin embargo no son igual de eficientes debido a sus
imperfecciones en su estructura cristalina Aunque su eficiencia ronda entre el
12 y el 14 su costo ha hecho que sean muy usadas de manera comercial
Su composicioacuten a partir de pequentildeos cristales hace que su color no sea uniforme
como las ceacutelulas monocristalinas esta caracteriacutestica hace que su color tenga
diferentes tonalidades de azul
32
Tanto este proceso como el anterior casi la mitad del silicio se pierde como polvo
durante el cortado La garantiacutea de este producto suele ser de 20 antildeos
dependiendo del fabricante
Figura 17 Panel solar silicio policristalino
136 Silicio amorfo
El silicio amorfo es silicio en una forma cristalina con defectos en sus enlaces
atoacutemicos Sin embargo si el silicio amorfo se deposita de tal manera que contenga
una pequentildea cantidad de hidroacutegeno estos aacutetomos de hidroacutegeno saturan muchos
de los huecos de la red cristalina permitiendo asiacute a los electrones moverse a
traveacutes del silicio tipificaacutendose gracias a la accioacuten del dopaje como un material
tipo p o tipo n En cualquier caso en las regiones p o n obtenidas la vida media de
los portadores de carga es reducida
Se obtiene de un proceso de produccioacuten relativamente simple econoacutemico con
poco gasto de energiacutea lo que hace posible la produccioacuten de ceacutelulas a gran escala
Las ceacutelulas de silicio amorfo se obtienen depositando capas delgadas de silicio
sobre un substrato de bajo costo que puede ser vidrio plaacutestico o similar y son de
color marroacuten homogeacuteneo Tienen dos principales desventajas baja eficiencia
respecto a ceacutelulas monocristalinas y policristalinas (cerca del 10 lo que conlleva
a utilizar mucha maacutes aacuterea) y las ceacutelulas se ven envueltas en un proceso de
degradacioacuten en los primeros meses de funcionamiento reduciendo la eficiencia a
lo largo de su vida uacutetil
Las ceacutelulas amorfas son utilizadas en aplicaciones en donde se demande poca
electricidad por ejemplo Relojes calculadoras luces de prados etc [15 21 23]
33
Figura 18 Panel de silicio amorfo tomada de ENGANGET Xunlight Logra Crear Paneles
Solares Flexibles de Gran Tamantildeo 6 de Junio del 2009 Disponible en
httpesengadgetcom20090605xunlight-logra-crear-paneles-solares-flexibles-de-gran-tamano
CEacuteLULAS RENDIMIENTO LABORAL
RENDIMIENTO DIRECTO
CARACTERIacuteSTICAS FABRICACIOacuteN
Monocristalino
24
15-18
Es tiacutepico los azules homogeacuteneos y la conexioacuten de las ceacutelulas individuales entre si (Czochralsky)
Se obtiene de silicio puro fundido y dopado con fosforo
Policristalino
19-20
12-14
La superficie estaacute estructurada en cristales y contiene distintos tonos azules
Igual que el monocristalino solo que se disminuye el nuacutemero de fases de cristalizacioacuten
Amorfo
16
lt10
Tiene un color homogeacuteneo (marroacuten) no tiene conexioacuten visible entre ceacutelulas
Tiene la ventaja de depositarse en forma de laacutemina delgada y sobre un sustrato como vidrio o plaacutestico
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas
fotovoltaicas comerciales
34
14 RECURSO SOLAR
Seguacuten la explicacioacuten del efecto fotoeleacutectrico propuesta por Albert Einstein la
energiacutea de la luz va ligada netamente a la frecuencia de los fotones que esta
contenga de esta forma se comporta la energiacutea contenida en los rayos del Sol en
donde se puede modelar la siguiente ecuacioacuten llamada ldquoecuacioacuten de Plankrdquo
119864 = ℎ lowast 119881 120783 120784
En donde
119864 Energiacutea de los fotones
ℎ Constante de Planck que equivale a 662510minus34Js
119881 Frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de la luz
De esta manera la energiacutea proveniente del Sol a la Tierra seraacute el resultado del
producto entre la constante de Planck y la suma de las frecuencias que tiene cada
fotoacuten del espectro solar Sin embargo no toda esa energiacutea es aprovechada en la
superficie terrestre debido a que existen fotones con poca frecuencia y por ende
poca energiacutea incapaz de atravesar la atmoacutesfera
La energiacutea que se obtiene en la atmoacutesfera terrestre es una mezcla de radiaciones
de longitudes de onda formada por radiacioacuten ultravioleta luz visible y radiacioacuten
infrarroja Una de las funciones de la capa de ozono es filtrar parte de esta
energiacutea y de esta manera formar el espectro solar terrestre En la siguiente
imagen se puede mostrar la situacioacuten descrita [24]
35
Figura 19 Espectro solar tomada de ADMATNET Espectro Solar Disponible en
httpadmatnetcomwp-contentuploads201310espectro-solar-vs-SC1jpg
En donde la longitud de onda (120574) y la frecuencia (119891) de la ondas
electromagneacuteticas se relacionan mediante la expresioacuten
120574 =119888
119891 120783 120785
En donde
119888 Velocidad de la luz a la cual se desplazan todas las ondas electromagneacuteticas
Asiacute entonces se sabe que seguacuten la Ley de Planck que permite calcular la
radiacioacuten emitida por un cuerpo negro el Sol emite unos 38 lowast 1023kw solo una
pequentildea cantidad es absorbida por la atmoacutesfera y es conocida como la radiacioacuten
terrestre que variacutea de acuerdo a ciertas condiciones geograacuteficas a lo largo del
antildeo
Un paraacutemetro fundamental para comprender el comportamiento de la radiacioacuten
terrestre es la ldquoconstante solarrdquo que es la cantidad de energiacutea que incide
perpendicularmente en 1 1198982 de aacuterea ubicada en la parte exterior de la atmoacutesfera
Su valor es 1338 119908 1198982frasl y variacutea un plusmn3 en el antildeo debido a que la Tierra tiene una
trayectoria eliacuteptica alrededor del Sol [15 21]
La radiacioacuten del Sol no es absorbida en su totalidad por la atmoacutesfera esta se
debilita por accioacuten de la reflexioacuten difusioacuten y absorcioacuten Se dice que en ciertas
36
condiciones tales como diacutea perfectamente claro ausencia de sombras y con los
rayos cayendo perpendicularmente a un plano horizontal casi las tres cuartas
partes de la energiacutea proveniente de Sol alcanzaraacuten dicho plano El resto se refleja
en la atmoacutesfera y se dirige al espacio exterior La atmoacutesfera juega un papel de
filtro sobre la radiacioacuten ultravioleta y gran parte de la infrarroja siendo estas
absorbidas por el ozono Asiacute entonces la constante solar ya no es vaacutelida en ninguacuten
nivel terrestre donde bajo las condiciones nombradas anteriormente se dice que
en 11198982 de superficie a nivel del mar con los rayos llegando de forma
perpendicular cerca de 1000 119908 1198982frasl seraacuten disponibles
La anterior situacioacuten puede variar considerablemente dependiendo de las
condiciones encontradas en el ambiente Algunas de estas son momento del diacutea
variacutea de un lugar a otro especialmente en lugares montantildeosos la elevacioacuten solar
(posicioacuten relativa del Sol en el cielo) que depende de la latitud del lugar la altitud
donde se sabe que a mayor altura existiraacute menor espesor de atmoacutesfera y por ende
mayor energiacutea disponible en forma de radiacioacuten solar
En la tabla 12 se puede observar a grandes rasgos como variacutea la intensidad de la
radiacioacuten en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar y coacutemo influyen ciertas
condiciones climatoloacutegicas
VARIACIOacuteN DE LA RADIACIOacuteN INCIDENTE CON LA ALTITUD
ALTITUD SOBRE EL NIVEL DEL MAR
0 900 1500 2250 3000
INTENSIDAD DE LA RADIACIOacuteN
(w119950120784)
950 1050 1100 1150 1190
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del
mar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y
Cualificacioacuten Meacutexico 2008
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS EN LA RADIACIOacuteN INCIDENTE
CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS
RADIACIOacuteN
GLOBAL(w119950120784)
PORCENTAJE DE RADIACIOacuteN DIFUSA
CIELO DESPEJADO 750-1000 10-20
CIELO PARCIALMENTE NUBOSO
200-500 20-90
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente tomada de
Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
37
De esta manera existen entonces dos factores fundamentales que hacen que la
radiacioacuten solar sea de caraacutecter intermitente Se nombran a continuacioacuten
141 Factores externos a la superficie de la Tierra
Son los de caraacutecter dependiente a la posicioacuten de la Tierra respecto al Sol como
bien se sabe la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol es eliacuteptica por lo que la
energiacutea proveniente del Sol no seraacute constante a lo largo del antildeo debido a que en
ciertas eacutepocas esta deberaacute atravesar mayor distancia y por tanto mayor masa lo
que en este caso disminuiraacute la energiacutea proveniente del Sol Tambieacuten involucran
las coordenadas geograacuteficas del lugar considerando latitud y longitud que
condicionan baacutesicamente el recorrido de la radiacioacuten a traveacutes de la atmoacutesfera y el
aacutengulo de incidencia de los rayos solares Son funcioacuten pues de la altura solar en
cada instante
142 Factores climaacuteticos
Estos factores involucran la atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por parte de agentes
internos al ambiente terrestre tales como nubes cantidad de vapor de agua
contaminacioacuten ozono etc Contenidos en la atmoacutesfera y que fundamentalmente
atenuacutean la radiacioacuten solar por concepto de absorcioacuten reflexioacuten y difusioacuten de la
radiacioacuten [15 21 25]
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten tomada de HERNANDEZ PEDRO J Efectos Teacutermicos de Los Materiales Disponible en httppedrojhernandezcomtagconceptos-2
143 Componentes de la radiacioacuten solar Seguacuten la forma como llegue la luz solar a la superficie de la Tierra se pueden clasificar en tres formas diferentes Radiacioacuten solar directa es captada desde una superficie terrestre que posee un uacutenico aacutengulo de incidencia Es decir es la que viaja en liacutenea recta desde la atmoacutesfera hasta la superficie terrestre
38
Radiacioacuten solar dispersa o difusa es la energiacutea que ha sido desviada por accioacuten de los gases disponibles en el ozono esto explica que una superficie con sombra o sin luz solar se encuentre iluminada incluso a pesar de su condicioacuten Radiacioacuten solar albedo es la radiacioacuten reflejada por el suelo o alguna otra superficie Cuando la fuente de luz es el Sol se usa el teacutermino albedo en lugar de reflectancia Esta es variable de un lugar a otro por ejemplo la superficie de un cuerpo negro tendraacute un albedo de cero sin embargo una superficie cubierta de nieve tendraacute un albedo de aproximadamente 09 y para el suelo mojado tendraacute un albedo de 018 (la superficie de un cuerpo negro es un elemento ideal y netamente teoacuterico por ende inexistente)
En teacuterminos generales se define al albedo como
120566 =119877119903
119877119894 120783 120786
En donde
119877119903 es la radiacioacuten reflejada por la superficie
119877119894 es la radiacioacuten incidente en la superficie
La radiacioacuten incidente puede tener entonces dos componentes radiacioacuten directa y
radiacioacuten difusa [21]
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solar
Se pueden destacar los siguientes
Datos de estaciones cercanas
Los valores arrojados por este meacutetodo podraacuten ser acertados si solamente se trata
de un lugar llano y la distancia entre la estacioacuten y el lugar que se planea energizar
es menor a 10 km Sin embargo en la ausencia de alguna otra opcioacuten esta podriacutea
ser una opcioacuten previa donde se podriacutea dar una idea de coacutemo puede ser la
radiacioacuten en un lugar en especiacutefico
Interpolar valores a partir de medidas de la radiacioacuten solar en otras estaciones
La informacioacuten acerca de la radiacioacuten entregada por este meacutetodo puede llegar a
ser confiable si el nuacutemero de estaciones en un lugar es considerable y
dependiendo del tipo de terreno es decir que la interpolacioacuten puede verse
afectada si entre estaciones no tienen en cuenta terrenos en donde la altura
humedad y nubes puedan afectar el resultado
39
Modelos de interpolacioacuten que tienen en cuenta la topografiacutea
Este meacutetodo puede llegar a ser efectivo debido a que tienen en cuenta la
desventaja del iacutetem anterior sin embargo es escaso tener acceso a esta
informacioacuten debido a la complejidad que involucrariacutea tener en cuenta toda la
topologiacutea geograacutefica de un paiacutes como Colombia
Meacutetodo de tratamiento de imaacutegenes de sateacutelites
Es el meacutetodo maacutes exacto para encontrar la radiacioacuten solar en un sitio determinado
Es el resultado de la reflexioacuten de los rayos solares en la superficie de la Tierra
Este meacutetodo se caracteriza por llevar impliacutecito los factores externos a la superficie
de la Tierra y los factores climaacuteticos y topograacuteficos [25 26]
15 DESARROLLOS EN COLOMBIA
Colombia es un paiacutes que produce en su gran mayoriacutea energiacutea eleacutectrica a partir de
la energiacutea potencial almacenada por embalses (centrales hidroeleacutectricas) Este
tipo de generacioacuten aprovecha el movimiento del agua para convertirlo en corriente
eleacutectrica comercial su impacto ambiental es mucho menor que en las energiacuteas
foacutesiles (no produce gases de efecto invernadero ni contamina a la atmoacutesfera) su
explotacioacuten apenas requiere mantenimiento y el almacenamiento de agua tambieacuten
se puede utilizar para plantaciones Sin embargo su construccioacuten implica un gran
impacto ambiental al ser necesaria la inundacioacuten de valles y desplazamiento de
poblacioacuten constituyen una de las principales causas directas e indirectas de
peacuterdida de millones de hectaacutereas de bosques muchas de ellas abandonadas bajo
el agua y en descomposicioacuten Se modifican las condiciones fiacutesicas y quiacutemicas del
riacuteo como salinidad temperatura y nutrientes debido a que el agua embalsada
altera las condiciones naturales del riacuteo
La produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en Colombia empleando sistemas fotovoltaicos
ha tenido un enfoque en el sector rural en donde el gran costo de generacioacuten
provocados por los altos precios en los combustibles y los costos de operacioacuten y
mantenimiento hace que la generacioacuten fotovoltaica sea una opcioacuten adecuada y
confiable a largo plazo Estos sistemas empezaron en Colombia con la empresa
Telecom a comienzos de los antildeos 80s con el apoyo de la Universidad Nacional
Se desarrollaron proyectos con pequentildeos generadores fotovoltaicos de 60 Wp
con los cuales energizaron radioteleacutefonos y algunos sistemas de comunicacioacuten
adicionales en 1983 ya se habiacutean instalado 2950 de este tipo de sistemas y
alcanzaron una potencia instalada entre 3 a 4 kWp para antenas satelitales
terrenales
40
Muchas empresas optaron por instalar sistemas fotovoltaicos para energizar sus
sistemas de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas fotovoltaicos
para alimentar repetidoras de microondas boyas estaciones remotas bases
militares y algunas viviendas en las zonas rurales Seguacuten estudios realizados en
1983 y 1994 se importaron 48499 moacutedulos solares para una potencia de 205
MWp de estos el 411 para proyectos de telecomunicaciones el 465 para
electrificacioacuten rural y el 124 para otras operaciones El mismo estudio determino
que para 248 sistemas fotovoltaicos equivalentes a 419 moacutedulos el 56 de los
sistemas funcionaban correctamente mientras que el 37 funcionaban con
problemas y el 8 estaban fuera de servicio Como fuente principal de problemas
encontraron la falta de miacutenimo mantenimiento componentes dantildeados partes sin
reemplazo y sistemas subestimados Esto evidencia que los dimensionamientos
no son adecuados para estos sistemas al igual que un olvido teacutecnico para estos
usuarios con respecto a mantenimiento y ajustes al sistema En los uacuteltimos 10
antildeos tampoco se ha evidenciado estudios similares a este en donde se muestre
el estado real de dichos sistemas [28]
En promedio los sistemas para electrificacioacuten rural constan de un panel entre 50 y
70 Wp una bateriacutea entre 60 y 120 Ah y un regulador Lo que producen una
energiacutea miacutenima para satisfacer las necesidades maacutes baacutesicas del sector rural El
costo actual de estos pequentildeos sistemas oscila entre US$ 1200 a 1500 afectando
principalmente los altos costos de instalacioacuten en las zonas remotas
Durante los uacuteltimos antildeos se han instalado muchos maacutes sistemas en los programas de electrificacioacuten rural con fuerte financiacioacuten del Estado haciendo uso actualmente de recursos como el FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energizacioacuten de las Zonas No Interconectadas) El IPSE (Instituto para la Promocioacuten de Soluciones Energeacuteticas) es en la actualidad la institucioacuten que lidera las acciones del Estado en la energizacioacuten del campo colombiano Seguacuten esta institucioacuten hay en la actualidad maacutes de 15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones Pero ademaacutes el IPSE tiene en desarrollo soluciones innovadoras como sistemas hiacutebridos en donde se combinan por ejemplo la energiacutea solar fotovoltaica y las plantas diesel para reducir los costos de generacioacuten del diesel y emplear el generador como respaldo [29] El Estado tambieacuten cuenta con una institucioacuten encargada de recopilar la informacioacuten de la energiacutea solar disponible en el territorio colombiano el IDEAM (Instituto de Estudios Ambientales) es la entidad encargada de cumplir con esa tarea empleando la informacioacuten de 383 estaciones de brillo solar medido con helioacutegrafos Campebell-Stokes 32 estaciones de referencia y 39 estaciones radiomeacutetricas unas con actinoacutegrafo Fuess y otras con piranoacutemetros Eppley Blanco y negro y PSP Con esta informacioacuten recopilada mes a mes se corrioacute el modelo de Angstrom modificado dando como resultado los mapas de radiacioacuten solar para superficies horizontales publicados en el 2005 expuestos en el anexo 1
41
Como conclusioacuten al anterior estudio se presenta la tabla 14 en donde se muestra la energiacutea sobre metro cuadrado a lo largo del antildeo para las regiones del paiacutes
REGIOacuteN kWh119950120784antildeo
GUAJIRA 2190
COSTA ATLAacuteNTICA 1825
ORINOQUIA 1643
AMAZONIA 1551
ANDINA 1643
COSTA PACIacuteFICA 1278 Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia
Sin embargo este estudio presenta deficiencias para ser considerado adecuado a la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico debido a la poca confiabilidad de los resultados entregados para el dimensionamiento en las diferentes zonas del paiacutes ya que la densidad de estaciones climatoloacutegicas es insuficiente para el caacutelculo adecuado del modelo Angstrom modificado El caacutelculo maacutes confiable se presenta en la zona Andina debido a que en esta regioacuten la maacutes elevada del paiacutes
se tiene la mayor densidad de estaciones climatoloacutegicas por 1198961198982 mientras que en la zona paciacutefica existe la menor densidad de las mismas Adicional a esto no resulta muy uacutetil tener los mapas de radiacioacuten solar promedio mes a mes debido a que solo es informacioacuten indicativa y carece de informacioacuten maacutes detallada como radiacioacuten en un lugar especiacutefico radiacioacuten sobre un plano inclinado e incluso recomendaciones sobre una mejor inclinacioacuten y orientacioacuten del generador fotovoltaico Sin embargo existen herramientas capaces de recopilar informacioacuten de las estaciones meteoroloacutegicas existentes en una regioacuten y correr un sistema de interpolacioacuten un poco maacutes preciso con respecto a una ubicacioacuten inclinacioacuten y orientacioacuten detallada Es el caso de la base de datos llamada Meteonorm y el modelo usado por MeteoSyn para generar datos de radiacioacuten solar en un sitio determinado Ambos son usados por distintos software como es el caso de PVSOLreg que es capaz de calcular y disentildear sistemas fotovoltaicos [20] 16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA EL DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 161 Declinacioacuten Magneacutetica Se conoce como declinacioacuten magneacutetica a la diferencia entre el norte o sur magneacutetico comprendido por una bruacutejula y el verdadero o geograacutefico punto cardinal La bruacutejula se orienta con el campo magneacutetico de la Tierra que no siempre estaacute alineado con el eje de rotacioacuten por lo que la orientacioacuten de los moacutedulos
42
fotovoltaicos se debe trabajar con el norte geograacutefico y no con el magneacutetico Se presenta la figura 111 en donde se observa que para Colombia la declinacioacuten magneacutetica esta en unos 8ordm grados al Este
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica tomada de Global Top Variacioacuten Magneacutetica Disponible en httpwwwgtop-techcomesproductVariacin-magnticaSoftware_Services_16htmlprettyPhoto[rm-prd-photoshow]0
De esta manera se debe ajustar la orientacioacuten entregada con la bruacutejula con unos 8ordm al Este para aplicaciones fotovoltaicas en Colombia [10 29] 162 Trayectoria solar La posicioacuten del Sol variacutea diariamente desde el amanecer hasta el ocaso dependiendo de la latitud del lugar asiacute por ejemplo para lugares ubicados en el hemisferio Norte de la Tierra el Sol sale por el Este se desplaza en direccioacuten Sur y se pone en el Oeste Se debe aclarar que es la Tierra la que cada diacutea hace una rotacioacuten completa alrededor de su eje lo que crea una sensacioacuten estaacutetica en el observador por tanto es costumbre decir que ldquoel Sol realiza un recorrido ldquo aunque en realidad es la Tierra la que hace el recorrido alrededor del Sol se seguiraacute manejando con fines praacutecticos el termino trayectoria solar La Tierra tiene dos movimientos la rotacioacuten sobre su eje y la traslacioacuten alrededor del sol esta uacuteltima sigue una trayectoria eliacuteptica que da lugar a las estaciones del antildeo La combinacioacuten de ambos movimientos genera que se observe una variacioacuten de la trayectoria solar a lo largo del antildeo Este es un factor de intereacutes para la ubicacioacuten orientacioacuten e inclinacioacuten de los moacutedulos fotovoltaicos debido a que se intenta que esteacuten plenamente orientados hacia el Sol con el fin de que la incidencia de la luz en el panel sea siempre plena
43
Se presenta la figura 112 donde se observa dicha variacioacuten a lo largo del antildeo para la ciudad de Pereira [30]
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira disponible en SUN EARTH TOOLS Ubicador Geograacutefico Solar Disponible en httpwwwsunearthtoolscomdptoolspos_sunphplang=es
En figura 112 se muestran tres trayectorias solares la superior representa el solsticio de verano o solsticio de Junio la del medio representa una fecha de ejemplo y la inferior representa el solsticio de invierno o solsticio de Diciembre Asiacute entonces se definen dos paraacutemetros fundamentales 163 Acimut Es la localizacioacuten aparente del Sol al Este u Oeste del sur verdadero se mide en grados al Este u Oeste Se puede optimizar el rendimiento diario de los colectores si estos se fijan frente al sur geograacutefico es decir acimut 0deg 164 Inclinacioacuten del arreglo Es el aacutengulo que forma el arreglo de paneles con el plano horizontal Se intenta que este sea adecuado para que la incidencia de los rayos solares sea perpendicular a la superficie captadora [10 21] Seguacuten la imagen para que los paneles esteacuten en todo momento perfectamente inclinados hacia el sol se deberaacute estar dispuesto sobre un mecanismo de anclaje que permita la movilidad tanto en su eje horizontal como en su eje vertical Sin
44
embargo para paiacuteses cercanos a la liacutenea ecuatorial no es necesario dicho mecanismo debido a que las variaciones no son muy bruscas a diferencia de paiacuteses muy alejados de la liacutenea ecuatorial en donde si no se dispone de un sistema mecaacutenico para dicha aplicacioacuten se intenta fijar la inclinacioacuten de acuerdo a la eacutepoca del antildeo en donde se desee utilizar el sistema de captacioacuten solar asiacute entonces algunos autores especifican que para el hemisferio norte de la Tierra en eacutepocas de invierno se inclinan los paneles 20deg mayor que la latitud para primavera y verano se fijan en 10deg menor que la latitud y la utilizacioacuten para todo el antildeo 10deg mayor que la latitud La altura del Sol por encima del horizonte se llama altitud la cual se mide en grados por encima del horizonte De esta forma al amanecer y al ocaso la altitud seraacute de cero grados Para el hemisferio Norte de la Tierra cuando el Sol estaacute sobre el sur verdadero (acimut 0ordm) estaraacute en su altitud maacutexima para ese diacutea Esta hora se conoce como medio diacutea solar y variacutea a causa de la rotacioacuten de la Tierra sobre su eje inclinado Para el caso de Colombia existen maacutes cantidad de diacuteas en donde el Sol posee una trayectoria hacia el sur que hacia el norte lo que convendriacutea inclinar los paneles hacia el sur (acimut=0deg) sin embargo existen otras opciones para mejorar la captacioacuten a partir de estructuras fijas que posean la manera de variar la inclinacioacuten Asiacute entonces el usuario podraacute variar la inclinacioacuten en dos o maacutes puntos dependiendo de la estructura fijada en los paneles de tal forma que para eacutepocas del antildeo en donde sean predominantes las trayectorias solares en direccioacuten norte el arreglo pueda tener la opcioacuten de adaptarse De acuerdo a la experiencia aportada por la empresa Colombian Solar Systems sitio en donde se llevoacute a cabo este proyecto se recomienda que la inclinacioacuten de los paneles no sea menor de 10deg debido a que es la inclinacioacuten necesaria para que el agua de la lluvia y los residuos del ambiente resbalen y no sean inconvenientes para la captacioacuten solar [10 21] En la tabla 15 se da a conocer el comportamiento de la radiacioacuten en la ciudad de Pereira (estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea) con distintas inclinaciones
45
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
De la tabla 15 se observa que la radiacioacuten en los meses de Mayo Junio Julio y Agosto es mayor para inclinaciones hacia el Norte sin embargo para el resto del antildeo la radiacioacuten es mayor para inclinaciones hacia el Sur En la tabla 16 se resume el comportamiento de la radiacioacuten solar anual en la ciudad de Pereira seguacuten el software PVSOLreg
Acimut Inclinacioacuten Radiacioacuten acumulada anual en [kWhmsup2]
Descripcioacuten
180deg 30deg 1373 Cara al Norte
180deg 15deg 1505 Cara al Norte
180deg 10deg 1535 Cara al Norte
180deg 5deg 1557 Cara al Norte
0deg 0deg 1570 Horizontal
0deg 5deg 1576 Cara al Sur
0deg 10deg 1574 Cara al Sur
0deg 15deg 1563 Cara al Sur
0deg 30deg 1485 Cara al Sur Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira
EneroFebre
roMarz
oAbril Mayo Junio Julio
Agosto
Septiembr
e
Octubre
Noviembre
Diciembre
Acimut 180deg inclinacioacuten 30deg 10683 10448 12242 11513 12025 12145 12896 13125 11767 10942 9472 10036
Acimut 180deg inclinacioacuten 15deg 13369 12342 13376 12123 12182 12125 12992 13563 1263 12445 11064 12318
Acimut 180deg inclinacioacuten 10deg 14143 12849 13626 12205 12111 11992 12887 1357 12795 12829 11508 1297
Acimut 180deg inclinacioacuten 5deg 14839 13288 13809 12225 11979 11797 12716 13509 12895 13149 11899 13557
Acimut 0deg inclinacioacuten 0deg 15454 13654 13923 12182 11787 11542 12478 13378 12931 13404 12234 14075
Acimut 0deg inclinacioacuten 5deg 15981 13945 13967 12078 11536 11228 12176 13178 12901 1359 12509 14521
Acimut 0deg inclinacioacuten 10deg 16417 14159 13941 11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 12723 14889
Acimut 0deg inclinacioacuten 15deg 16759 14294 13845 11687 10867 10435 1139 12582 12648 13752 12873 15179
Acimut 0deg inclinacioacuten 30deg 17197 1422 13148 1067 952 8949 9823 11232 11802 13467 12939 15553
020406080
100120140160180200
kWhm
sup2
Radiacioacuten Aeropuerto Matecantildea para distintos planos
46
165 Objetos que crean sombra Este paraacutemetro es de suma importancia para el disentildeo de cualquier sistema fotovoltaico debido a que afecta netamente el rendimiento de los paneles Este factor es muy variable de acuerdo a la ubicacioacuten del lugar Se pretende que las sombras sean reducidas lo maacuteximo posible sin embargo estas suelen aparecer con mayor persistencia en eacutepocas del antildeo donde la altitud del Sol es menor Un meacutetodo para evaluar sombras en Colombia constariacutea del anaacutelisis de los diacuteas en donde la altitud del Sol es menor asiacute entonces tendriacutea en cuenta los diacuteas de solsticio de Junio (21 de Junio) y el solsticio de Diciembre (21 de Diciembre) para hacer un anaacutelisis visual de sombras que intervienen en el arreglo y evaluar si estas pueden ser retiradas para mejorar la captacioacuten o por el contrario no es posible retirarlas lo que conlleva a un menor rendimiento [10]
47
Capiacutetulo 2
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Los sistemas autoacutenomos o independientes de la red son una buena opcioacuten para
abastecer de energiacutea eleacutectrica zonas de difiacutecil acceso constan de un arreglo
fotovoltaico encargado de transformar la energiacutea proveniente del Sol en energiacutea
eleacutectrica un banco de bateriacuteas que se encargaraacute de suministrar energiacutea en horas
del diacutea en donde la radiacioacuten sea miacutenima o nula un regulador encargado de
adecuar la tensioacuten y la corriente para cargar el banco de bateriacuteas y protegerlo de
sobrecargas y descargas profundas y un inversor que convierte la corriente
continua en corriente alterna adecuada para suministrar las cargas
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTOacuteNOMO
Para entender el funcionamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo se necesita
comprender el funcionamiento de cada uno de los elementos que lo componen
para posteriormente entrar en detalles en el modelamiento del sistema fotovoltaico
como tal
211 El panel fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos tienen como misioacuten captar la energiacutea en forma de
fotones provenientes del Sol para generar corriente eleacutectrica capaz de ser
almacenada y aprovechada para cualquier uso
Estaacuten compuestos de ceacutelulas solares que al ser tratadas individualmente no seriacutean
capaces de proporcionar niveles de tensioacuten y corriente adecuados para el
consumo Son fraacutegiles eleacutectricamente no aisladas y carecen de soporte mecaacutenico
es por estas razones que es necesario ensamblarlas de una manera adecuada
para constituir una estructura uacutenica riacutegida y hermeacutetica
En el conjunto del panel FV las ceacutelulas o celdas solares deben ser iguales de lo
contrario se presentaraacuten sectores en el panel fotovoltaico con altas temperaturas
Estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute en serie yo en paralelo de forma que la
tensioacuten y corriente alcancen valores adecuados Es frecuente que primero se
conecten ceacutelulas en serie hasta ajustar un nivel de tensioacuten y posteriormente
asociar en paralelo varias cadenas de esta serie para alcanzar niveles de corriente
deseados [21]
2111 Estructura de los paneles solares
48
Aunque cada empaquetadura puede variar entre distintos fabricantes existen
varias caracteriacutesticas comunes entre ellos como el uso de una estructura de
ldquoSaacutendwichrdquo donde ambos lados de las ceacutelulas quedan mecaacutenicamente protegidos
Los paneles solares estaacuten formados por los siguientes elementos cubierta frontal
material encapsulante ceacutelulas o celdas solares y sus conexiones eleacutectricas
cubierta posterior y arco metaacutelico Otros elementos que pueden llegar a ser parte
del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores [21]
Figura 21 Componentes de un panel solar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar
Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
21111 La cubierta frontal
Sirve para proteger las ceacutelulas contra las inclemencias del tiempo e impactos Es
vidrio templado de 3 a 4mm de espesor y al que se le ha dado una textura que
minimiza la reflexioacuten de la luz y favorece la transmisioacuten hacia el material
semiconductor en algunos casos de hasta el 91 Tambieacuten los hay en materiales
orgaacutenicos y plaacutesticos de alta resistencia [15 21]
21112 El material encapsulante
Se encuentra entre el vidrio y las ceacutelulas y tambieacuten las recubre en la parte
posterior Se intenta que sea un material con iacutendice de refraccioacuten parecido al del
vidrio utilizado en la cubierta frontal con el fin de evitar peacuterdidas producidas por el
traspaso de la radiacioacuten entre el aire encapsulado por la cubierta frontal y la ceacutelula
49
Tiene la funcioacuten de proteger la ceacutelula de la entrada de polvo impurezas agua y
acumulacioacuten de humedad ademaacutes de proporcionar amortiguamiento de impactos
y absorber tensiones debido a sus caracteriacutesticas elaacutesticas Es usual que este
material sea un copoliacutemero denominado EVA (etileno-vinil-acetato) este no se
degrada faacutecilmente solo a temperaturas y niveles de iluminacioacuten muy elevados
Los paneles que usan laacuteminas plaacutesticas en la superficie colectora suelen perder
hasta un 20 del valor inicial de transmisividad despueacutes de muchos antildeos de uso
(aproximadamente 20 antildeos) mientras que los que usan vidrio templado pierden
alrededor de 5 debido a que este material resiste la accioacuten deteriorante de los
rayos ultravioleta [21]
21113 La cubierta posterior
Sirve de proteccioacuten y cerramiento al moacutedulo fundamentalmente contra los agentes
atmosfeacutericos ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad Estaacute
formada por varias capas de un aislante eleacutectrico llamado Tedlar que al ser
opacas y de color blanco reflejan la luz que ha logrado pasar por las ceacutelulas
haciendo que vuelva a la parte frontal donde puede ser reflejada e incidir de
nuevo en las ceacutelulas En otros casos la cubierta posterior puede ser de aluminio
con lo que mejora la disipacioacuten de calor al exterior lo cual es un factor muy
importante para determinar la potencia de salida de un panel FV [21]
21114 El marco metaacutelico
Es la parte que le da rigidez y permite que se pueda formar montando estructuras
Es de Aluminio anodizado acero inoxidable o similar con soporte para poder
empotrar al moacutedulo en una estructura Este debe estar conectado a un conductor
de toma a Tierra [21]
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica
Las cajas de conexioacuten se encuentran situadas en la parte inferior del panel y
tienen acceso a los bornes del panel (terminal positivo y negativo del panel)
Deben ser lo suficientemente aisladas para que no exista presencia de humedad y
por tanto oxidacioacuten y aumento de resistencia que generen puntos calientes en el
moacutedulo FV Tambieacuten es el lugar en donde se encuentran los diodos de by-pass y
diodos de bloqueo [10]
21116 Diodos de by-pass
Para entender el funcionamiento de los diodos de bypass es necesario hacer un
breve eacutenfasis en el circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
Circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
50
El circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica se representa en la siguiente
figura
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira
I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
V es la tensioacuten en el maacuteximo punto potencia de la ceacutelula fotovoltaica
IL es la corriente fotogenerada por la ceacutelula fotovoltaica
D es un diodo en paralelo que simula la unioacuten p-n
Rs es la resistencia serie de la ceacutelula originada por la oposicioacuten a la corriente en
el emisor la base los electrodos de la ceacutelula solar y los contactos o uniones entre
estos y el semiconductor Se busca disminuir la magnitud de esta resistencia para
volver la ceacutelula maacutes eficiente y para esto es clave que los fabricantes de ceacutelulas o
celdas realicen un buen disentildeo de la ceacutelula solar en el que los contactos
metaacutelicos frontales sean oacuteptimos
Rp es la resistencia paralelo que ofrece un camino alternativo para la corriente
fotogenerada En lugar de fluir a traveacutes de la unioacuten p-n fluye a traveacutes de la
resistencia paralelo de modo que se reduce el voltaje de la ceacutelula Cuanto menor
sea la resistencia paralelo maacutes corriente podraacute desviarse por ella afectando su
eficiencia El impacto de esta resistencia paralelo es elevado sobre todo cuando la
ceacutelula trabaja a baja irradiancia La resistencia paralelo suele ser baja debido a
defectos de fabricacioacuten por lo que para maximizarla es necesario mantener un
buen control del proceso productivo
La unioacuten de varias ceacutelulas fotovoltaicas crean un moacutedulo o panel solar asiacute
entonces eleacutectricamente se puede representar de la siguiente manera
51
Figura 23 modelo eleacutectrico de un panel solar tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira I
Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La anterior imagen muestra una cadena de 5 ceacutelulas fotovoltaicas expuestas a una
radiacioacuten de 1000wm2 y 25degc
Sus caracteriacutesticas eleacutectricas son
IL = 51A (corriente que la ceacutelula transforma de la radiacioacuten bajo esas
condiciones)
V = 051 (Tensioacuten alcanzada por la ceacutelula bajo dichas condiciones)
Al analizar el conjunto de las 5 ceacutelulas tenemos
Iconjunto = 51A
Vmaacutex= 255A
Cuando una ceacutelula fotovoltaica se ve afectada por una sombra esta ya no puede
producir corriente convirtiendo la fuente de corriente en un circuito abierto A
continuacioacuten se muestra la representacioacuten eleacutectrica de dicho suceso
52
Figura 24 modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute
Universitat Rovira I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico
Disponible en httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La trayectoria azul muestra el camino que tomariacutea la corriente con la ceacutelula 3
afectada por una sombra Esta condicioacuten hace que la ceacutelula 3 se convierta en una
carga resistiva haciendo que pueda sufrir dantildeos por recalentamiento y que toda la
cadena de ceacutelulas disminuya su tensioacuten
Explicado el anterior fenoacutemeno los diodos de by-pass tienen como principal
funcioacuten proteger las ceacutelulas parcialmente sombreadas ofreciendo un camino con
menor impedancia a la corriente y asiacute evitando que eacutesta dantildee teacutermicamente las
ceacutelulas parcialmente sombreadas La siguiente imagen muestra el camino de la
corriente cuando hay una ceacutelula bajo sombra y con presencia de diodos de by-
pass [2131-33]
Figura 25 funcionamiento de diodo de bypass tomada de Energeacutetica Futura iquestQueacute es el problema del Punto Caliente en moacutedulos fotovoltaicos Disponible en
53
httpenergeticafuturacomblogC2BFque-es-el-problema-del-punto-caliente-en-modulos-fotovoltaicos
21117 Diodos de bloqueo
Para sistemas aislados es comuacuten acoplar a un arreglo fotovoltaico un conjunto de
bateriacuteas estas pueden dantildear los moacutedulos cuando exista poca o nula radiacioacuten
(horas de la noche) descargaacutendose energiacutea acumulada sobre los paneles
dantildeando teacutermicamente las ceacutelulas fotovoltaicas Los diodos de bloqueo evitan que
las bateriacuteas se descarguen sobre el arreglo proporcionando un camino de muy alta
impedancia Tambieacuten evitan que el flujo de corriente se invierta entre bloques de
paneles conectados en paralelo cuando en uno o varios de ellos se produce una
sombra Estos diodos de bloqueo deben ser capaces de soportar la corriente de
cortocircuito y el voltaje de circuito abierto del campo completo como norma se
toma que puedan soportar dos veces la corriente de cortocircuito y la tensioacuten de
circuito abierto del arreglo fotovoltaico [21]
La siguiente imagen resume la conexioacuten de diodos de by-pass y diodos de
bloqueo con un arreglo de paneles y una bateriacutea
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar
Las caracteriacutesticas de salida de un moacutedulo o panel solar se representan en la
curva I-V que muestra la relacioacuten de salida entre la corriente y la tensioacuten La
mayoriacutea de estas curvas las proporciona el fabricante del panel y estaacuten estudiadas
bajo condiciones normalizadas de pruebas conocidas como STC (Standard Test
Conditions) [10]
Estas pruebas constan de
Irradiancia 1000wm2
54
Temperatura 25degc (77degF)
Espectro luminoso = 15 masa de aire
La corriente de salida variacutea en funcioacuten del voltaje en la carga y su temperatura de
trabajo La siguiente figura muestra en forma graacutefica dicha relacioacuten cuando el
nivel de radiacioacuten permanece constante para un panel en particular
Figura 27 curva caracteriacutestica de una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV) Cells
Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Si bien la anterior imagen muestra la salida de un panel en particular se podriacutea
decir que los demaacutes paneles de silicio del mercado van a tener un comportamiento
similar Se puede observar que el valor maacuteximo para la tensioacuten de salida es
cuando la corriente es nula a este punto se le llama tensioacuten de circuito abierto
(Voc) mientras que la corriente llega a su valor maacuteximo cuando la tensioacuten es nula
a este punto se lo conoce como corriente de corto-circuito (I119888119888) Tambieacuten se puede
observar el punto de maacutexima potencia este es el valor donde el aacuterea bajo la curva
I-V es maacutexima cada panel solar suele especificar este valor con Vmp (Maximun
point voltage)
La salida del panel solar depende baacutesicamente de dos factores fundamentales la
temperatura y la radiacioacuten solar A continuacioacuten se muestran dos imaacutegenes en
donde se observa la influencia en la salida de una celda al variar estos dos
paraacutemetros
55
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV)
Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Figura 29 efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar tomada de ITACA Photovoltaic
(PV) Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-
cells
De la figura 29 se puede resaltar que la corriente que genera el panel depende de
la radiacioacuten solar permaneciendo la tensioacuten aproximadamente constante
De acuerdo a lo anterior tiene mucha importancia la orientacioacuten y la inclinacioacuten
respecto a la horizontal debido a que la radiacioacuten variacutea a lo largo del diacutea en
funcioacuten de la inclinacioacuten del Sol respecto al horizonte
56
De la figura 28 se puede resaltar que el aumento de la temperatura en las ceacutelulas
genera una disminucioacuten de la tensioacuten del panel permaneciendo casi constante la
corriente Asiacute entonces la ventilacioacuten adecuada del panel fotovoltaico va a jugar un
papel importante respecto a la tensioacuten de salida del mismo
El efecto global del aumento de la temperatura de trabajo del panel es que la
potencia del panel disminuya lo que generariacutea la necesidad de instalar maacutes
paneles para una aplicacioacuten y una temperatura baja podriacutea aumentar
draacutesticamente la tensioacuten poniendo en riesgo los elementos que completan el
sistema fotovoltaico [10 15 21 35]
212 Bateriacuteas
Se intenta que un sistema fotovoltaico aislado cubra todas las necesidades de
consumo sin importar la hora del diacutea o las inclemencias del clima Las bateriacuteas
almacenan la energiacutea eleacutectrica de la corriente directa en forma quiacutemica para su
uso posterior Como la cantidad de energiacutea que brinda un arreglo fotovoltaico variacutea
de acuerdo a la alteracioacuten de las condiciones climaacuteticas un sistema de
almacenaje puede brindar una fuente de energiacutea relativamente constante cuando
el sistema fotovoltaico produce una energiacutea pequentildea siempre y cuando este
mismo sistema haya producido la energiacutea necesaria para cargar el sistema de
almacenaje
Los elementos que componen un sistema fotovoltaico no son 100 eficientes y las
bateriacuteas no son la excepcioacuten en las bateriacuteas cierta cantidad de energiacutea se pierde
como el calor y las reacciones quiacutemicas durante la carga y la descarga por ende
el sistema fotovoltaico ademaacutes de prever la carga de estaacute sistema tambieacuten debe
tener en cuenta este hecho
Aunque se generaliza que un sistema fotovoltaico aislado posea un sistema de
almacenamiento para ciertas aplicaciones no son necesarias es el caso de
sistemas de bombeo de agua durante el diacutea a tanques de almacenamiento
motores de ventilacioacuten de invernaderos que solo funcionen en el diacutea ventiladores
para usos en donde solo el Sol brilla entre otros
Los sistemas interconectados a la red no necesariamente necesitan bateriacuteas
aunque ellas pueden ser usadas como fuente de respaldo cuando la energiacutea
convencional falle involucrarlas significa un inversor maacutes sofisticado mayores
costos y un sistema menos eficiente
Existen muchos tamantildeos de bateriacuteas Las maacutes pequentildeas comuacutenmente utilizadas
en linternas y radios estaacuten catalogadas como bateriacuteas ldquodesechablesrdquo o ldquoprimariasrdquo
las bateriacuteas para estos mismos usos pero recargables se las denomina
57
ldquosecundariasrdquo Las bateriacuteas recargables de niacutequel cadmio (nicad o NICd) se usan
comuacutenmente para grandes cargas estacionarias tales como aplicaciones
industriales cargas diarias en el sector rural y residencial y pequentildeos aparatos
portaacutetiles
Los fabricantes de bateriacuteas garantizan el funcionamiento de las bateriacuteas en
funcioacuten de ciclos estos ciclos son la secuencia de cargar y descargar una bateriacutea
esta accioacuten puede ocurrir varias veces al diacutea dependiendo de la aplicacioacuten asiacute
entonces si se desea preservar la vida del banco de bateriacuteas es necesario
dimensionar de manera adecuada el nuacutemero de bateriacuteas con el fin de no
descargar tan frecuentemente el sistema [10 15 21]
2121 Tipos de bateriacuteas
Los siguientes tipos de bateriacuteas se usan comuacutenmente para aplicaciones
fotovoltaicas
Bateriacuteas de plomo-aacutecido
- De liacutequido ventilada (vaso abierto)
- Selladas (plomo aacutecido de vaacutelvula regulada)
Bateriacuteas alcalinas
- Niacutequel cadmio
- Niacutequel hierro
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecido
En algunos paiacuteses es muy comuacuten usar este tipo de bateriacuteas para aplicaciones
fotovoltaicas a escala residencial debido a que son recargables ampliamente
accesibles relativamente baratas y disponibles en distintos tamantildeos de
almacenamiento nominal son de faacutecil mantenimiento y vida relativamente alta son
bateriacuteas muy similares a las usadas por los automoacuteviles convencionales sin
embargo las diferencia su construccioacuten y su aplicacioacuten las bateriacuteas para
automoacuteviles no son recomendadas para usos fotovoltaicos debido a que ellas no
estaacuten disentildeadas para ldquociclos profundosrdquo estas estaacuten disentildeadas para descargar
grandes cantidades de corriente durante cortos intervalos de tiempo para despueacutes
ser inmediatamente cargada por el alternador o generador del vehiacuteculo
Los sistemas fotovoltaicos a menudo necesitan descargar pocas cantidades de
corriente durante largos periodos de tiempo y ser cargadas en condiciones
irregulares Una bateriacutea para ldquociclo profundordquo puede ser descargada hasta el 80
de su capacidad nominal Una bateriacutea de vehiacuteculo solo puede durar unos pocos
58
ciclos bajo tales condiciones mientras que un banco de bateriacuteas para uso
fotovoltaico puede durar de 3 a 10 antildeos e incluso maacutes
Este tipo de bateriacuteas se pueden subdividir en bateriacuteas de plomo-aacutecido de
electrolito liacutequido conocidas como ldquovaso abiertordquo y de plomo-aacutecido selladas
conocidas como ldquoVRLArdquo [10 15]
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abierto
Estas bateriacuteas tienen una construccioacuten muy similar a la que se utiliza en los
automoacuteviles con placas positivas y negativas hechas de plomo y aleaciones de
plomo sumergidas en una solucioacuten electroliacutetica de aacutecido sulfuacuterico y agua A
medida que esta se descarga a niveles muy altos esta produce hidroacutegeno gaseoso
y es expulsado de la bateriacutea este desecho es altamente explosivo esta situacioacuten
obliga a que el ambiente en donde se instalen estas bateriacuteas sea lo maacutes aislado
posible evitando chispas de calentadores de gas arranques de motores etc Asiacute
entonces el uso de estas bateriacuteas obliga al uso de alguacuten sistema de control de
tensioacuten eleacutectrica para regular el voltaje de la bateriacutea y evitar descargas peligrosas
Cuando las aberturas de salida de bateriacutea eliminan gases se pierde agua por lo
que debe rellenarse perioacutedicamente Algunas bateriacuteas estaacuten equipadas con tapas
recombinatorias que capturan los gases y los devuelven a la bateriacutea en forma de
agua Las bateriacuteas de ciclo profundo duraraacuten maacutes si se protege de descargas
completas Los controladores con desconexioacuten de bajo voltaje (LVD por sus siglas
en ingleacutes) protegen a la bateriacutea de descargas completas Estas bateriacuteas al igual
que las de los automoacuteviles tienen mayor eficiencia a temperaturas altas sin
embargo en estas condiciones las bateriacuteas duraraacuten menos ciclos [10 15]
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto tomada de AMB Green Power BATERIAS
SOLARES TROJAN Disponibles en httpwwwambgreenpowercombaterias_solares_trojanaspx
59
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA
Al contrario de las bateriacuteas con vasos abiertos las bateriacuteas reguladas por vaacutelvulas
VRLA no tienen tapa y por tanto no tienen acceso al electrolito sin embargo no
estaacuten totalmente selladas una vaacutelvula permite que el exceso de presioacuten escape
en caso de sobrecarga Este tipo de bateriacuteas son libres de mantenimiento
Los dos tipos de bateriacuteas selladas usadas comuacutenmente en los sistemas
fotovoltaicos son la celda de gel y de lana de vidrio absorbente (AGM por sus
siglas en ingles) En las bateriacuteas tradicionales de celda de gel el electrolito se
lleva a estado coloidal o se gelifica por la adicioacuten de un material llamado siacutelica gel
que convierte el liacutequido en una masa coloidal Las bateriacuteas AGM usan una tela de
vidrio de un material siacutelice fibrosa para mantener el electrolito Esta tela o malla
suministra depoacutesitos o bolsillos que ayudan en la recombinacioacuten de gases
generados durante la carga y limita la cantidad de hidroacutegeno gaseoso producido
Este tipo de bateriacuteas son a prueba de derrame El electrolito gelificado no puede
derramarse ni aun en caso de rotura Esto les permite ser transportadas y
manipuladas con seguridad otra gran ventaja de estas bateriacuteas respecto a las
bateriacuteas de plomo acido de vaso abierto es que eacutestas se pueden enviar por avioacuten
sin necesidad de ser transportadas secas como es el caso de las bateriacuteas de vaso
abierto que es necesario que sean activadas en el sitio con la adicioacuten del
electrolito sin embargo las bateriacuteas de celdas de gel cuestan maacutes por unidad de
capacidad [10 15]
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA tomada de MTEK Bateriacutea GEL
100Ah Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID44CatID11Defaultaspx
60
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM tomada de MTEK Bateriacutea AGM 12volts 150Ah
Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID53CatID10Defaultaspx
21212 Bateriacuteas alcalinas
Las bateriacuteas alcalinas como las bateriacuteas de niacutequel cadmio y niacutequel hierro tambieacuten
tienen placas negativas y positivas sumergidas en un electrolito que usualmente
es de hidroacutexido de potasio Cada celda de la bateriacutea tiene una tensioacuten nominal de
12 volts y el punto de terminacioacuten de carga es entre 165v y 18v por celda
Tienen una gran ventaja respecto a las bateriacuteas de plomo aacutecido y es su
independencia respecto a la temperatura lo que las hace ideales para trabajar a
temperaturas extremadamente friacuteas como -45ordmc o menos sin embargo son mucho
maacutes costosas (de 6 a 8 veces) que las de plomo aacutecido lo que las vuelve poco
viables para esta aplicacioacuten
A pesar que son bateriacuteas maacutes costosas que las bateriacuteas de plomo-aacutecido estas
pueden tener un costo operacional maacutes bajo debido a su larga vida uacutetil y al poco
mantenimiento que necesitan Sus caracteriacutesticas maacutes sobresalientes son su
capacidad para soportar sin dantildeo cargas y descargas excesivas asiacute como una
mayor profundidad de descarga (cerca del 100) tienen una mayor eficiencia con
baja temperatura ambiente y altas humedades y evitan problemas de sulfatacioacuten
de las placas o congelacioacuten del electrolito [10 15]
2122 Especificaciones de las bateriacuteas
Las bateriacuteas poseen especificaciones de placa que deben ser tenidas en cuenta
para el uso en aplicaciones fotovoltaicas Las maacutes importantes se explican a
continuacioacuten
21221 Capacidad de la bateriacutea
La capacidad de la bateriacutea es sin duda un aspecto importante de las bateriacuteas esta
se valora en los amperios hora que puedan almacenar Una manera anaacuteloga muy
faacutecil de explicar este paraacutemetro es comparaacutendolo con un balde con agua en
61
donde el agua es anaacuteloga a la energiacutea y la capacidad en Ah se representa con la
capacidad de almacenamiento de agua del balde
En teoriacutea los amperios hora son la capacidad para que una bateriacutea entregue (o
almacene) cierta cantidad de amperios en un tiempo especiacutefico Asiacute entonces una
bateriacutea de 100Ah puede suministrar 100 amperios en 1 hora o 50 amperios en 2
horas etc Antes de que la bateriacutea se considere descargada sin embargo muchos
factores pueden afectar la capacidad de la bateriacutea como el ritmo de descarga la
temperatura la eficiencia del inversor la eficiencia del regulador el tiempo de uso
de la bateriacutea entre otros
Es comuacuten que para un sistema fotovoltaico las cargas necesiten maacutes de una
bateriacutea para su funcionamiento a este conjunto de bateriacuteas se le conoce como
ldquobanco de bateriacuteasrdquo y la capacidad de este se deberaacute calcular en funcioacuten de las
cargas a alimentar y de los diacuteas de autonomiacuteas o diacuteas de respaldo en caso de
radiacioacuten miacutenima
Sobredimensionar el banco de bateriacuteas por conexioacuten de nuevas bateriacuteas para
aumentar la capacidad de almacenamiento del banco puede generar varios
problemas entre ellos el que las viejas bateriacuteas degraden el comportamiento de
las nuevas bateriacuteas a causa de que la resistencia interna de las celdas de las
bateriacuteas nuevas es mayor que el de las bateriacuteas viejas ademaacutes al conectar
muchas bateriacuteas aumenta la probabilidad de fallas debido a celdas defectuosas y
al sobredimensionar el arreglo de bateriacuteas respecto al arreglo fotovoltaico se
genera un estado de carga parcial entre las bateriacuteas que causa acortamiento de
vida uacutetil del banco reduccioacuten de la capacidad y aumento en la sulfatacioacuten Es por
estas razones que los fabricantes de bateriacuteas prohiacuteben antildeadir nuevas bateriacuteas a
un banco ya existente [15]
21222 Ritmo y profundidad de descarga
El ritmo a la que se descarga la bateriacutea afecta directamente su capacidad Si la
bateriacutea se descarga raacutepidamente hay menos capacidad disponible y si por el
contrario una bateriacutea se descarga lentamente tendraacute maacutes capacidad para
entregar Asiacute por ejemplo una bateriacutea de 2 voltios con una capacidad de 2500Ah
puede entregar 131A en 20 horas lo que seriacutea equivalente a 2620Ah y 446A en 5
horas lo equivalente a 2230Ah (Ver anexo 2 Especificaciones de fabricante
MTEK para bateriacutea modelo MT225000D Constant Current Discharge
Characteristics) Asiacute entonces se especifican bateriacuteas con la capacidad de la
bateriacutea respecto al nuacutemero de horas en que se descarga De esta forma si una
bateriacutea entrega una capacidad de almacenamiento debe especificar tambieacuten el
nuacutemero de horas en que se descarga Es comuacuten que los fabricantes valoren este
62
dato en 20 horas y lo especifiquen con un C20 sin embargo hay fabricantes que
especifican este dato en un C10
Teniendo en cuenta lo anterior existe un tiempo involucrado en la carga de las
bateriacuteas que debe ser tenido en cuenta por el arreglo fotovoltaico y es que si se
necesita con urgencia cargar el banco de bateriacuteas se necesitaran maacutes paneles
que puedan generar dicha energiacutea o si por el contrario existe una mayor tolerancia
en el tiempo de carga de la bateriacutea el arreglo no necesita mucha energiacutea extra a la
de las cargas para cargar el banco de bateriacuteas Esta variable se llama Tiempo de
recuperacioacuten del sistema y se trataraacute en la seccioacuten de ldquoparaacutemetros necesarios
para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomordquo
La profundidad de descarga (PDD por sus siglas en ingleacutes) se refiere a la
capacidad que puede obtenerse de una bateriacutea La mayoriacutea de los sistemas
fotovoltaicos estaacuten disentildeados para descargas regulares del 40 y 80 La vida
de la bateriacutea estaacute relacionada directamente con la profundidad del ciclo de la
bateriacutea Por ejemplo si una bateriacutea se descarga 50 cada diacutea esta duraraacute
alrededor del doble que si se descargara el 80 Las bateriacuteas de plomo aacutecido
nunca deben descargarse completamente aunque algunas bateriacuteas de ciclo
profundo pueden sobrevivir bajo estas condiciones su tensioacuten decreceraacute
continuamente Sin embargo las bateriacuteas de NiCd pueden descargarse totalmente
sin sufrir dantildeos y manteniendo su tensioacuten
Los bancos de bateriacuteas de poca profundidad que descargan bateriacuteas solo entre el
10 y el 20 tienen dos ventajas diferentes Primero es que se preserva la
duracioacuten de la bateriacutea como se muestra en la figura siguiente en donde a menor
profundidad de descarga mayor nuacutemero de ciclos la bateriacutea puede resistir y
segundo es que el sistema puede llegar a ser maacutes confiable debido a que se crea
una reserva de energiacutea que se puede usar en situaciones de clima criacuteticas Sin
embargo crear un banco con estas especificaciones puede ser demasiado
costoso debido a que involucrariacutea mayor nuacutemero de bateriacuteas asiacute entonces se
debe buscar una buena relacioacuten de costo- confiabilidad Es usual encontrar un alto
nuacutemero de ciclos y un banco relativamente econoacutemico trabajando a un 50 de
PDD
A continuacioacuten se muestra la relacioacuten PDD vs ciclos para una bateriacutea promedio
63
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea
Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
Los fabricantes de bateriacuteas especifican que la esperanza de vida de una bateriacutea
se mide en nuacutemero de ciclos Las bateriacuteas pierden capacidad con el tiempo y se
considera que han llegado al final de su vida uacutetil cuando han perdido el 20 de su
capacidad nominal
La anterior imagen muestra la relacioacuten existente entre el porcentaje de descarga
promedio y el nuacutemero de ciclos para una bateriacutea sellada de bajo costo Asiacute
entonces una bateriacutea de estas caracteriacutesticas con un uso de poca profundidad de
solo el 25 de PDD podriacutea durar cerca de unos 4000 ciclos mientras que una
bateriacutea con un uso de 80 de PDD solo podraacute durar unos 1500 ciclos
Los Ah de una bateriacutea se miden de acuerdo a la tensioacuten que esta tiene en sus
bornes es decir que si esta descargada mediraacute una tensioacuten por debajo de su
tensioacuten nominal y cuando es cargada por completo tendraacute una tensioacuten superior
Esta es la manera de medir el estado de carga de las bateriacuteas por parte de los
instrumentos de control de un sistema fotovoltaico de esta forma se logra
controlar el PDD para evitar descargas profundas y disminuir la esperanza de vida
de la bateriacutea [10 15]
21223 Condiciones ambientales
Las bateriacuteas son sensibles a la temperatura del entorno que las rodea y por tanto
es necesario tener en cuenta este factor La temperatura afecta la capacidad de
Ah que esta puede dar en general los fabricantes entregan la capacidad de la
bateriacutea a 25degc sin embargo la capacidad de esta decreceraacute a menores
temperaturas y aumentaraacute a mayores temperaturas Lo anterior respecto a la
capacidad de la bateriacutea lo contrario ocurre para la esperanza de vida o el nuacutemero
de ciclos que esta puede soportar en donde a temperaturas por encima de 25degc la
64
esperanza de vida disminuye y por debajo de los 25degc la esperanza de vida
aumenta La mayoriacutea de los fabricantes aseguran que hay una peacuterdida de vida del
50 por cada 15degF (83degc) que se incrementen por encima de los 77degF (25degc) de
temperatura estaacutendar de la bateriacutea
De esta forma se intenta que el banco de bateriacuteas sea ubicado en un lugar
ventilado y aislado por el peligro de explosioacuten que existe cuando las reacciones
quiacutemicas desechan hidroacutegeno pues este es explosivo y nocivo para la salud [10]
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacutea
Para medir un estado de carga de una bateriacutea es usual utilizar un voltiacutemetro
aunque tambieacuten se puede medir con un densiacutemetro midiendo la densidad del
electrolito este meacutetodo no es tan comuacuten por el costo del aparato de medicioacuten y
porque seriacutea imposible medir de esta forma la carga de una bateriacutea sellada tipo
GMA o tipo GEL asiacute entonces se adopta con mucha maacutes frecuencia medir la
tensioacuten en los bornes de las bateriacuteas en reposo es decir desconectarlas de las
fuentes y de las cargas por unas horas La tensioacuten obtenida por este meacutetodo
puede ser consultada con tablas anexas a los manuales de las bateriacuteas
suministradas por el fabricante aunque es comuacuten adoptar los siguientes valores
[10 36]
ESTADO DE CARGA TENSIOacuteN BATERIacuteAS TIPO VASO ABIERTO
100 128
75 125
50 122
25 119
0 116 Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea
213 Regulador de carga
La energiacutea solar tiene una naturaleza muy variable lo que causariacutea problemas a la
hora de disponer de ella directamente mediante un arreglo fotovoltaico para
suministrar energiacutea a equipos sensibles de tensioacuten y corriente es por esto que se
han desarrollado dispositivos que controlan en cierta forma la conversioacuten de
energiacutea solar a eleacutectrica Bajo esta premisa se han desarrollado los reguladores de
carga o controladores solares que para un sistema aislado intentan acoplar el
arreglo fotovoltaico con el banco de bateriacuteas adecuando de cierta forma la tensioacuten
y la corriente al banco de bateriacuteas para el correcto funcionamiento de este
evitando primordialmente sobrecargas y descargas profundas que pueden acortar
la esperanza de vida de las bateriacuteas La mayoriacutea de reguladores disponibles en el
65
mercado se instalan entre el arreglo fotovoltaico y las bateriacuteas tomando de estas
la energiacutea para su funcionamiento
Los reguladores de carga actuales poseen varios microcontroladores programados
para analizar el estado de carga de las bateriacuteas tensioacuten y corriente del arreglo con
el fin de tomar decisiones adecuadas para cargar las bateriacuteas de forma adecuada
algunos de estos poseen un bus de datos para proporcionar dicha informacioacuten al
usuario dando a conocer posibles problemas en el sistema
Asiacute entonces las prestaciones maacutes habituales de los reguladores de carga que se
usan en instalaciones solares autoacutenomas son las siguientes
Proteccioacuten contra sobrecarga del banco de bateriacuteas es la funcioacuten maacutes baacutesica del
regulador con la cual evita que la bateriacutea se caliente pierda agua el electrolito
(para bateriacuteas plomo-acido vaso abierto) y que las placas se oxiden
Alarma por tensioacuten de bateriacutea baja cuando la tensioacuten del banco de bateriacuteas
alcanza niveles bajos (especificados por el fabricante) significa que esta
descargado y corre peligro en caer en una descarga profunda Esta alarma
informa a los usuarios de este problema con el fin de que estos regulen su
consumo de energiacutea sin embargo esta no siempre es la solucioacuten lo que obliga al
regulador a desconectar las cargas mediante relees electromecaacutenicos
incorporados en el dispositivo con el fin de concentrar toda la energiacutea en el banco
de bateriacuteas y restablecer el suministro una vez superado el inconveniente [10]
Existen dos tipos de reguladores de carga para uso fotovoltaico reguladores con
modulacioacuten de ancho de pulso conocidos como reguladores PWM (Pulse Width
Modulation) y reguladores con seguimiento del maacuteximo punto de potencia
conocidos como reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking)
2131 Reguladores PWM
Los reguladores de carga solares PWM facilitan una conexioacuten directa desde el
panel solar hacia el banco de bateriacuteas proporcionando la tensioacuten necesaria para
que este se cargue siempre y cuando el arreglo fotovoltaico lo facilite Asiacute
entonces un regulador PWM ajusta niveles de tensioacuten de acuerdo a la tensioacuten
necesitada por el banco de bateriacuteas y este va a disminuyendo su tensioacuten de
acuerdo a la energiacutea que vaya almacenando esta condicioacuten genera que el arreglo
fotovoltaico no aproveche toda la potencia que puede generar y ser aprovechada
por las cargas es decir que este tipo de reguladores no garantiza operar en el
punto donde el arreglo fotovoltaico proporciona mayor cantidad de potencia este
punto se lo conoce con las siglas MPP (Maximun Power Point)
66
Un ejemplo tiacutepico es un sistema a 12V en donde se tiene una sola bateriacutea de
plomo aacutecido AGM que opera en un rango aproximado entre 10V y 15V
dependiendo del estado de carga un moacutedulo tiacutepico para cargar esta bateriacutea tiene
una tensioacuten Vmp = 17V asiacute entonces el regulador PWM se ve obligado a reducir
esta tensioacuten a un valor entre 10V y 15V para cargar la bateriacutea haciendo que el
panel no pueda aprovechar toda su capacidad
La siguiente imagen ilustra dicho comportamiento
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar tomada de MORNINGSTAR
Traditional PWM vs Morningstarrsquos TrakStartrade MPPT Technology Disponible en
httpwwwmorningstarcorpcomwp-contentuploads201404Morningstar-Corporation-Traditional-
PWM-vs-TrakStar-MPPT-Whitepaper-April-2013pdf
De esta forma se observa que con reguladores PWM entre mayor sea la diferencia
de la tensioacuten del arreglo fotovoltaico a la del banco de bateriacuteas menor seraacute el
aprovechamiento de energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico es decir que hay
energiacutea que se desperdicia bajo estas condiciones Esto puede ser aun peor
cuando la temperatura disminuye debido a que la tensioacuten aumenta y se
desperdicia auacuten maacutes energiacutea que con un regulador MPPT se podriacutea aprovechar
para cargar de una mejor manera las bateriacuteas y mejor suministro de energiacutea a las
cargas
Para el uso de un regulador PWM se recomienda tener en cuenta varios factores
por parte del arreglo fotovoltaico como verificar que la tensioacuten de circuito abierto a
bajas temperaturas (maacutexima tensioacuten de un arreglo fotovoltaico) del arreglo no
supere la tensioacuten maacutexima del regulador esto debido a que puede estropear su
funcionamiento y en peores casos dantildearlo de forma irreparable debido a que la
corriente generada por el arreglo fotovoltaico seraacute la misma a la salida del
67
regulador PWM es necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico (maacutexima corriente que un arreglo fotovoltaico puede generar) no
supere la corriente maacutexima que los fabricantes recomiendan esto puede generar
recalentamientos frecuente accioacuten de las protecciones y dantildeos en el dispositivo
de manera irreparable la tensioacuten de maacutexima potencia de un arreglo fotovoltaico
tambieacuten debe ser previamente verificada esta debe superar la tensioacuten maacutexima de
carga de las bateriacuteas de tal forma que el arreglo pueda proporcionar una carga
adecuada al banco sin embargo no debe sobrepasar demasiado dicha tensioacuten
debido a que se desperdiciariacutea mucha energiacutea y el sistema no seriacutea eficiente
Seguacuten esto algunos fabricantes recomiendan los siguientes casos
Sistemas de 12V Vmpgt 15V
Sistemas de 24V Vmpgt 30V
Sistemas de 36V Vmpgt 45V
Sistemas de 48V Vmpgt 60V
Con respecto a la magnitud de la tensioacuten Vmp el software PVSol recomienda que
la tensioacuten de la bateriacutea no debe ser menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo fotovoltaico (Vmp) [37 38]
2132 Reguladores MPPT
Los controladores MPPT poseen un algoritmo que busca la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo (Vmp) del arreglo fotovoltaico y asiacute lograr utilizar en casi su
totalidad la potencia que el arreglo fotovoltaico puede suministrar De esta manera
ya no es necesario buscar una configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que se acople
al banco de bateriacuteas ya que este regulador convertiraacute la diferencia de tensioacuten
entre el arreglo fotovoltaico y el banco de bateriacuteas en corriente asiacute entonces es
posible que la corriente que genere el arreglo fotovoltaico ya no sea la misma que
alimenta al banco de bateriacuteas y las cargas si no que sea mayor aprovechando la
potencia que el arreglo fotovoltaico puede generar por tanto la potencia de
entrada del regulador seraacute aproximadamente igual (debido a peacuterdidas normales de
cualquier dispositivo) a la salida de este
Los reguladores MPPT entonces pueden aprovechar la potencia extra (puede
llegar a ser mayor que en condiciones STC) del arreglo fotovoltaico cuando las
ceacutelulas alcancen temperaturas bajas (aumenta la tensioacuten y por tanto aumenta la
potencia)
Al igual que en los reguladores PWM los reguladores MPPT necesitan que el
arreglo fotovoltaico esteacute bien dimensionado para garantizar un ambiente adecuado
68
para el funcionamiento del regulador Como principal preocupacioacuten se debe tener
en cuenta la tensioacuten en circuito abierto del arreglo fotovoltaico a temperaturas
bajas debido a que eacutesta es la condicioacuten para la cual se logra la mayor tensioacuten que
el arreglo fotovoltaico puede alcanzar esta no debe ser mayor a la tensioacuten
maacutexima especificada por el fabricante del regulador No cumplir con la anterior
condicioacuten puede dantildear el regulador por efecto de una sobretensioacuten tambieacuten es
necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo fotovoltaico no sea
mayor a la que el fabricante entrega esta condicioacuten puede dantildear por efectos de
sobrecorriente el dispositivo Por uacuteltimo los fabricantes de reguladores MPPT
entregan un dato que especifica cuanta potencia el regulador puede transmitir al
banco de bateriacuteas y a las cargas se recomienda entonces que la potencia
fotovoltaica instalada del arreglo no sea mayor que la maacutexima potencia del
dispositivo No acatar dicho paraacutemetro no significa poner en riesgo el regulador
MPPT si no que eacuteste en esas condiciones no podraacute entregar toda la potencia
proporcionada por el arreglo fotovoltaico de esta forma el sistema perderaacute
eficiencia por tanto se evita esta situacioacuten en la etapa de disentildeo del arreglo
fotovoltaico
En la seccioacuten 2112 (Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar) se explica el
comportamiento que tiene la temperatura respecto la tensioacuten de un panel solar la
manera de relacionar estos dos paraacutemetros estaacute dada por el coeficiente de
temperatura especificado por el fabricante del moacutedulo (coefficient Temperature
Voc y comuacutenmente se expresa en K) este paraacutemetro entrega la informacioacuten
necesaria de coacutemo seraacute la tensioacuten del moacutedulo fotovoltaico bajo influencia de la
temperatura A continuacioacuten se explica coacutemo se debe calcular la maacutexima tensioacuten
de un arreglo fotovoltaico y un rango de tensioacuten de operacioacuten (Vmp) que es muy
uacutetil cuando se desea utilizar un regulador MPPT
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119900119888) 119875119904119890119903119894119890 120784 120783
119881119898iacute119899119898119901 = ((119879119898aacute119909 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120784
119881119898aacute119909119898119901 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120785
En donde
69
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119898iacute119899119898119901 tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura alta promedio
119881119898aacute119909119898119901 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura baja promedio
119879119898iacute119899 temperatura promedio miacutenima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119879119898aacute119909 temperatura promedio maacutexima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119862119900119890119891119905119890119898119901 coeficiente de temperatura en K especificado por el fabricante
119881119900119888 tensioacuten de circuito abierto especificada por el fabricante del moacutedulo
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia especificado por el fabricante
119875119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie
Los reguladores MPPT tienen un rango de seguimiento de tensioacuten donde el
regulador buscaraacute la tensioacuten de maacutexima potencia es decir que si el arreglo tiene
una tensioacuten que se encuentra dentro de este rango el regulador garantizara la
maacutexima potencia del arreglo es por esta razoacuten que es necesario conocer un
rango de tensioacuten de operacioacuten del arreglo en funcioacuten de la temperatura promedio
miacutenima y maacutexima de la zona donde se quiere instalar esto con el fin de buscar en
el mercado un regulador con rango de seguimiento que abarque el rango de
tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo (limitados por 119881119898119894119899119898119901 y 119881119898119886119909119898119901)
Aunque todo apunta a que son mayores las ventajas que entrega el regulador
MPPT respecto al regulador PWM no siempre es asiacute la principal desventaja que
tiene un regulador MPPT respecto a un regulador PWM es su costo y es que
resulta en promedio de tres a cuatro veces maacutes econoacutemico un regulador PWM
adicional a esto en ciertas aplicaciones las ventajas estudiadas anteriormente
pueden ser anuladas por el regulador PWM asiacute entonces en ocasiones resulta
maacutes conveniente un regulador PWM A continuacioacuten se nombran algunos casos
Aplicaciones de baja potencia (consumo de corriente baja) la mayoriacutea de
reguladores MPPT poseen una baja eficiencia a comparacioacuten de los reguladores
PWM cuando la carga es baja Esto podriacutea empeorar cuando este tipo de cargas
70
es de uso continuo Muchos fabricantes especifican las curvas de eficiencia de sus
dispositivos para informar al disentildeador acerca de la eficiencia
A continuacioacuten se muestra una curva caracteriacutestica de eficiencia de un regulador
MPPT
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT tomada de MORNINGSTAR Solar
Controller with Maximum Power Point Tracking Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Altas temperaturas Como se explicoacute anteriormente se observa un mejor
comportamiento de reguladores MPPT en temperaturas bajas debido al aumento
de la tensioacuten de maacutexima potencia (Vmp) Por el contrario cuando hay temperatura
media suficientemente alta la tensioacuten Vmp decrece ajustando sin necesidad de
seguimiento de punto de maacutexima potencia el arreglo fotovoltaico al banco de
bateriacuteas (disminuye la diferencia entre el Vmp del arreglo fv y del banco de
bateriacuteas) No seriacutea necesario utilizar un regulador MPPT en estas aplicaciones
Sistemas fotovoltaicos para consumo en el diacutea para cargas de uso en horas del
diacutea es comuacuten que la energiacutea del arreglo fotovoltaico se use directamente sin
necesidad de almacenarlas en bateriacuteas Esta situacioacuten hace que la energiacutea de las
bateriacuteas no sea comuacutenmente usada y por tanto que el banco de bateriacuteas no sea
muy frecuentemente cargado haciendo que la ventaja de recoleccioacuten de energiacutea
proporcionada por un regulador MPPT no sea necesaria [37]
214 Inversores autoacutenomos
Los inversores autoacutenomos se encargan de convertir la corriente continua del
arreglo fotovoltaico en corriente alterna que es maacutes faacutecil de transportar y se ha
convertido en el estaacutendar para los fabricantes de aparatos electroacutenicos comunes
71
Es por esto que los inversores juegan un gran papel en instalaciones fotovoltaicas
debido a que son el acople directo entre el sistema fotovoltaico y las cargas
adicional a esto las bateriacuteas solo pueden almacenar energiacutea en forma de corriente
directa lo que evidencia auacuten maacutes su importancia
Durante antildeos los constructores han usado diferentes tecnologiacuteas para convertir la
corriente continua de una fuente de baja tensioacuten en corriente alterna de mayor
tensioacuten Los primeros inversores usaban un transistor baacutesico para cambiar la
polaridad de la corriente continua de positivo a negativo cerca de 60 veces por
segundo creando una forma de onda cuadrada con gran cantidad de armoacutenicos
Fue entonces con la llegada de circuitos integrados maacutes sofisticados como
transistores de efecto de campo y transformadores de alta frecuencia que fue
posible la creacioacuten de inversores maacutes eficientes y ligeros que producen una forma
de ondas cercanas a una onda sinusoidal En lugar de convertir corriente directa
en alterna de 120VCA o 240VCA se usa un proceso multipasos digital en donde
se convierte la corriente continua en alterna de tensioacuten baja y alta frecuencia para
despueacutes elevar la tensioacuten con un transformador de alta frecuencia rectificarla en
una nueva etapa y convertirla nuevamente a tensioacuten y frecuencia requeridas [10]
2141 Clasificacioacuten de inversores
Existen tres tipos fundamentales de inversores autoacutenomos que se clasifican
baacutesicamente por su forma de onda Se explican a continuacioacuten
21411 Inversores de onda cuadrada
Estos inversores cambian la entrada de corriente directa en una salida de corriente
en funcioacuten de paso o ldquocuadradardquo alterna Estos brindan poco control de tensioacuten de
salida capacidad de sobretensioacuten limitada y una distorsioacuten armoacutenica considerable
Por tanto los inversores de forma de onda cuadrada son apropiados para
pequentildeas cargas de calentamiento por medio de resistencias algunos aparatos
eleacutectricos de bajo consumo y focos incandescentes Son inversores econoacutemicos y
tienen poco uso en el campo residencial
21412 Inversores de onda cuadrada modificada
Este tipo de inversores utiliza transistores de efecto de campo (FET) o
rectificadores de control de silicio (SCR) para cambiar la entrada de corriente
directa en salida de corriente alterna Este tipo de inversores pueden manejar
grandes sobretensiones y producir salidas con mucha menos distorsioacuten armoacutenica
debido a esto es adecuado para un mayor nuacutemero de cargas como algunos
motores televisores luces equipos de muacutesica etc
72
21413 Inversores de onda sinusoidal
Los inversores de onda sinusoidal se usan para operar aparatos electroacutenicos
sensibles que requieren una forma de onda de alta calidad Ellos son los
inversores maacutes comunes en las aplicaciones residenciales y tienen muchas
ventajas sobre los inversores de onda cuadrada modificada como tener una salida
con muy poca distorsioacuten armoacutenica que permite energizar los maacutes sensibles
aparatos electroacutenicos poseen una mayor capacidad de sobretensioacuten y son
capaces de arrancar muchos tipos de motores faacutecilmente [10 15]
La imagen siguiente muestra la forma de onda de los tres tipos de inversores
autoacutenomos caracteriacutesticos
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2142 Caracteriacutesticas de los inversores
Eficiencia la mayoriacutea de los inversores modernos convierten maacutes del 90 de la
corriente directa en la entrada en corriente alterna de salida Muchos fabricantes
de inversores aseguran una alta eficiencia sin embargo los inversores solo son
altamente eficientes cuando se utilizan en ciertos puntos de operacioacuten por tanto
es necesario saber cuaacutenta carga maacutexima alcanzaraacuten las cargas para escoger un
inversor adecuado La siguiente imagen muestra una curva tiacutepica de un arreglo
fotovoltaico
73
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor tomada de MORNINGSTAR Pure sine wave
inverter Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Peacuterdidas en espera o standby se refiere al consumo de energiacutea que un inversor
posee cuando no hay cargas en operacioacuten los inversores modernos poseen unas
muy bajas peacuterdidas por standby
Regulacioacuten de frecuencia la regulacioacuten de frecuencia de un inversor debe ser
capaz de manejar cualquier condicioacuten de entrada debido a que existen cargas
que son muy sensibles a esto Esta caracteriacutestica depende netamente de la
construccioacuten y la calidad del inversor
Potencia de salida de AC (Watt) los fabricantes de inversores disentildean el
dispositivo para cierta magnitud maacutexima de carga asiacute entonces es importante que
un inversor sea capaz de soportar la potencia pico de la demanda de lo contrario
el inversor puede sufrir recalentamiento y se veraacute obligado a accionar muy
frecuentemente las protecciones internas (si el fabricante las garantiza)
Tensioacuten de entrada DC la entrada de un inversor estaacute suministrada por el arreglo
fotovoltaico y por las bateriacuteas depende de la configuracioacuten del sistema cual es
dicha tensioacuten Es comuacuten que los sistemas fotovoltaicos sean de 12V 24V 36V o
48V y es obligatorio que la entrada a del inversor sea igual a la del sistema
Tensioacuten de salida AC es necesario hacer un estudio previo del tipo de cargas que
se piensan interconectar y saber que tensioacuten nominal manejan de acuerdo a esto
se escoge un inversor con tensioacuten de salida en AC que satisfaga dichas cargas
De lo contrario el suministro de energiacutea no se lograraacute de manera adecuada y el
inversor podriacutea sufrir dantildeos
74
Capacidad de sobretensioacuten la mayoriacutea de inversores son capaces de exceder
mayores cantidades de potencia por corto tiempo Esto puede ser un factor
importante para el arranque de motores que suelen consumir cerca de siete veces
su potencia nominal en el arranque [10 15]
22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
En la seccioacuten 15 se explica [28] y se evidencia que en Colombia existe una gran
necesidad de dimensionar de una manera adecuada los sistemas fotovoltaicos
debido a que cerca del 44 de los sistemas existentes tiene problemas para
funcionar o no funcionan A continuacioacuten se explica los paraacutemetros que se
necesitan conocer para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico
221 Estimacioacuten del consumo y carga
Con frecuencia la carga es el paraacutemetro que maacutes influye en el tamantildeo y costo de
un sistema fotovoltaico por esta razoacuten es necesario hacer un estudio adecuado
para determinar valores adecuados de carga el eacutexito de un disentildeo fotovoltaico
dependeraacute de esta variable
Aunque en teoriacutea se puede alimentar cualquier tipo de carga se intenta no
alimentar muchas resistencias que generen calor sobre todo si eacutestas tienen
mucho tiempo de uso como es el caso de sistemas de calentamiento de agua
calefaccioacuten hornos eleacutectricos etc Lo anterior se intenta evitar debido a la gran
potencia que necesitan para funcionar y por tanto pueden demandar un gran
consumo de energiacutea que puede encarecer el sistema fotovoltaico Sin embargo si
se dispone de los recursos suficientes y no existen otras opciones se puede llevar
a cabo el disentildeo y dimensionamiento
Por otra parte tambieacuten es necesario revisar las caracteriacutesticas eleacutectricas de cada
carga como es el caso de frecuencia nominal tensioacuten nominal potencia nominal
corriente en standby y distorsioacuten armoacutenica Esto con el fin de encontrar un inversor
que sea capaz de alimentar las cargas sin sufrir dantildeo alguno Asiacute mismo es de
suma importancia determinar el tiempo promedio en el cual van a estar en uso las
cargas en el diacutea esto con el fin de estimar un consumo promedio diario este
aspecto junto con la potencia nominal de cada carga determinaraacute el consumo
promedio diario
Asiacute entonces con este estudio se pretende estimar tres vectores
[119873] nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea energizar [119882] potencia en Watt nominal que necesitan los aparatos eleacutectricos que se desean energizar
75
[ℎ] estimacioacuten de tiempo en horas al diacutea que los aparatos eleacutectricos permanecen encendidos Con lo anterior se define un vector de consumo por grupo de aparatos [119862] cuyos elementos estaacuten en Whdia
[119862] = [
1198621
1198622
⋮119862119899
] = [
1198731 lowast 1198821 lowast ℎ1
1198732 lowast 1198822 lowast ℎ2
⋮119873119899 lowast 119882119899 lowast ℎ119899
] 120784 120786
Una vez encontrado [119862] se puede definir el consumo promedio diario y la carga
maacutexima de la siguiente forma
119860119888119879 = sum 119862119896
119899
119896=1
120784 120787
119875119879119860119862 = sum 119873119896 lowast 119882119870 120784 120788
119899
119896=1
En donde
119860119888119879 consumo promedio diario en wh
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda en w Como criterio de disentildeo de este trabajo se asumiraacute que todas las cargas se encuentran encendidas a una hora del diacutea esto con el fin de que el regulador en ninguacuten caso corra peligro de estar subdimensionado [10] 222 Recurso solar Para el disentildeo de un sistema fotovoltaico es necesario tener la estimacioacuten de la radiacioacuten mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior sobre un plano inclinado y orientado en cierta direccioacuten (depende del sitio donde se quiera hacer la instalacioacuten) En la seccioacuten 143 (modelos para estimar la radiacioacuten solar) se explican varios de estos El recurso solar es un factor indispensable para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico aislado en Colombia esta informacioacuten se puede encontrar en estaciones meteoroloacutegicas de aeropuertos o universidades que estudian fenoacutemenos ambientales sin embargo es difiacutecil tener con exactitud la radiacioacuten en un lugar determinado por efecto de topografiacutea y distancia a las estaciones meteoroloacutegicas Existen sitios web y programas que tienen informacioacuten de varias estaciones lo que puede facilitar el meacutetodo de interpolacioacuten y entregar un estimado
76
cercano de recurso solar disponible en el sitio donde se desea instalar el sistema fotovoltaico La importancia de encontrar una buena herramienta que calcule la radiacioacuten es que de esta depende la energiacutea que puede producir un arreglo fotovoltaico al estimar mal la radiacioacuten se corre el riesgo de sobreestimar el arreglo produciendo sistemas maacutes costosos de lo necesario o subestimarlo creando deacuteficit de energiacutea e inconformidad con el usuario Es comuacuten que las herramientas encargadas de calcular el recurso solar entreguen la radiacioacuten adquirida en cada uno de los meses del antildeo sin embargo para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico se necesita la radiacioacuten promedio mensual de cada uno de los meses esta se puede calcular con el producto punto entre la radiacioacuten mensual y el inverso punto a punto de vector de diacuteas en cada mes como se indica a continuacioacuten
= lowast [1
] 120784 120789
En donde
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo (desde enero a diciembre)
(kWhm2d)
radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (kWhm2)
diacuteas de cada mes (desde enero a diciembre) (d)
[1
] representa el resultado de invertir cada componente del vector
Como criterio de disentildeo de este trabajo se recomienda trabajar con la menor radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo estudiado esto con el fin de adoptar el peor escenario ambiental en el cual el sistema fotovoltaico va a generar energiacutea De esta forma se tiene
Γ = miacuten([]) 120784 120790 Donde
Γ radiacioacuten promedio diaria mensual maacutes baja del antildeo (kWhm2d) Para disentildeo de sistemas fotovoltaicos se maneja el concepto de ldquohoras solar picordquo y corresponde al nuacutemero de horas en las que cada metro cuadrado de superficie
captadora obtiene de modo constante 1000 119882 Este paraacutemetro relaciona los datos de placa del panel con el recurso solar disponible en la zona Si se quiere evaluar la energiacutea que el panel fotovoltaico puede producir
diariamente habraacute que conocer cuantas horas diarias con radiacioacuten de 1000wm2 estaraacute expuesto en el diacutea La manera de encontrar las horas solar pico del mes de
77
maacutes baja radiacioacuten consta del cociente entre la radiacioacuten promedio diaria mensual
maacutes baja y 1kWm2 de la siguiente forma
Hspico =Γ
1kWm2 120784 120791
Donde
Hspico horas solar pico del mes de maacutes baja radiacioacuten a lo largo del antildeo en (hd) 223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaico
La autonomiacutea de un sistema fotovoltaico es un paraacutemetro que modelaraacute el banco
de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico se refiere al nuacutemero de diacuteas en que un
sistema de bateriacuteas suministraraacute una carga determinada sin ser recargado por el
arreglo fotovoltaico u otra fuente
Las condiciones generales del clima determinan el nuacutemero de diacuteas con radiacioacuten
nula lo cual es una variable significativa para brindar un tiempo de autonomiacutea Sin
embargo este paraacutemetro es muy difiacutecil de determinar con exactitud en lugares
donde no se lleva un estudio estadiacutestico de la radiacioacuten solar lo que en lugares
alejados de estaciones climatoloacutegicas hace de este un paraacutemetro deductivo
Algunos autores recomiendan estudiar de las cargas si en verdad es criacutetico que la
carga opere en todo momento si la carga podriacutea ser cambiada o reemplazada por
alternativas maacutes eficientes y si la carga es simplemente una conveniencia [10 21]
Seguacuten lo anterior se puede dar un rango de autonomiacutea seguacuten la importancia de la
carga
1 De 2 a 3 diacuteas usos esenciales o sistemas con generador de respaldo
2 De 5 a 7 diacuteas para cargas criacuteticas sin ninguna otra fuente de energiacutea
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistema
Como se explicoacute en la seccioacuten 21221 (Ritmo y profundidad de descarga) se
necesita determinar un paraacutemetro que modele el tiempo que se requiere para
cargar las bateriacuteas despueacutes que se encuentren descargadas es decir con queacute
frecuencia se encontraraacute una serie de diacuteas con nula radiacioacuten en donde se
necesite tener cargado el banco de bateriacuteas
Este paraacutemetro al igual que el tiempo de autonomiacutea se deberiacutea calcular mediante
estudios estadiacutesticos de radiacioacuten solar en la zona donde se desea instalar el
sistema fotovoltaico sin embargo en un entorno como el de Colombia en donde
78
los sistemas fotovoltaicos estaacuten en auge se dificulta encontrar este paraacutemetro con
precisioacuten
El tiempo de recuperacioacuten del sistema relaciona el arreglo fotovoltaico con el
banco de bateriacuteas ya que cuando el banco este descargado el arreglo
fotovoltaico no solamente debe entregar energiacutea a las cargas si no al banco de
bateriacuteas y la energiacutea que invierta este en cargar el banco dependeraacute de cuaacutento
tiempo lo cargue Asiacute entonces por ejemplo el estudio estadiacutestico arroja que en
promedio existe un evento al mes en donde existiraacute una serie de diacuteas con mala
radiacioacuten el arreglo fotovoltaico deberaacute entonces cargar el banco de bateriacuteas
como miacutenimo 15 diacuteas de esta forma el arreglo deberaacute producir aparte de la
energiacutea que consuman las cargas la energiacutea suficiente para cargar el arreglo en
15 diacuteas [38]
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Una vez conocidos los paraacutemetros de disentildeo de un sistema fotovoltaico ya se
puede modelar el sistema A continuacioacuten se presenta el dimensionamiento del
banco de bateriacuteas y del arreglo fotovoltaico
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteas
El tamantildeo del banco de bateriacuteas dependeraacute baacutesicamente de los diacuteas de
autonomiacutea y el consumo promedio diario De la siguiente forma
119862119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120783120782
Donde
119862119887119886119899119888119900 capacidad del banco de bateriacuteas (Wh)
119863119886119900119906119905 diacuteas de autonomiacutea (d)
120578119894119899119907 eficiencia del inversor
120578119887119886119905 eficiencia de la bateriacutea
La eficiencias en el denominador modelan las peacuterdidas del inversor estudiadas en
la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) y la eficiencia de la bateriacutea
modela las peacuterdidas de las reacciones quiacutemicas que se desarrollan en las bateriacuteas
cuando se produce un ciclo de carga y descarga estudiada en la seccioacuten 21222
79
(Ritmo y profundidad de descarga) la eficiencia de bateriacuteas es usualmente
aproximada al 80 y del inversor usualmente se aproxima al 90 sin embargo
como se vio en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y carga) en donde se
especifica que el criterio de disentildeo para escoger el inversor dependeraacute
baacutesicamente de 119875119879119860119862 (Potencia maacutexima de demanda en W) conocido este valor
se puede encontrar la eficiencia especifica seguacuten la curva del fabricante
Ya con la capacidad del banco encontrada hace falta saber cuaacutenta energiacutea es
capaz de suministrar una sola bateriacutea especiacutefica aunque en teoriacutea cualquier
bateriacutea solar serviraacute el nuacutemero de estas dependeraacute de la capacidad de
almacenamiento que a su vez define el precio de la bateriacutea por tanto se intenta
que la energiacutea que suministra el banco de bateriacuteas no tenga valores muy
superiores al 119862119887119886119899119888119900 La ecuacioacuten que modela la capacidad de energiacutea que puede
entregar cada bateriacutea es
119864119887119886119905 = 119862119887119886119905 119897119894119898 119881119887119886119905 120784 120783120783
Donde
119864119887119886119905 energiacutea que puede suministrar una bateriacutea (Wh)
119862119887119886119905 capacidad de la bateriacutea especificada con el fabricante (Ah)
119897119894119898 liacutemite de descarga maacuteximo del banco de bateriacuteas
119881119887119886119905 tensioacuten nominal de la bateriacutea especificada por el fabricante (V)
El nuacutemero de bateriacuteas se define de acuerdo al cociente entre la capacidad del
banco y la energiacutea que puede entregar cada bateriacutea Como se muestra a
continuacioacuten
119873119887119886119905 = 119862119887119886119899119888119900
119864119887119886119905 120784 120783120784
Donde
119873119887119886119905 nuacutemero de bateriacuteas necesarias para la aplicacioacuten
Reemplazando las expresiones 210 y 211 en la 212 se tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120785
80
Sin embargo es muy difiacutecil que 119873119887119886119905 tome valores enteros lo que obliga a trabajar
con el entero maacutes proacuteximo superior debido a que se intenta garantizar como
miacutenimo los diacuteas de autonomiacuteas requeridos y no exceder el liacutemite de descarga
maacuteximo es aquiacute donde la energiacutea que una bateriacutea puede entregar juega un papel
importante debido a que es el uacutenico paraacutemetro ajustable (basta con cambiar la
bateriacutea con mayor o menor capacidad de Ah) esto con el fin de que la parte
decimal se aproxime tanto como se pueda al entero superior
Otra manera sencilla de saber el nuacutemero de bateriacuteas que dimensionan el banco
fotovoltaico es partir de la definicioacuten de cadenas y paralelos A continuacioacuten se
define dicha expresioacuten
119873119887119886119905 = 119861119886119905119904ℎ119906119899119905 119861119886119905119904119905119903119894119899119892 120784 120783120786
Doacutende
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 nuacutemero de cadenas en paralelo
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de bateriacuteas en serie
Analizando cada teacutermino tenemos
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 = 119881119900
119881119887119886119905 120784 120783120787
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119900 120784 120783120788
En donde la expresioacuten nuacutemero 15 muestra la relacioacuten de la tensioacuten con respecto al
nuacutemero de bateriacuteas en serie y la ecuacioacuten 16 muestra el nuacutemero de cadenas
necesarias para abastecer la demanda junto con las eficiencias de los dispositivos
que componen el sistema
Al reemplazar las expresiones 215 y 216 en la 214 y cancelando teacuterminos se
tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120789
En donde se comprueba que la expresioacuten 217 es igual a la expresioacuten 213
81
Aunque este es el nuacutemero de bateriacuteas necesario para satisfacer las necesidades
de la demanda teniendo en cuenta el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y llevando las
bateriacuteas a liacutemites de descarga ajustados previamente no necesariamente es el
nuacutemero definitivo de bateriacuteas debido a que el banco de bateriacuteas define la tensioacuten
del sistema el problema ocurre cuando el nuacutemero de bateriacuteas en serie que a su
vez ajusta la tensioacuten del sistema (comuacutenmente 12v 24v 36v o 48v) no es
divisible exactamente por el nuacutemero de bateriacuteas haciendo obligatorio ajustar
nuevamente el nuacutemero de bateriacuteas Un ejemplo tiacutepico es presentado cuando el
estudio arroja 5 bateriacuteas necesarias de 12 v cada una para trabajar a 24v es
necesario conectar cadenas de dos bateriacuteas en serie sin embargo es imposible
conectar todas estas bateriacuteas para esta configuracioacuten debido a que 5 no es
divisible exactamente entre dos una opcioacuten podriacutea ser usar 4 bateriacuteas sin
embargo esto iriacutea en contra del disentildeo debido a que el banco es maacutes pequentildeo del
nuacutemero calculado esta circunstancia podriacutea violar el liacutemite de descarga y los diacuteas
de autonomiacutea planteados la manera de solucionar este problema es ajustar a 6 el
nuacutemero de bateriacuteas de esta forma no se violan los paraacutemetros del disentildeo y se
genera un sistema auacuten maacutes confiable [10 15 21]
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaico
Es muy comuacuten que se modele el banco de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico como
dos fuentes de energiacutea diferentes en donde el arreglo fotovoltaico se modela de
acuerdo al consumo y recurso solar y el banco de bateriacuteas uacutenicamente al consumo
y tiempo de autonomiacutea sin embargo esta suposicioacuten no es del todo cierta debido
a que se debe tener en cuenta la energiacutea que el arreglo fotovoltaico invierte al
cargar las bateriacuteas y entregar energiacutea a las cargas es por esta razoacuten que en este
proyecto se propone que el arreglo fotovoltaico siacute tenga relacioacuten con el banco de
bateriacuteas y a continuacioacuten se explicaraacute coacutemo hacerlo
Se desea entonces un arreglo fotovoltaico que cargue el banco de bateriacuteas
anteriormente modelado y entregue energiacutea durante el diacutea a las cargas que esteacuten
encendidas La siguiente expresioacuten modela dicha suposicioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119864119888119900119899119904119906119898119900 + 119864119887119886119899119888119900 120784 120783120790
De esta forma se asegura que el modelamiento sea adecuado
Expandiendo cada teacutermino se tiene que
119864119888119900119899119904119906119898119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 120784 120783120791
82
La eficiencia del inversor debe ser tomada en este estudio debido a que modela
las peacuterdidas de operacioacuten de eacuteste y que el arreglo fotovoltaico tambieacuten debe tener
en cuenta
Para modelar la energiacutea que consumen las bateriacuteas se tiene en cuenta la energiacutea
que consume el banco de bateriacuteas involucrando el tiempo de recuperacioacuten del
sistema este deberaacute ser inversamente proporcional a la potencia que suministra el
arreglo fotovoltaico debido a que si este paraacutemetro aumenta el arreglo fotovoltaico
tendraacute maacutes tiempo de recargar las bateriacuteas con lo que probablemente disminuya
su tamantildeo Asiacute entonces se presenta dicha expresioacuten
119864119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
120578119887119886119905 119879119903119890119888 120784 120784120782
Reemplazando la expresioacuten 17 en la 20 tenemos
119864119887119886119899119888119900 = 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
119879119903119890119888
119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120784120782119938
Cancelando teacuterminos 119897119894119898 119862119887119886119905 y 119881119887119886119905 se obtiene
119864119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120783
Asiacute entonces se observa que al aumentar el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea del
sistema aumenta la capacidad de almacenamiento haciendo que tambieacuten exista
un mayor consumo para cargar las bateriacuteas por parte del arreglo fotovoltaico y que
al disminuir el tiempo de recuperacioacuten del sistema se necesitaraacute maacutes potencia
para cargar las bateriacuteas por tanto aumentaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico
De esta forma se pueden reemplazar las expresiones 221 y 219 en la 218
119864119886119903119903119890119892119897119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120784
Esta ecuacioacuten muestra la energiacutea que deberaacute entregar un arreglo fotovoltaico sin
embargo hay que referir esta energiacutea al recurso solar disponible para saber
cuaacutenta potencia fotovoltaica es necesaria Asiacute entonces la energiacutea que puede
83
suministrar un arreglo fotovoltaico seraacute igual al resultado del producto de las horas
solar pico (que en este trabajo seraacute la promedio del peor mes) por la potencia
fotovoltaica necesaria o calculada para la aplicacioacuten
A continuacioacuten se presenta la expresioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 120784 120784120785
119875119865119907119888 potencia fotovoltaica necesaria
Reemplazando la expresioacuten 23 en la 22 tenemos
119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 = 119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120785119938
Despejando potencia fotovoltaica necesaria se tiene
119875119865119907119888 = 119860119888119879
119867119904119901119894119888119900 120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119867119904119901119894119888119900 119879119903119890119888 120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120786
La ecuacioacuten 24 modela la potencia calculada para un sistema fotovoltaico la
manera de encontrar el nuacutemero de paneles especiacuteficos para una aplicacioacuten seraacute el
resultado del cociente entre la potencia fotovoltaica necesaria y la potencia que un
panel fotovoltaico puede entregar bajo las STC como se muestra a continuacioacuten
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120784 120784120787
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Sin embargo se presenta el mismo problema que con el banco de bateriacuteas y es
que 119873119901119886119899119890119897119890119904 tomaraacute valores que muy probablemente no seraacuten enteros por tanto
se debe aproximar este valor siempre al nuacutemero entero maacutes cercano superior
Depende entonces de la potencia del panel solar que se escoja para la aplicacioacuten
el nuacutemero de paneles solares que se necesiten [10 15 21]
De esta forma se ha planteado una manera de dimensionar sistemas fotovoltaicos
relacionando el tiempo de carga de las bateriacuteas y el tiempo de autonomiacutea que
84
seraacuten escogidos de acuerdo a las caracteriacutesticas de las cargas y recurso solar Un
disentildeo que considere estos dos paraacutemetros de manera acertada puede dar como
resultado un sistema fotovoltaico capaz de suministrar energiacutea en ambientes
criacuteticos
85
Capiacutetulo 3
SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Los sistemas fotovoltaicos interactivos con la red de servicio puacuteblico tienen como
propoacutesito suministrar energiacutea a un conjunto de cargas de forma total o parcial con
energiacutea proveniente del sol comuacutenmente son instalados en edificios comerciales o
en casas con acceso al servicio puacuteblico de energiacutea eleacutectrica Los avances
tecnoloacutegicos en los inversores interactivos con la red eleacutectrica han facilitado la
interconexioacuten de arreglos fotovoltaicos a la red haciendo que la energiacutea que
generen sea aprovechada principalmente por las cargas y el excedente de esta
seraacute ldquoempujadardquo a la red puacuteblica aunque en Estados Unidos y algunos paiacuteses de
Europa esta energiacutea empujada es remunerada por parte de las electrificadoras
mediante medidores de energiacutea que permiten el giro inverso en Colombia auacuten no
existe una legislacioacuten que respalde a los sistemas interconectados a la red por
esta razoacuten en un contexto como el de Colombia se intenta que el arreglo
fotovoltaico suministre energiacutea parcialmente a las cargas esto con el intento de no
inyectar energiacutea a la red y evitar sanciones a causa de desequilibrar la red de
distribucioacuten [15]
A continuacioacuten se da a conocer el funcionamiento de un sistema fotovoltaico
interactivo con la red
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Existen dos tipos de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red
1 Sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
2 Sistema interconectado a red con respaldo de bateriacuteas
Los sistemas interactivos con la red de servicio puacuteblico sin respaldo de bateriacuteas
solo constan de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red este
tipo de inversores son disentildeados para interrumpir la conexioacuten a la red del sistema
fotovoltaico cuando el suministro de energiacutea de la red falla esto con el fin de
despejar la falla y evitar problemas operativos en la red de distribucioacuten Los
sistemas fotovoltaicos con respaldo de bateriacuteas constan de un arreglo fotovoltaico
un inversor interactivo con la red capaz de cargar un banco de bateriacuteas este
sistema es capaz de suministrar energiacutea durante el tiempo de autonomiacutea para el
cual el banco fue disentildeado cuando la red de servicio puacuteblico falla sin embargo
para estos sistemas la red de distribucioacuten debe tener un sistema de proteccioacuten
adecuado con el fin de que el banco de bateriacuteas no alimente la falla existente en la
86
red Es por esta razoacuten que en este trabajo de grado se haraacute especial eacutenfasis en
sistemas sin respaldo de bateriacuteas debido a que pueden llegar a ser los maacutes
cercanos a la realidad del entorno Colombiano
A continuacioacuten se analizan las caracteriacutesticas por separado de los sistemas
interconectados a la red con respaldo de bateriacuteas y sin respaldo de bateriacuteas
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
Entre las ventajas y desventajas de un sistema interconectado a red sin respaldo
de bateriacuteas se encuentran disminucioacuten del consumo de energiacutea proveniente del
servicio puacuteblico ausencia de un sistema ininterrumpido de energiacutea en el caso de
falla de la red instalacioacuten simple alta eficiencia y no brindar oportunidades de
administrar la energiacutea
Los sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas constan
de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red El arreglo
fotovoltaico tiene caracteriacutesticas muy similares a un sistema autoacutenomo con la
diferencia de que estos arreglos no van a tener en cuenta la carga de un banco de
bateriacuteas y tienen la posibilidad de suministrar parte del consumo de las cargas A
continuacioacuten se da a conocer las caracteriacutesticas operativas de un inversor
interconectado a la red sin respaldo de bateriacuteas
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteas
La mayoriacutea de los inversores conectados a la red no utilizan un banco de
bateriacuteas por el contrario se conectan directamente con la red de servicio puacuteblico
utilizando esta fuente como un sistema de respaldo Cuando existen condiciones
ambientales para generar energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico el inversor
debe transformar y utilizar esta energiacutea para satisfacer el consumo sin embargo si
la generacioacuten de energiacutea es mayor a la del consumo el inversor suministraraacute la
energiacutea necesaria a las cargas y el exceso lo empujaraacute a la red puacuteblica aunque se
espera que en un futuro Colombia tenga una legislacioacuten que respalde a los
sistemas fotovoltaicos interconectados a la red por el momento no existe por
tanto no es posible vender este exceso de energiacutea lo que afecta netamente el
tiempo de recuperacioacuten de la inversioacuten por esta razoacuten se intenta disentildear un
arreglo fotovoltaico que suministre una parte del consumo para evitar la inyeccioacuten
de energiacutea que no seraacute remunerada El inversor interactivo con la red debe ser
capaz de alimentar las cargas tomando la energiacutea del arreglo fotovoltaico y la
energiacutea de la red puacuteblica a la vez de esta forma se reduce el consumo de energiacutea
por parte de la red puacuteblica produciendo un ahorro en funcioacuten de la energiacutea que es
capaz de suministrar el arreglo Durante la noche o las horas del diacutea donde la
radiacioacuten sea miacutenima toda la energiacutea provendraacute de la red puacuteblica de esta forma
87
el inversor interactivo con la red deberaacute ser capaz de atender cualquiera de los
anteriores casos [1015 21]
A continuacioacuten se daraacute a conocer los paraacutemetros para dimensionar un inversor
adecuado para las necesidades de una instalacioacuten fotovoltaica interconectada a
red sin respaldo de bateriacuteas
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo
de bateriacuteas
Existen varias caracteriacutesticas que los fabricantes de inversores especifican en sus
hojas de datos que es necesario conocer antes de adquirir alguacuten tipo de inversor
A continuacioacuten se dan a conocer varias de estas
Potencia de entrada del inversor al calcular un arreglo fotovoltaico para un
sistema interconectado a la red el tamantildeo del arreglo estaraacute determinado para
que cumpla con el suministro total o parcial del consumo presupuesto del cliente y
limitaciones de espacio Una vez determinado el tamantildeo del arreglo el inversor
deberaacute soportar el paso de potencia del arreglo fotovoltaico por ende se busca
que la potencia fotovoltaica instalada nunca sea mayor a la especificada por el
fabricante del inversor Tambieacuten se debe tener en cuenta que si se desea expandir
en un futuro la capacidad del arreglo el inversor sea capaz de soportar dicha
expansioacuten de potencia fotovoltaica instalada
Seguidor de punto de maacutexima potencia como se analizoacute en la seccioacuten 2132
(Reguladores MPPT para sistemas autoacutenomos) se intenta que el arreglo
fotovoltaico opere siempre en el punto de maacutexima potencia en la actualidad todos
los inversores interconectados a la red tienen esta caracteriacutestica con el fin de
aprovechar la maacutexima potencia que pueda entregar el arreglo fotovoltaico [10]
Tensioacuten de entrada la mayoriacutea de los inversores interconectados a red poseen
una ventana de tensioacuten que especifica el rango de operacioacuten en donde el inversor
funcionaraacute de manera adecuada Para estar dentro de esa ventana el arreglo
fotovoltaico debe estar interconectado de una manera especiacutefica Debido a que
usualmente las ventanas de tensioacuten de los inversores estaacuten entre 75V y 600V la
configuracioacuten deberaacute tener muacuteltiples moacutedulos en serie para alcanzar dicha tensioacuten
(generalmente mayor a la de los sistemas aislados) sin embargo como se estudioacute
en la seccioacuten 2132 (REGULADORES MPPT) en donde se analiza relacioacuten entre
la tensioacuten de los moacutedulos y la temperatura el disentildeo debe tener en cuenta la
temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima con el fin de
evitar que la tensioacuten maacutexima del arreglo (calculada con la temperatura miacutenima
promedio) y la tensioacuten miacutenima del arreglo (calculada con la temperatura maacutexima
promedio) salgan de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante Si el
88
arreglo fotovoltaico alcanza una tensioacuten tan baja que sale de la ventana de tensioacuten
del inversor se apagaraacute por otro lado si un arreglo fotovoltaico alcanza una
tensioacuten tal que supere el maacuteximo de la ventana de tensioacuten del arreglo el inversor
podriacutea estar en peligro potencial de dantildeo Por tanto es importante calcular de una
manera adecuada la tensioacuten maacutexima y miacutenima de un arreglo fotovoltaico que
dependeraacute del nuacutemero de paneles en serie y sus caracteriacutesticas eleacutectricas con el
fin de encontrar un inversor adecuado para la aplicacioacuten [10 36]
Seguacuten lo anterior
119881119898119901119901119905119898119894119899 le 119881119898iacute119899119898119901 120785 120783
119881119898119901119901119905119898119886119909 ge 119881119898aacute119909119898119901 120785 120784
En donde
119881119898119901119901119905119898119894119899 liacutemite inferior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119901119901119905119898119886119909 liacutemite superior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119894119899119898119901 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio maacutexima (ver ecuacioacuten 22)
119881119898119886119909119898119901 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio miacutenima (ver ecuacioacuten 23)
Tensioacuten maacutexima la tensioacuten maacutexima que deberaacute soportar el inversor interactivo
con la red se produce por parte del arreglo fotovoltaico en condiciones de circuito
abierto y temperatura promedio miacutenima
Se debe tener en cuenta dicha tensioacuten en el disentildeo del arreglo fotovoltaico con el
fin de que el inversor no sufra dantildeos por sobretensioacuten bajo estas condiciones
Seguacuten lo anterior se debe garantizar que
119881119894119899119907119898aacute119909 ge 119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 120785 120785
119881119898119886119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119894119899119907119898119886119909 tensioacuten maacutexima del inversor especificada por el fabricante
Tensioacuten de salida la tensioacuten de salida de los inversores es especificada por el
fabricante y su uso dependeraacute netamente de las caracteriacutesticas operativas de la
89
carga Para un entorno como el de Colombia es comuacuten que las cargas esteacuten
alimentadas a 120V (sistema monofaacutesico bifilar o sistema trifaacutesico tetrafilar) 240V
(sistema monofaacutesico trifilar) 208V (sistema trifaacutesico trifilar) y en algunos casos
hasta 480V Por esta razoacuten es necesario que se haga un estudio de tensioacuten
frecuencia y secuencia (en el caso de un sistema trifaacutesico) de la red disponible a la
que se va a interconectar el inversor aunque existen algunos inversores que son
capaces de acoplarse a cualquier tipo de red es recomendable hacer un estudio
previo de la misma y verificar con los datos teacutecnicos del inversor si es posible su
conexioacuten antes de adquirirlo [10 21]
Proteccioacuten de fallo a Tierra la mayoriacutea de fabricantes de inversores especifican la
proteccioacuten del dispositivo que en caso de producirse un cortocircuito parte del
flujo eleacutectrico se derive a Tierra
Proteccioacuten para sobrecorriente en DC y AC algunos inversores traen incorporados
sistemas de proteccioacuten tanto a la entrada (lado de DC) como a la salida (lado de
AC) sin embargo los fabricantes exigen incorporar protecciones externas para
cuando sea necesario desconectar el inversor y como respaldo a las protecciones
internas
Cubierta resistente a la intemperie la mayoriacutea de los inversores interconectados a
red se disentildean para instalaciones al aire libre y por tanto deben tener cubiertas
adecuadas para estos ambientes
Existen varias ventajas con los sistemas interconectados a la red entre ellas
Economiacutea para cargas con consumo grande depender uacutenicamente de sistemas
fotovoltaicos puede llegar a ser muy costoso sobre todo al disentildear un banco de
bateriacuteas capaz de respaldar la carga durante un periodo largo de operacioacuten o para
horas en el diacutea donde la radiacioacuten solar sea miacutenima Para este tipo de sistemas un
sistema interconectado a red puede resultar maacutes econoacutemico debido a que puede
usar como respaldo la red puacuteblica existente
Bajo costo inicial disentildear un sistema fotovoltaico para abastecer la totalidad del
consumo puede llegar a ser muy costoso sin embargo existe la posibilidad de
hacer una inversioacuten pequentildea que conste de un arreglo fotovoltaico pequentildeo y un
solo inversor maacutes adelante se podraacuten agregar maacutes moacutedulos a medida que el
inversor lo permita Algunos fabricantes de inversores fabrican inversores de
cadenas muacuteltiples (multistring) son capaces de interconectar varios arreglos
fotovoltaicos a la vez esta tambieacuten podriacutea ser una buena opcioacuten si lo que se
desea es aumentar la capacidad fotovoltaica instalada en un futuro
90
Incremento de la confiabilidad al tener dos sistemas de generacioacuten de energiacutea
independientes hay una confiabilidad mayor en un sistema interconectado a la red
que en un sistema autoacutenomo Si se antildeade un banco de bateriacuteas la confiabilidad es
auacuten mayor sin embargo la eficiencia del sistema disminuye debido a que las
bateriacuteas involucran peacuterdidas de almacenamiento gracias a las reacciones
quiacutemicas en el almacenamiento de energiacutea
Flexibilidad de disentildeo debido a que el servicio puacuteblico brinda una fuente de
energiacutea permanente el sistema fotovoltaico puede disentildearse seguacuten el
presupuesto y los deseos del propietario
Facilidad de interconexioacuten los avances en la tecnologiacutea de los inversores han
logrado que sea relativamente faacutecil el acoplo de los arreglos fotovoltaicos a la red
puacuteblica estos son capaces de cumplir con el sincronismo de fase secuencia y
frecuencia para que un sistema de generacioacuten pueda interconectarse a la red [10
15]
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS
El sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas es un sistema
relativamente simple debido a que solo consta de dos elementos fundamentales
el arreglo fotovoltaico y el inversor interconectado a red Sin embargo se necesitan
varios paraacutemetros para un correcto dimensionamiento de ambos elementos
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a red En la seccioacuten 222 (Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para
dimensionamiento de un sistema autoacutenomo) se explicoacute la importancia de tener una
informacioacuten acertada acerca de la radiacioacuten solar en el lugar donde se desea
instalar el arreglo fotovoltaico todo lo hablado en esta seccioacuten es totalmente
aplicable a este tema debido a que el arreglo fotovoltaico es muy similar al de este
caso sin embargo los criterios de dimensionamiento cambian draacutesticamente
debido a que para el dimensionamiento se va a necesitar la informacioacuten de
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo es decir el vector resultado del
producto punto entre el vector de radiacioacuten mensual de cada mes durante un antildeo
y el resultado de invertir cada componente del vector de diacuteas de cada mes (ver
ecuacioacuten 120784 120789) asiacute entonces partiendo de esta expresioacuten se obtiene el vector de
horas solar pico de la siguiente forma [10 15]
119919119956119953119946119940119952 =
1kWm2 120785 120786
91
En donde
119919119956119953119946119940119952 vector horas solar pico a lo largo del antildeo (hd)
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo desde enero a diciembre
(kWhm2119889) A diferencia de los sistemas autoacutenomos en donde se usa uacutenicamente la hora solar pico del mes de la radiacioacuten maacutes baja del antildeo el sistema interconectado a red deberaacute trabajar con toda la informacioacuten de radiacioacuten existente mes a mes Por esta razoacuten se trabajaraacute con el vector completo de horas solar pico [10 15 21] 322 Estudio del consumo anual Debido a que se busca disentildear un arreglo fotovoltaico que produzca un porcentaje de la energiacutea necesaria del consumo mes a mes es necesario conocer el consumo mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior al mes en donde se desea hacer la instalacioacuten del sistema fotovoltaico La manera maacutes sencilla de encontrar estos datos es hacer seguimiento mes a mes a las facturas de energiacutea proporcionadas por la electrificadora encargada del suministro de energiacutea en la zona Para tener en cuenta esta informacioacuten es necesario organizar los datos obtenidos en la premisa anterior de enero a diciembre debido a que se busca relacionar el consumo con el recurso solar correspondiente del mes sin importar si no corresponde a un orden cronoloacutegico es decir si se necesita conocer el consumo mensual de abril del 2013 a marzo de 2014 los meses se organizaraacuten iniciando con enero de 2014 lo relevante es el orden de los meses no el antildeo al que estos pertenezcan Para este trabajo se conoceraacute esta informacioacuten previamente organizada con un
vector [10]
consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente 323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Como se explicoacute en la seccioacuten 312 (Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas) el dimensionamiento del arreglo fotovoltaico interconectado a red dependeraacute de cuanta incidencia tenga el sistema fotovoltaico a las cargas Usualmente se caracteriza mediante un porcentaje del consumo dependiendo de queacute tan grande sea este porcentaje y que recurso solar exista en la zona dependeraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico por esta razoacuten este paraacutemetro se ve muy influenciado con el presupuesto del que se disponga para el proyecto fotovoltaico A mayor porcentaje de consumo anual mayor seraacute la potencia fotovoltaica calculada y seraacute maacutes probable la inyeccioacuten de energiacutea a la red que no seraacute remunerada
92
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblico En la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) en donde se habla de la eficiencia de un inversor autoacutenomo se acoge el mismo concepto para los sistemas interconectados a red en donde la eficiencia dependeraacute de la potencia de consumo de las cargas [10] 33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS El meacutetodo para modelamiento de un sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas consta de encontrar la potencia fotovoltaica necesaria para producir el porcentaje de energiacutea requerido partiendo del recurso solar disponible en la zona y del consumo de energiacutea Una vez encontrado este dato se busca un inversor capaz de soportar la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico con el fin de garantizar un funcionamiento adecuado 331 Modelamiento del arreglo fotovoltaico Con el recurso solar disponible consumo de energiacutea durante el uacuteltimo antildeo y el porcentaje de energiacutea de incidencia del arreglo fotovoltaico se calcula el tamantildeo del arreglo fotovoltaico En principio se debe calcular la energiacutea que el sistema fotovoltaico deberaacute suministrar de acuerdo al porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar [10] De la siguiente forma
119916119943119959 = 119864119891119907
100 120785 120787
En donde
119916119943119959 energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes (Kwhmes) consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (kWhmes) 119864119891119907 porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar
Una vez calculada la energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes se calcula el promedio diario en Wh de la energiacutea que el arreglo fotovoltaico deberaacute producir De la siguiente forma [1015 21]
119916119943119959119941119946119938 = (
1000119882ℎ
1119896119882ℎ 119916119943119959 ) lowast [
1
] 120785 120788
93
119916119943119959119941119946119938 energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar (Whd)
diacuteas de cada mes del antildeo Una vez calculada la energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar se calcula el vector de potencia fotovoltaica calculada de la siguiente forma
119927119943119959119914 = (
119916119943119959119941119946119938
120578119894119899119907100) lowast [
1
119919119956119953119946119940119952 ] 120785 120789
119927119943119959119914 potencia fotovoltaica calculada mes a mes
Debido a que no existe relacioacuten alguna entre el consumo de energiacutea y el recurso solar y son dos paraacutemetros netamente variables es imposible suministrar exactamente el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar mes a mes es por esta razoacuten que se busca un arreglo fotovoltaico que al antildeo suministre en promedio este porcentaje De esta forma el promedio de los
componentes de 119927119943119959119914 seraacute la potencia fotovoltaica necesaria para suministrar el
porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Asiacute entonces
119875119891119907119862119886119897119888119906119897119886119889119886 = 119901119903119900119898119927119943119959119914 120785 120790
Ya encontrado dicho paraacutemetro se puede encontrar el nuacutemero de paneles solares teniendo en cuenta la potencia especificada por el fabricante de manera anaacuteloga a la ecuacioacuten 225 del anterior capiacutetulo
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120785 120791
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Debido a que el nuacutemero de paneles de un arreglo fotovoltaico solo podraacute tomar valores enteros usualmente el paraacutemetro 119873119901119886119899119890119897119890119904 de la expresioacuten anterior deberaacute
ser aproximado al entero maacutes proacuteximo superior (solo si la expresioacuten anterior toma un valor no entero) con el fin de que nunca se produzca menor energiacutea de la especificada por el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado anteriormente De esta forma la aproximacioacuten dependeraacute de la
94
potencia en condiciones estaacutendar del moacutedulo a utilizar (STC por sus siglas en ingleacutes) Este nuacutemero de moacutedulos seraacute capaz de suministrar el porcentaje de consumo especificado con el estudio de cargas y con el presupuesto del proyecto con el nuacutemero de paneles especificados se puede conocer la potencia fotovoltaica instalada resultado del producto entre el nuacutemero de paneles y la potencia que cada panel puede suministrar bajo las STC [10] Asiacute entonces la potencia fotovoltaica instalada seraacute
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 = 119875119898119901119901 119873119901119886119899119890119897119890119904 120785 120783120782
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 potencia fotovoltaica instalada 119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Este paraacutemetro puede dar un indicio de la capacidad que debe tomar el inversor interactivo con la red eleacutectrica debido a que seraacute la potencia que en un instante dado bajo condiciones ambientales adecuadas puede suministrar el arreglo fotovoltaico al consumo Asiacute entonces se debe procurar que
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 le 119875119868119899119907 120785 120783120783
119875119868119899119907 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Violar la expresioacuten anterior no afectaraacute la esperanza de vida ni el funcionamiento del inversor debido a que la potencia fotovoltaica nominal del inversor especifica cuanta potencia es capaz de transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y a la red si el arreglo fotovoltaico produce maacutes potencia simplemente el inversor no la aprovecharaacute para el consumo Sin embargo se evita en la etapa de disentildeo este tipo de problemas debido a que produce sistemas poco eficientes Una vez especificado la potencia fotovoltaica instalada del arreglo se puede calcular cuanta energiacutea puede producir dicho arreglo mes a mes Para ello se debe evaluar el comportamiento del arreglo fotovoltaico con el vector de Horas Solar Pico como se muestra en la siguiente expresioacuten [10]
120643119943 119946 = 119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 (120578119894119899119907100) (
1119896119882
1000119882) 119919119956119953119946119940119952 lowast 120785 120783120784
120643119943 119946 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico mes a mes
De esta forma se puede analizar mes a mes la produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico seguacuten el recurso solar disponible La suma de las componentes de
95
este paraacutemetro representaraacute la energiacutea total que se puede producir en un antildeo de operacioacuten del sistema Seguacuten lo anterior se tiene
120585119891119886ntilde119900 = sum 120643119943 119946 120785 120783120785
12
119894=1
120585119891119886ntilde119900 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico anual
Debido a la aproximacioacuten al entero mayor maacutes proacuteximo especificada en la ecuacioacuten 39 se puede esperar que la produccioacuten energeacutetica anual del sistema fotovoltaico sea mayor a la calculada seguacuten el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado al principio de los caacutelculos Cabe aclarar que entre menor sea el ajuste en dicha expresioacuten menor seraacute la diferencia entre la energiacutea anual que el arreglo fotovoltaico puede producir al estimado por el porcentaje de incidencia del sistema especificado en la ecuacioacuten 313 Con esta informacioacuten teoacuterica se puede dimensionar un sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas cabe resaltar que aprovechar la energiacutea que produce el sistema fotovoltaico dependeraacute de si el perfil de carga se adapta a las horas del diacutea en donde el arreglo fotovoltaico produce energiacutea esto debido a que en un entorno como el de Colombia no trae ninguacuten beneficio econoacutemico inyectar energiacutea a la red por tanto los usuarios que deseen adquirir un sistema fotovoltaico de este tipo deberaacuten tener un mayor consumo de energiacutea en la medida de lo posible en horas de la mantildeana o al medio diacutea y no en la noche como es lo usual solo de esta forma se evitara inyectar mucha energiacutea a la red y se aprovecharaacute la producida por el sistema fotovoltaico
96
Capiacutetulo 4
DESARROLLO DE UN APLICATIVO DE DISENtildeO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS PARA LA EMPRESA COLOMBIAN SOLAR SYSTEMS
SAS
En la actualidad es faacutecil encontrar en su totalidad los elementos necesarios para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico La diversidad de fabricantes especializados en la creacioacuten de elementos para este tipo de generacioacuten origina la posibilidad de encontrar en el mercado diferentes elementos de distinta capacidad caracteriacutesticas eleacutectricas y funciones para abastecer el mercado fotovoltaico que cada antildeo crece la situacioacuten que realmente aqueja al campo de la energiacutea solar es por lo tanto no la dificultad para encontrar la diversidad en los elementos si no la exactitud para la escogencia de uno entre varios El modelamiento de cualquier sistema fotovoltaico estaacute dado por dos paraacutemetros
fundamentales los cuales son carga y recurso solar Para poder comprender la
teoriacutea de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos es necesario entrar en
detalle con el consumo de energiacutea eleacutectrica en el recinto rural o residencial donde
se desea disponer de la generacioacuten a partir de energiacutea solar y adicionalmente
tener valores acertados de radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo Un
conjunto de valores acertados de estos dos paraacutemetros fundamentales seraacuten de
gran importancia para un correcto dimensionamiento
Uno de los objetivos especiacuteficos para este proyecto es plantear un aplicativo
capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector residencial y rural para el
territorio colombiano con el fin de garantizar mejores disentildeos para la empresa
Colombian Solar Systems Para desarrollarlo se utilizoacute el ambiente graacutefico
proporcionado por Matlab conocido como Guide Matlab y que permite interactuar
con varias interfaz graacuteficas
El aplicativo consta de 16 interfaces graacuteficas que calculan los distintos paraacutemetros
necesarios para el disentildeo de sistemas fotovoltaicos de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada sobre consumo recurso solar y capacidad nominal de los
dispositivos que componen el sistema fotovoltaico Cada interfaz graacutefica
proporciona la informacioacuten necesaria para que el usuario busque de acuerdo a sus
proveedores los componentes que cumplan con las necesidades del sistema sin
embargo una vez escogido el dispositivo y por tanto sus valores nominales el
aplicativo estaacute programado para verificar que los rangos operativos de potencia
tensioacuten y corriente de los dispositivos sean adecuados respecto a los valores
necesarios del sistema fotovoltaico esto con el fin de que en la etapa de disentildeo se
97
busquen los elementos que mejor se adapten a las condiciones del sistema
fotovoltaico
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMO
El aplicativo posee un algoritmo cuantitativo capaz de interactuar con varias
interfaces graacuteficas guardando la informacioacuten necesaria entre cada una de ellas y
entregando la informacioacuten necesaria al usuario para buscar los dispositivos que
sean maacutes pertinentes El aplicativo inicia con una interfaz graacutefica en donde
pregunta al usuario cuaacutel es el sistema fotovoltaico que desea modelar (sistema
autoacutenomo o sistema interconectado a red) a partir de esta interfaz inicial se
ejecuta el proceso a seguir debido a que son sistemas totalmente distintos Al
final el algoritmo verifica que los datos nominales de los dispositivos sean los
adecuados Cabe aclarar que la certeza de los resultados entregados por el
aplicativo seraacuten proporcionales a la validez de los datos entregados como
entradas tales como recurso solar estudio de cargas y valores nominales de los
dispositivos esta informacioacuten seraacute consultada por el usuario por sus medios de
confianza
A continuacioacuten se presenta el diagrama de flujo del algoritmo desarrollado para el
aplicativo
98
INICIO
Estudio de
cargas
Estudio de consumo y
recurso solar
iquestCONTINUAR
CONTINUAR
Informacioacuten de
carga
Datos de
inversor
Recurso
solar y
estabilidad
CONTINUAR
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada con
peacuterdidas en inv
yo bat
Informacioacuten del panel solar
Potencia fv calculada
Datos de panel solar
Temperatura prom
miacutenima y maacutexima
iquestCONTINUAR
Potencia fv instalada y
configuracioacuten
Escoger opcioacuten
Informacioacuten de tensioacuten
del arreglo
Informacioacuten inversor
interconectado a red
Informacioacuten detallada del
arreglo
CONTINUAR
Tipo de sistemas
fotovoltaicos
NO
SI
NO
SI
SI NO
SI
NO
SI
SI NO
99
Potencia fotovoltaica instalada
iquestCONTINUAR
Informacioacuten sobre bateriacutea
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas Configuracioacuten del banco
de bateriacuteas (sin peacutedidas)
Configuracioacuten del banco de
bateriacuteas (con peacutedidas)
iquestCONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Tipo de regulador
Corriente maacutexima
de carga
Corriente maacutexima de
carga potencia fv
Escoger
configuracioacuten
Escoger
configuracioacuten
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
PWM
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas VERIFICACIOacuteN
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
MPPT
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
VERIFICACIOacuteN
FIN
VERIFICACIOacuteN
INFORME
SI
NO
NO SI
NO
SI
MPP
T PW
M
NO
SI
NO
SI
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el
aplicativo
100
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVO
El diagrama de flujo del algoritmo descrito anteriormente describe el
funcionamiento del aplicativo sin embargo es necesario describir cada interfaz
graacutefica que lo compone y el ambiente graacutefico con el que el usuario va a
interactuar
Al seleccionar el icono que hace el llamado al aplicativo abre la primera interfaz
graacutefica a la que el usuario podraacute acceder Esta permite escoger el tipo de sistema
fotovoltaico que desea desarrollar asiacute el usuario podraacute escoger entre un sistema
aislado o un sistema interconectado a red (sin respaldo de bateriacuteas) Al escoger
una de las dos opciones se empezaraacute con el proceso de dimensionamiento
descrito en el diagrama de flujo del algoritmo
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuesto
Al seleccionar ldquoSISTEMA AISLADOrdquo el aplicativo hace un llamado a la interfaz
graacutefica descrita en la figura 43 que representa la interfaz que permite al usuario
entregar la informacioacuten pertinente al estudio de cargas explicado en la seccioacuten
221 (Estimacioacuten del consumo y carga) Esta contiene una tabla editable por el
usuario en donde se especifica el nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea
energizar su potencia nominal y horas de uso al diacutea que se pretende utilizar dicho
grupo de aparatos Una vez especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute
acceder a la siguiente interfaz graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o podraacute acceder a
la interfaz de la figura 42 en cualquier momento escogiendo el iacutecono ldquoATRAacuteSrdquo
101
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo
La figura 44 representa a una interfaz graacutefica que tiene como objetivo informar el
consumo de energiacutea diaria y anual con el fin de que el usuario se entere de
cuanta energiacutea el arreglo fotovoltaico autoacutenomo deberaacute generar al diacutea y al antildeo
Figura 44 Informacioacuten de consumo
Se puede acceder a esta informacioacuten seleccionando ldquoCALCULARrdquo y una vez
especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute acceder a la siguiente interfaz
graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o si desea hacer alguna modificacioacuten al estudio
de cargas lo podraacute hacer seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo
102
La figura 45 representa la manera coacutemo se modelaraacute el inversor autoacutenomo en el
aplicativo Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se entrega al usuario la informacioacuten acerca
de la carga maacutexima que el sistema fotovoltaico tendraacute que alimentar a una hora
del diacutea esta situacioacuten se presenta cuando se interconectan todas las cargas
descritas en la etapa de estudio de carga (figura 43) El inversor autoacutenomo deberaacute
soportar esta condicioacuten es decir que la capacidad nominal de potencia que el
inversor puede transmitir a las cargas deberaacute de ser mayor que la potencia
maacutexima que estas alcancen Cabe recordar que el inversor autoacutenomo no solo se
escogeraacute de acuerdo a la anterior circunstancia si no a otras caracteriacutesticas
eleacutectricas nominales de las cargas tales como frecuencia tensioacuten tipo de onda y
distorsioacuten armoacutenica total El usuario deberaacute verificar que las caracteriacutesticas
eleacutectricas del inversor cumplan con las caracteriacutesticas nominales de la carga Asiacute
entonces el usuario deberaacute consultar los datos nominales del inversor autoacutenomo
que desea usar y llenar la informacioacuten requerida en los espacios correspondientes
teniendo en cuenta las unidades especificadas en cada espacio hay que tener
presente que la tensioacuten nominal DC del inversor autoacutenomo deberaacute ser la misma
que la tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten del banco de bateriacuteas es
en esta situacioacuten en donde se justifica que el aplicativo verifique las tensiones
nominales del banco de bateriacuteas y el inversor ya que es muy comuacuten que el usuario
olvide dicha circunstancia
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo
103
El usuario podraacute regresar a la interfaz de la informacioacuten de consumo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 46 representa a la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique ciertos factores de estabilidad del sistema fotovoltaico tales como
diacuteas de autonomiacutea (descrito en la seccioacuten 223) tiempo de recuperacioacuten del
sistema (descrito en la seccioacuten 224) horas solar pico promedio del peor mes de
radiacioacuten del antildeo (descrito en la seccioacuten 222) y rango de temperatura
(temperatura promedio miacutenima y maacutexima del antildeo de estudio) Esta informacioacuten
seraacute usada por el algoritmo para determinar la potencia fotovoltaica necesaria para
suplir el consumo el nuacutemero de bateriacuteas necesarias para suministrar energiacutea
durante el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y calcular tanto el rango de tensioacuten de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la tensioacuten maacutexima del arreglo en condiciones
de circuito abierto y temperatura baja
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico
El usuario podraacute regresar a la interfaz del modelamiento del inversor autoacutenomo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 47 representa a la interfaz graacutefica que tiene como objetivo calcular el
nuacutemero de paneles necesarios para la aplicacioacuten de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada por el usuario en las interfaces anteriores
104
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria
En el tablero de ldquoinformacioacutenrdquo se especifica mediante un ldquoradio buttonrdquo si el usuario
desea involucrar en el disentildeo peacuterdidas por parte del inversor yo bateriacuteas Aunque
se recomienda modelar sistemas fotovoltaicos con peacuterdidas debido a que son
modelos maacutes cercanos a la realidad de manera acadeacutemica puede llegar a ser
interesante observar en cuanta potencia fotovoltaica se incrementa el arreglo al
involucrar la eficiencia del inversor yo la eficiencia de las bateriacuteas (usualmente
aceptada en el 80) Cual sea el caso se puede acceder a esta informacioacuten en el
espacio ldquoPotencia fotovoltaica calculadardquo seleccionando en el tablero de
informacioacuten ldquoCALCULARrdquo Este caacutelculo tendraacute en cuenta los diacuteas de recuperacioacuten
del sistema y tiempo de autonomiacutea (explicados en la seccioacuten 22 paraacutemetros
necesarios para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo) de
acuerdo a la ecuacioacuten 224
De acuerdo con la ecuacioacuten 225 en la seccioacuten 232 es necesario especificar la
potencia del panel solar que se desea implementar para saber el nuacutemero de
paneles necesarios Esta informacioacuten se debe entregar en el recuadro
denominado ldquoParaacutemetros panel solarrdquo junto con la informacioacuten acerca del panel
especificada en dicho espacio esta informacioacuten seraacute almacenada y usada en las
proacuteximas interfaces graacuteficas
Una vez especificada toda la informacioacuten se podraacute acceder al nuacutemero de paneles
necesarios para el sistema fotovoltaico seleccionando ldquoCALCULARrdquo en el tablero
llamado ldquoCaacutelculo de potencia fotovoltaica y nuacutemero de moacutedulosrdquo
105
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la estabilidad del sistema
autoacutenomo seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 48 representa a la interfaz graacutefica que permite dar a conocer al usuario
cuantas bateriacuteas se necesitan para abastecer de energiacutea a las cargas de acuerdo
al nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea dato entregado en la interfaz representada en la
figura 46
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas
El usuario deberaacute consultar las caracteriacutesticas teacutecnicas de la bateriacutea y entregarlas
en los espacios especificados de la interfaz graacutefica tal como capacidad de la
bateriacutea tensioacuten de la bateriacutea (ambos paraacutemetros determinan cuanta capacidad de
almacenamiento en Wh posee la bateriacutea) maacutexima tensioacuten de carga (que depende
netamente del tipo de bateriacutea y su construccioacuten) y liacutemite de descarga maacuteximo (que
determinaraacute la esperanza de vida de la bateriacutea cabe recordar que entre menor
sea este liacutemite mayor tiempo de vida tendraacute el banco de bateriacuteas) una vez
especificada esta informacioacuten el usuario podraacute escoger si desea tener en cuenta
en el caacutelculo las peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas al igual que en el caso de
la potencia fotovoltaica calculada suele ser interesante observar el incremento de
la capacidad de almacenamiento calculada o necesaria teniendo en cuenta
peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas sin embargo este trabajo recomienda que
siempre se tengan en cuenta las peacuterdidas debido a que se aproximan a un
sistema mucho maacutes real y mejor dimensionado
106
Con la informacioacuten lista el usuario podraacute calcular el nuacutemero de bateriacuteas
necesarias desplazando el ldquopop-up menuacuterdquo correspondiente a la tensioacuten del
sistema este iacutecono permite escoger entre 12V 24V 36V y 48V de acuerdo a la
explicacioacuten dada en la seccioacuten 231 (Dimensionamiento del banco de bateriacuteas)
esta tensioacuten determina la configuracioacuten del banco de bateriacuteas Debido a que es
muy comuacuten que el nuacutemero de bateriacuteas necesarias no sea divisible exactamente
por el nuacutemero de bateriacuteas en serie (dadas por el cociente entre la tensioacuten del
sistema y la tensioacuten de la bateriacutea) es necesario reajustar el nuacutemero de bateriacuteas
lo que conlleva a reajustar nuevamente el liacutemite de descarga maacuteximo debido a
que con el nuacutemero de bateriacuteas reajustado que siempre seraacute mayor al calculado el
banco de bateriacuteas se descargaraacute menos que lo especificado por el usuario Esta
informacioacuten se encuentra en los espacios correspondientes a bateriacuteas en serie
nuacutemero de bateriacuteas seguacuten configuracioacuten y liacutemite de descarga ajustado al arreglo
de bateriacuteas
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la potencia fotovoltaica calculada
o necesaria seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo
seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 49 representa la interfaz que pretende que el usuario escoja el tipo de
regulador de carga que desea para la aplicacioacuten de acuerdo a la teoriacutea explicada
en las secciones 2131 y 2132 (REGULADORES PWM y REGULADORES
MPPT respectivamente)
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga
107
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del disentildeo del banco de bateriacuteas
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoREGULADOR PWMrdquo o ldquoREGULADOR CON SEGUIMIENTO MPPTrdquo
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWM
La figura 410 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
adquiera la informacioacuten necesaria para encontrar un regulador PWM adecuado
para la aplicacioacuten Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se adquiere la informacioacuten acerca
de Corriente maacutexima de la carga y la informacioacuten pertinente a la configuracioacuten del
arreglo fotovoltaico
Figura 410 Regulador PWM
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Corriente maacutexima de la carga es la corriente a la salida del regulador cuando
todas las cargas esteacuten interconectadas los fabricantes de reguladores PWM
deben especificar dicho paraacutemetro y por tanto se debe tener en cuenta por el
usuario
Dicha corriente se calcula de la siguiente forma
119894119898aacute119909119897119900119886119889 =119875119879119860119862
119907119900 120786 120783
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda
119907119900 tensioacuten del sistema 119894119898119886119909119897119900119886119889 corriente maacutexima de la carga
108
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
Una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a conocer la
informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 del arreglo fotovoltaico corriente de
cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad y corriente mppt en
condiciones STC del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten deberaacute de ser
corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador A
continuacioacuten se explica cada teacutermino
Tensioacuten de operacioacuten del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del nuacutemero de
paneles en serie que el usurario haya escogido en el recuadro de ldquointerconexioacuten
de moacutedulosrdquo y la tensioacuten mpp (119881119898119901) de cada moacutedulo fotovoltaico Cabe resaltar
que esta tensioacuten es calculada bajo las STC (25degc y 1000119882 1198982frasl ) por tanto este
dato no es totalmente real debido a que en algunas aplicaciones discrepan de
dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de la tensioacuten que el arreglo
fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea Se calcula seguacuten la siguiente
expresioacuten
119881119898119901_119886119903119903119886119910 = 119873119901119904119890119903119894119890 119881119898119901 120786 120784
En donde
119881119898119901_119886119903119903119886119910 tensioacuten de operacioacuten o de punto de maacutexima potencia del arreglo
fotovoltaico seguacuten las STC
119873119901119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie escogidos seguacuten configuracioacuten
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia del panel especificado por el fabricante
Corriente de cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad este dato es
funcioacuten del nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la
opcioacuten escogida por el usuario y de la corriente de cortocircuito (119894119888119888) algunos
autores recomiendan aumentar el dato real en un 25 con el fin de que el
regulador de carga pueda soportar esta condicioacuten sin sufrir dantildeos Asiacute entonces el
109
usuario deberaacute escoger un regulador de carga que tenga una capacidad de
corriente mayor o igual a la calculada [10]
Corriente en condiciones STC del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del
nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la opcioacuten
escogida por el usuario y de la corriente de mpp especificada por el fabricante del
moacutedulo Cabe resaltar que esta corriente es calculada bajo las STC (25degC y
1000119882 1198982frasl ) por tanto este dato no es totalmente real debido a que en algunas
aplicaciones discrepan de dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de
la corriente que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a capacidad de corriente de
regulador PWM tensioacuten nominal del regulador y tensioacuten maacutexima admisible por el
regulador PWM Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el regulador es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten tipo de regulador de
carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWM
La figura 411 representa la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
110
Figura 411 verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWM
En la interfaz representada en la figura 46 (Paraacutemetros que definen la estabilidad
del sistema fotovoltaico) se encuentran los espacios para que el usuario
especifique la temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima
que se encuentra en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar esto con el
fin de que el aplicativo calcule los valores de tensioacuten que resulten importantes para
el dimensionamiento tales como tensioacuten maacutexima 119881119898119901 119898aacute119909 del arreglo fotovoltaico
(calculada con la miacutenima temperatura promedio) tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico (calculada con la maacutexima temperatura promedio) y tensioacuten
maacutexima del arreglo fotovoltaico (calculada en condiciones de circuito abierto y
miacutenima temperatura promedio) Todos estos valores se muestran al usuario una
vez escogido el iacutecono ldquoCALCULARrdquo en la interfaz representada en la figura 411
(los caacutelculos obedecen a las ecuaciones 21 22 y 23)
En el recuadro llamado ldquoVerificacioacuten del regulador PWMrdquo se hacen dos
comparaciones una de ellas es acerca del valor de tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico y la tensioacuten 119881119898119894119899119887119886119905 en donde el banco de bateriacuteas estaacute
descargado El software PVSol expert recomienda que la tensioacuten de la bateriacutea no
sea menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo fotovoltaico (119881119898119901)
esto con el fin de evitar que la tensioacuten del arreglo fotovoltaico se aleje mucho de la
tensioacuten de la bateriacutea cabe resaltar que entre mayor sea esta diferencia de
tensiones menor potencia seraacute aprovechada por el sistema fotovoltaico [37 38]
La tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas es funcioacuten del liacutemite de descarga
descrito en la interfaz representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de
111
bateriacuteas) De esta forma es necesario poder calcular la tensioacuten de acuerdo al
liacutemite de descarga Partiendo de la informacioacuten suministrada en la tabla 6 (Estado
de carga de una bateriacutea) se hace una regresioacuten lineal con el fin de poder
encontrar la expresioacuten que involucre la relacioacuten tensioacuten de la bateriacutea vs estado de
descarga de esta forma se tiene lo siguiente
Figura 412 tensioacuten de la bateriacutea VS estado de carga
De la anterior regresioacuten se tiene entonces
119881119898iacute119899119887119886119905 = 0012 119878119900119888 + 116 120786 120785
En donde
119878119900119888 estado de carga de la bateriacutea (State of charge)
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima de la bateriacutea al liacutemite de descarga especificado
El estado de carga de la bateriacutea se puede representar como liacutemite de descarga de
la siguiente manera
119878119900119888 = 100 minus lim 120786 120786
En donde el valor del liacutemite de descarga seraacute el calculado en la interfaz
representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de bateriacuteas) con el nombre de
ldquoliacutemite de descarga adjuntado al arreglordquo
Es usual que la mayoriacutea de bateriacuteas de uso solar trabajen a 12V sin embargo
existen bateriacuteas que tiene valores distintos los maacutes usuales son 2V y 6V a pesar
de esto la construccioacuten de la bateriacutea es la misma por tanto se puede adaptar la
Y = 0012X + 116
114
116
118
12
122
124
126
128
13
0 20 40 60 80 100 120
Tensioacuten de la bateria VS Estado de carga
112
anterior relacioacuten dividiendo entre 2 para el caso de bateriacuteas de 6V y entre 6 para el
caso de bateriacuteas de 2V
Para encontrar entonces la tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas se debe primero
encontrar el nuacutemero de bateriacuteas en serie De la siguiente forma
119873119887119886119905_119904119890119903119894119890 =119881119900
119881119887119886119905 120786 120787
El nuacutemero de bateriacuteas en serie tomaraacute valores enteros siempre y cuando la
bateriacutea tenga tensiones de 12V 6V o 2V En este trabajo se limita el uso de
bateriacuteas con estos tres tipos de tensiones
Una vez encontrado el nuacutemero de bateriacuteas en serie y la tensioacuten miacutenima de la
bateriacutea escogida para la aplicacioacuten se puede encontrar la tensioacuten miacutenima del
banco de bateriacuteas de la siguiente forma
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898119894119899119887119886119905 120786 120788
En donde
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima en funcioacuten del estado de carga de la bateriacutea
Asiacute entonces una vez encontrado el valor de la tensioacuten miacutenima del banco de
bateriacuteas y la tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico el aplicativo verifica los
valores de tensioacuten de la siguiente forma
60 le119881119898iacute119899119887119886119899119888119900 100
119881119898119901 119898iacute119899 120786 120789
En done
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 tensioacuten cuando el banco de bateriacuteas esta descargado
119881119898119901 119898119894119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre menos moacutedulos en serie escoger otro panel con menor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de aumentar el nuacutemero de
bateriacuteas en serie
113
La segunda comparacioacuten que se hace en el recuadro ldquoverificacioacuten de las tensiones
MPPrdquo es acerca de la tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la
maacutexima tensioacuten del banco de bateriacuteas
La tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas seraacute funcioacuten de la tensioacuten maacutexima de
carga de la bateriacutea y el nuacutemero de bateriacuteas en serie
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar al banco de bateriacuteas la tensioacuten necesaria
para cargarlo este dato seraacute funcioacuten de la tensioacuten de carga ciacuteclica (Cyclic
charging voltaje) especificado por el fabricante de la bateriacutea El usuario debe
especificar este dato en la interfaz representada con la figura 48 (Disentildeo del
banco de bateriacuteas)
Una vez especificado la tensioacuten de carga ciacuteclica el aplicativo podraacute calcular la
tensioacuten maacutexima vista desde el arreglo fotovoltaico para cargar el banco de
bateriacuteas a continuacioacuten se muestra coacutemo
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898aacute119909119887119886119905 120786 120790
119873119887119886119905119904119890119903119894119890 nuacutemero de bateriacuteas en serie
119881119898119886119909119887119886119905 tensioacuten maacutexima de la bateriacutea
119881119898119886119909119887119886119899119888119900 tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar la tensioacuten necesaria para que el banco
de bateriacuteas se cargue de manera satisfactoria por tanto en la etapa de disentildeo del
sistema fotovoltaico se debe garantizar que la tensioacuten maacutexima requerida por el
banco de bateriacuteas no sea mayor a la tensioacuten que puede suministrar el arreglo
fotovoltaico de esta forma el aplicativo deberaacute verificar esta situacioacuten
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 lt 119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 120786 120791
En donde
119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo temperatura
promedio miacutenima
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre maacutes moacutedulos en serie escoger otro panel con mayor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de que disminuya el nuacutemero de
bateriacuteas en serie y por tanto la tensioacuten maacutexima de carga del banco
114
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del regulador
El aplicativo propuesto para este trabajo evaluacutea la capacidad de corriente que el
regulador de carga puede transmitir con la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico junto con un factor de seguridad el 25
La corriente de cortocircuito del regulador se calcula seguacuten el nuacutemero de cadenas
en paralelo y la corriente de cortocircuito de cada panel solar De la siguiente
forma
119868119888119888_119886119903119903119886119910 = 119873119904119905119903119894119899119892 119894119888119888 125 120786 120783120782
En donde
119868119888119888_119886119903119903119886119910 corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico
119873119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de cadenas en paralelo seguacuten configuracioacuten escogida
119894119888119888 corriente de cortocircuito del moacutedulo escogido
En la etapa de disentildeo del sistema fotovoltaico este valor de corriente deberaacute ser
menor a la capacidad de corriente maacutexima del regulador de carga con el fin de
que no sufra dantildeos graves bajo esta circunstancia Aunque los valores
especificados por el fabricante del panel solar estaacuten dados bajo las STC es muy
comuacuten que las aplicaciones solares discrepen de dichas condiciones en ciertas
horas del diacutea se puede obtener valores mayores a los 1000119882 1198982frasl lo que
aumentaraacute la produccioacuten de corriente eleacutectrica es por esta razoacuten que se supone
un 25 de factor de seguridad con el fin de darle al regulador un mejor
dimensionamiento en condiciones de mucha radiacioacuten solar
Seguacuten lo anterior el aplicativo deberaacute hacer la siguiente verificacioacuten
119868119888119888_119886119903119903119886119910 lt 119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120783
En donde
119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 corriente maacutexima del regulador PWM especificada por el fabricante
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de cadenas del arreglo yo cambiando el regulador PWM por otro con
mayor capacidad de corriente
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador
115
En la seccioacuten 4221 se hacen las verificaciones pertinentes a las tensiones de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico para este caso se hace algo muy similar solo
que ya no se tienen en cuenta la tensioacuten de operacioacuten del panel solar si no la
tensioacuten de circuito abierto y junto con la temperatura promedio miacutenima producen la
mayor tensioacuten que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar Asiacute entonces se busca
que el regulador de carga sea capaz de soportar dicha condicioacuten y por tanto en la
etapa de disentildeo se necesita que el aplicativo calcule este dato
Asiacute entonces al aplicar la ecuacioacuten 21 se obtiene el valor de la tensioacuten maacutexima
del arreglo fotovoltaico y en la interfaz descrita en la anterior figura el aplicativo
verificaraacute que dicha tensioacuten no sea mayor a la maacutexima que el regulador de carga
PWM pueda soportar De esta forma se tiene
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 lt 119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120784
119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 tensioacuten maacutexima del regulador de carga especificada por el
fabricante
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de paneles en serie del arreglo escogiendo otro panel que tenga menor
tensioacuten de circuito abierto yo cambiando el regulador PWM por otro con mayor
capacidad de tensioacuten
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor
El aplicativo propuesto para este trabajo verifica que los valores de tensioacuten DC y
potencia maacutexima del grupo de cargas del sistema fotovoltaico sean adecuados
con los valores del inversor escogido el usuario tendraacute entonces una valoracioacuten
acerca de si el dispositivo se puede usar para la aplicacioacuten a desarrollar o si por el
contrario es necesario cambiarlo
En la interfaz representada en la figura 45 (Modelamiento del inversor autoacutenomo)
se entrega al usuario la informacioacuten acerca de la potencia maacutexima que el conjunto
de cargas alcanzariacutea si todo estuviese interconectado a la vez Este trabajo
propone que el inversor sea capaz de soportar dicha situacioacuten con el fin de que
116
las personas beneficiadas de la instalacioacuten solar no tengan limitantes respecto al
nuacutemero de aparatos eleacutectricos que quieran interconectar para lograr esto el
aplicativo verificaraacute que la potencia del inversor escogido por el usuario pueda
operar bajo dicho evento De esta forma se tiene
119875119879119860119862 lt 119875119894119899119907119890119903119904119900119903 120786 120783120785
119875119879119860119862 potencia maacutexima de la demanda
119875119894119899119907119890119903119904119900119903 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga el
cambio pertinente del inversor debido a que este no podraacute trabajar bajo esas
circunstancias
La otra verificacioacuten que el aplicativo hace es acerca de la tensioacuten nominal de
entrada al inversor que es de caraacutecter continuo Este valor deberaacute ser igual a la
tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten a la que operaraacute el banco de
bateriacuteas De esta forma se tiene que
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 = 1198810 120786 120783120786
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 tensioacuten nominal a la entrada del inversor
1198810 tensioacuten del sistema
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y cambie
el inversor por uno que se acople a la tensioacuten escogida del sistema a desarrollar
Con esta comparacioacuten termina el modelamiento de un sistema fotovoltaico aislado
con regulador PWM usando el aplicativo propuesto
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPT
La figura 413 representa la interfaz para modelar un sistema fotovoltaico con
regulador MPPT para acceder a esta el usuario deberaacute escoger el iacutecono
ldquoREGULADOR MPPTrdquo en la interfaz representada con la figura 49 (Seleccioacuten tipo
de regulador de carga)
117
Figura 413 Regulador MPPT
En esta interfaz se entrega al usuario informacioacuten necesaria para encontrar un
regulador tipo MPPT que se ajuste al arreglo fotovoltaico dicha informacioacuten
aparece cuando el usuario escoge el iacutecono ldquoCALCULARrdquo y se describe a
continuacioacuten
Corriente maacutexima de la carga al igual que con el regulador PWM el regulador
MPPT tiene un valor maacuteximo de corriente a la salida para el cual fue disentildeado por
tanto se busca que el regulador sea capaz de soportar la corriente maacutexima de la
carga calculada con la expresioacuten 41
Potencia fotovoltaica instalada este dato da al usuario un indicio del regulador
MPPT que debe escoger debido a que es la potencia que debe transmitir a las
cargas Se calcula de la siguiente forma
119875119891119907_119894119899119904119905 = 119873119901119886119899119890119897119890119904 119875119898119901119901 120786 120783120787
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles calculados
119875119898119901119901 potencia del panel en condiciones STC
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
118
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
De manera similar a la interfaz que representa al modelamiento del regulador
PWM una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a
conocer la informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 (punto de maacutexima potencia) del
arreglo fotovoltaico y corriente de cortocircuito del arreglo esta informacioacuten deberaacute
de ser corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Potencia nominal DC del regulador este dato es especificado por el fabricante del
regulador y significa la cantidad de potencia que el regulador MPPT puede
transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y al banco de bateriacuteas En
algunas eacutepocas del antildeo los arreglos fotovoltaicos pueden producir maacutes potencia
de la especificada por el fabricante del regulador este podraacute soportar dicha
situacioacuten pero solo aprovecharaacute la potencia especificada por el fabricante el resto
la desecharaacute
Tensioacuten maacutexima admisible por el regulador como todo dispositivo electroacutenico los
reguladores de carga tipo MPPT poseen un liacutemite de tensioacuten maacutexima este dato es
especificado por el fabricante y depende netamente de su construccioacuten y
componentes operar por encima de dicho liacutemite podraacute dantildear el regulador o reducir
su esperanza de vida Aunque algunos fabricantes de reguladores poseen una
proteccioacuten contra sobretensiones se recomienda instalar protecciones por aparte
tales como DPS (Dispositivo de Proteccioacuten contra Sobretensiones) en la entrada
de regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con el fin de brindarle un mayor
respaldo al regulador
Maacutexima corriente a la entrada del regulador MPPT al igual que en el caso de la
tensioacuten los reguladores de carga MPPT poseen un liacutemite de corriente que
depende netamente de la construccioacuten del dispositivo estos valores son
especificados en las hojas teacutecnicas del regulador facilitadas por el fabricante con
el fin de que el usuario sepa cuanta corriente el arreglo fotovoltaico puede debe
producir para no dantildear el dispositivo Aunque algunos fabricantes de reguladores
poseen una proteccioacuten contra sobre-corrientes se recomienda instalar
protecciones en la entrada del regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con
119
el fin de abrir el circuito del sistema cuando se desea hacer un mantenimiento o
reparar el regulador y brindarle un mayor respaldo contra fallas al regulador
Liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor miacutenimo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por debajo de este liacutemite causaraacute que el regulador se apague por tanto se intenta
que la tensioacuten de operacioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico calculada con la
maacutexima temperatura promedio sea mayor a este valor asiacute se garantiza que el
arreglo fotovoltaico opere en el punto de maacutexima potencia en todo momento
Liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por encima de este liacutemite implica que el regulador no rastrearaacute el punto de maacutexima
potencia y si alcanza valores muy elevados pondraacute en riesgo el funcionamiento del
regulador por tanto se intenta que la tensioacuten de operacioacuten maacutexima del arreglo
fotovoltaico que es calculada con la temperatura promedio miacutenima sea menor a
este valor asiacute se garantiza que el arreglo fotovoltaico opere en el punto de
maacutexima potencia y no se ponga en riesgo el funcionamiento del dispositivo
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a tensioacuten maacutexima admisible por
el regulador potencia nominal DC del regulador maacutexima corriente a la entrada del
regulador MPPT liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante y liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el inversor es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten de tipo de regulador
de carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoVERIFICACIOacuteN DEL SISTEMArdquo
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPT
La figura 414 representa a la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
120
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPT
De manera similar a la seccioacuten 4221 (Verificacioacuten de las tensiones MPP usando
regulador PWM) el aplicativo calcula las tensiones maacuteximas y miacutenimas en funcioacuten
de la temperatura promedio miacutenima y maacutexima respectivamente la gran diferencia
radica en que la verificacioacuten no se hace respecto a las tensiones de carga y
descarga del banco de bateriacuteas si no respecto a la ventana de tensioacuten de
seguimiento de punto de maacutexima potencia del regulador MPPT que es
especificado por el fabricante De esta manera en la etapa de verificacioacuten del
sistema el aplicativo deberaacute hacer las siguientes comparaciones
119881119898119901 119898iacute119899 gt 119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 120786 120783120788
119881119898119901 119898aacute119909 le 119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 120786 120783120789
En donde
119881119898119901 119898iacute119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo miacutenima temperatura
promedio
119881119898119901 119898aacute119909 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 liacutemite de tensioacuten miacutenima de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
121
119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 liacutemite de tensioacuten maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
Si alguna de las anteriores expresiones no se cumplen en el recuadro de
recomendaciones se hace un comentario con el fin de que el usuario se entere de
dicha situacioacuten y haga los cambios pertinentes tales como escoger otra
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que ajuste los niveles de tensioacuten del inversor
escoger otro panel con mejor caracteriacutesticas de tensioacuten o escoger otro inversor
cuya ventana de tensioacuten se ajuste a las caracteriacutesticas del arreglo fotovoltaico
42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador
MPPT
Seguacuten las caracteriacutesticas constructivas del regulador y sus componentes el
regulador podraacute transmitir cierta cantidad de potencia desde el arreglo fotovoltaico
hacia las cargas por tanto en la etapa de disentildeo se intenta que el regulador tipo
MPPT tenga un liacutemite de potencia tal que sea mayor a la potencia del arreglo
fotovoltaico De esta forma el aplicativo deberaacute verificar lo siguiente
119875119891119907_119894119899119904119905 le 119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 120786 120783120790
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada (ver expresioacuten 415)
119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 potencia DC a la entrada del regulador de carga tipo MPPT
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten Se
recomendaraacute cambiar de regulador por otro con mayor capacidad de potencia con
el fin de aprovechar la potencia generada por el arreglo suponiendo las STC cabe
aclarar que hay eacutepocas del antildeo en donde se puede encontrar una irradiancia
mayor a los 1000119882 1198982frasl por tanto el arreglo fotovoltaico podraacute generar mayor
potencia eleacutectrica que la estipulada por la potencia fotovoltaica calculada bajo las
STC (ver expresioacuten 415) esta situacioacuten no pone en riesgo el regulador de carga
debido a que el regulador solo entregaraacute la potencia nominal y el resto no la
aprovecharaacute generando sistemas fotovoltaicos maacutes ineficientes
Las demaacutes verificaciones de caracteriacutesticas eleacutectricas del regulador MPPT y del
inversor tales como corriente maacutexima del regulador tensioacuten maacutexima del regulador
tensioacuten nominal del inversor y potencia AC del inversor seraacuten iguales a las
realizadas en el caso de las secciones 4222 4223 y 4224 (verificacioacuten de la
122
corriente nominal del regulador verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador y
verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor respectivamente)
De esta manera finaliza la descripcioacuten del aplicativo respecto a sistemas
fotovoltaicos aislados o autoacutenomos con esta propuesta se intenta que la empresa
Colombian Solar Systems SAS pueda disentildear sistemas fotovoltaicos de manera
sencilla y raacutepida teniendo en cuenta la teoriacutea respecto a dichos sistemas existente
en el capiacutetulo dos
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de
bateriacuteas con aplicativo propuesto
En la interfaz representada en la figura 42 (seleccioacuten de tipo de sistema
fotovoltaico) al seleccionar ldquoSISTEMA INTERCONECTADO A REDrdquo el aplicativo
hace llamado a la interfaz descrita en la figura 415
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
La figura 415 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique la radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (paraacutemetro en
kWhm2 explicado en la seccioacuten 222 Recurso solar) el consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (paraacutemetro en kWhmes explicado en la seccioacuten 322 Estudio del consumo anual) y el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar (explicado en la seccioacuten 323) El usuario podraacute entregar estos datos llenando la tabla correspondiente sin embargo suele ser arduo digitar todos estos datos por lo que el aplicativo podraacute importar los datos desde una tabla de Excel para esto el usuario debe seleccionar el ldquoradio buttonrdquo llamado ldquoExportar datos de Excelrdquo una vez seleccionado
123
apareceraacute un botoacuten llamado ldquoAbrir formato para importacioacutenrdquo el cual hace un llamado a un archivo Excel con las siguientes caracteriacutesticas mostradas en la figura 416
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel
Las herramientas encargadas de calcular el recurso solar en una superficie inclinada en una zona especiacutefica comuacutenmente tienen la opcioacuten de exportar los datos a una tabla de Excel lo que facilitaraacute que el usuario pueda pegar dichos datos al formato de importacioacuten llamado desde el aplicativo Una vez listos los datos en el formato se debe seleccionar la regioacuten que se desea exportar a Matlab y regresar a la interfaz descrita en la figura 415 en donde aparece un mensaje descrito en la imagen a continuacioacuten
124
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab
Al seleccionar ldquoOKrdquo aparecen los datos correspondientes en la tabla de la interfaz
representada en la figura 415 (paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema
interconectado a red)
Ya con los datos de consumo y recurso solar el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten correspondiente al porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar este dato determinaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico y del
inversor y por tanto dependeraacute del presupuesto que se disponga para la
instalacioacuten solar tambieacuten se recomienda que no sea un valor muy grande debido
a que es muy probable que se ldquoempujerdquo energiacutea a la red cabe recordar que en un
entorno como el de Colombia no generaraacute ninguna ventaja econoacutemica bajo esta
situacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca seleccioacuten tipo de sistema fotovoltaico
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 418 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario se
pueda enterar de lo que seraacute el arreglo fotovoltaico para cumplir con el porcentaje
de consumo que se desea suplir con energiacutea solar seguacuten su consumo a lo largo
de un antildeo proporcionado por la empresa prestadora del servicio y del recurso
solar en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar para esto el usuario
deberaacute escoger en la interfaz graacutefica el botoacuten ldquoCALCULARrdquo Cabe resaltar que el
resultado entregado en este paso es la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
que no siempre seraacute divisible exactamente por la potencia en STC de un panel
fotovoltaico por tanto es necesario que el usuario entregue a continuacioacuten las
125
caracteriacutesticas del panel solar que se desea usar se debe intentar escoger un
moacutedulo tal que al utilizar varios moacutedulos de estos la suma de potencia se aproxime
tanto como sea posible a la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
anteriormente calculada de esto dependeraacute que el arreglo fotovoltaico produzca el
porcentaje de consumo que se requiere suplir con energiacutea solar y no un porcentaje
mucho mayor (debido a que el aplicativo estaacute programado para aproximar el
nuacutemero de paneles al entero mayor maacutes cercano)
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada
Una vez entregada la informacioacuten del panel que se desea utilizar el usuario podraacute
conocer el nuacutemero de paneles que se necesitan para la aplicacioacuten para esto el
usuario debe escoger en el recuadro llamado ldquoPotencia fotovoltaica instaladardquo el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo a continuacioacuten aparece el nuacutemero de moacutedulos necesarios la
potencia fotovoltaica instalada y la posible interconexioacuten de los paneles seguacuten el
nuacutemero de paneles calculado
El aplicativo calcularaacute los valores de tensioacuten miacutenimos y maacuteximos en operacioacuten del
arreglo fotovoltaico seguacuten la configuracioacuten escogida por el usuario Seguacuten las
expresiones 21 22 y 23 (tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de
temperatura baja promedio tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico
bajo la influencia de una temperatura alta promedio y tensioacuten maacutexima de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de una temperatura baja
promedio respectivamente) el usuario deberaacute consultar los valores de temperatura
promedio miacutenima y maacutexima en la zona en donde se desea hacer la instalacioacuten del
arreglo fotovoltaico esto con el fin de que el aplicativo pueda verificar que los
126
niveles de tensioacuten del arreglo fotovoltaico sean adecuados para el inversor
interactivo con la red escogido por el usuario Por tanto el usuario deberaacute entregar
los datos de temperatura en los espacios pertinentes en la parte inferior de la
interfaz
Una vez entregados los datos de temperatura el usuario podraacute escoger la
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico (nuacutemero de paneles en serie y nuacutemero de
cadenas en paralelo) desplegando el ldquopop-up menuacuterdquo en el recuadro de
ldquointerconexioacutenrdquo Una vez seleccionada la opcioacuten aparece el dato de tensioacuten mpp
del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten daraacute un indicio del valor de tensioacuten que el
arreglo fotovoltaico podraacute alcanzar en STC y seguacuten el nuacutemero de paneles en serie
especificado en la opcioacuten escogida por el usuario
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de los paraacutemetros de consumo y
recurso solar del sistema interconectado a red seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute
continuar con el disentildeo seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 419 representa la interfaz que pretende que el usuario reciba la
informacioacuten necesaria para que pueda escoger un inversor interactivo con la red
que se adapte al arreglo fotovoltaico para esto el usuario debe seleccionar el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo en el recuadro ldquomodelamiento del inversor interactivo con la
redrdquo A continuacioacuten apareceraacute la informacioacuten pertinente a corriente de
cortocircuito del arreglo tensioacuten MPP del arreglo fotovoltaico y potencia
fotovoltaica calculada Dichos conceptos son iguales a los del sistema autoacutenomo
por tanto se calculan seguacuten las expresiones 410 42 y 415 respectivamente
127
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica
El usuario en primera instancia deberaacute buscar un inversor interactivo con la red
que pueda operar la potencia del arreglo fotovoltaico y se adapte a los valores
nominales de la red (tensioacuten frecuencia y fase en el caso de un inversor trifaacutesico)
una vez encontrado un inversor candidato el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten pertinente a dicho inversor en los espacios ubicados en la parte
inferior de la interfaz Debido a que el inversor interactivo con la red tiene
caracteriacutesticas similares al regulador con seguimiento MPP los conceptos
pertinentes a potencia nominal del inversor tensioacuten maacutexima admisible por el
inversor corriente maacutexima a la entrada del inversor eficiencia del inversor y liacutemite
miacutenimo y maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificada por el fabricante seraacuten
los mismos a los utilizados en la seccioacuten 4213 (modelamiento del sistema
usando regulador mppt)
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del caacutelculo de potencia fotovoltaica
instalada seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 420 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
identifique posibles errores del inversor candidato (escogido en la interfaz
representada en la figura 419 inversor interactivo con la red eleacutectrica) el
aplicativo se encarga de hacer sugerencias en el disentildeo del sistema de acuerdo al
error encontrado en el caacutelculo Debido a que este tipo de inversores tiene
caracteriacutesticas similares al de un regulador con seguimiento mpp de un sistema
autoacutenomo las verificaciones realizadas en la seccioacuten 4214 (verificacioacuten sistema
aislado con regulador mppt) seraacuten las mismas que para este caso
128
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red
Adicional a la verificacioacuten de sistema fotovoltaico interactivo con la red el
aplicativo calcula un informe en donde resume el comportamiento del sistema mes
a mes El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del inversor interactivo con la
red eleacutectrica seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con la interfaz acerca del
informe del sistema interconectado a red seleccionando ldquoINFORMErdquo
La figura 421 representa la interfaz que muestra el comportamiento de un sistema
fotovoltaico interconectado a red a lo largo del antildeo El diagrama de barras
muestra la demanda de energiacutea y la energiacutea que el sistema fotovoltaico produce
mes a mes de acuerdo a la potencia fotovoltaica instalada que en este caso es de
15kW la variacioacuten de la produccioacuten energeacutetica por parte del sistema fotovoltaico
dependeraacute de la variacioacuten del recurso solar mes a mes en la zona donde se
requiere de la instalacioacuten en este caso se usoacute la informacioacuten proporcionada por el
software PVSol para un plano inclinado a 10deg acimut 0deg y los datos de medicioacuten
hechas en la estacioacuten del Aeropuerto Matecantildea La primera fila de la tabla
muestra el paraacutemetro 119919119956119953119946119940119952 (Vector horas solar pico a lo largo del antildeo en hd)
que resume el comportamiento del recurso solar en el antildeo de estudio dicha tabla
tambieacuten contiene informacioacuten acerca de la demanda de energiacutea eleacutectrica
especificada como en la seccioacuten 322 la generacioacuten de energiacutea por parte del
arreglo bajo el recurso solar especificada como 120643119943 119946 en la seccioacuten 331 y
porcentaje de energiacutea que el sistema fotovoltaico produce con respecto a la
demanda especificado en la seccioacuten 323 Esto con el fin de que el usuario pueda
observar en una misma interfaz la influencia del recurso solar con la generacioacuten de
129
energiacutea del sistema fotovoltaico y el comportamiento de lo que seraacute el arreglo
fotovoltaico
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red
Esta interfaz termina con el resumen anual de la produccioacuten energeacutetica del sistema el consumo de energiacutea anual y el porcentaje que el sistema fotovoltaico produciraacute al final del antildeo en funcioacuten del tamantildeo del arreglo fotovoltaico del recurso solar y de la eficiencia del inversor interactivo con la red De esta forma se pretende aplicar la teoriacutea acerca de sistemas fotovoltaicos vista
en los anteriores 3 capiacutetulos en un aplicativo para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos propuesta presentada para la empresa Colombian Solar Systems
SAS a manera de praacutectica conducente a trabajo de grado A continuacioacuten se
presenta la comparacioacuten respecto a dos metodologiacuteas de disentildeo la primera
mediante el aplicativo propuesto en este capiacutetulo y la segunda con la simulacioacuten
desarrollada por el software PVSol expert
130
Capiacutetulo 5
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En este capiacutetulo se pretende exponer y comparar los resultados obtenidos por la
metodologiacutea planteada para el aplicativo propuesto para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos y la metodologiacutea de simulacioacuten mediante software comercial
PVSOLreg
Para corroborar la viabilidad de los disentildeos del aplicativo se propuso comparar sus
resultados con los obtenidos por otra metodologiacutea para este caso se utilizoacute la
simulacioacuten en un software especializado PVSOLreg Se propuso desarrollar 4
sistemas fotovoltaicos aislados y 3 sistemas fotovoltaicos interconectados a red
todos desarrollados en territorio colombiano y adquiridos bajo la experiencia de la
empresa Colombian Solar Systems SAS Con esta comparacioacuten se pretende
verificar si los disentildeos obtenidos por el aplicativo son resultados similares o si por
el contrario son muy alejados a los obtenidos por el software cabe resaltar que al
encontrar resultados similares no se garantiza un disentildeo enteramente confiable
sin embargo se puede dar un excelente indicio de un sistema fotovoltaico que esteacute
cercano a suministrar el 100 de la demanda si por el contrario se encuentran
resultados con un amplio margen de error se motiva el estudio para buscar una
metodologiacutea que tenga en cuenta nuevas teoriacuteas y nuevos estudios Sin embargo
para abordar claramente dicha comparacioacuten es necesario hacer una descripcioacuten
acerca de la metodologiacutea sobre disentildeo de sistemas fotovoltaicos con el software
PVSOLreg
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreg
El software PVSOLreg ofrece a los ingenieros y arquitectos una metodologiacutea faacutecil de
usar disentildeada para la praacutectica real tanto para el dimensionamiento como para el
disentildeo la simulacioacuten dinaacutemica y la evaluacioacuten de rendimientos para instalaciones
de energiacutea solar fotovoltaica Estaacute disentildeado tanto para sistemas conectados a red
con inyeccioacuten total asiacute como para sistemas con inyeccioacuten del excedente a la red
El software PVSOLreg puede simular el almacenamiento de energiacutea en sistemas
con bateriacuteas e importar perfiles de carga medidos en pasos de 15 minutos y 1
minuto Ademaacutes puede calcular las peacuterdidas en las cadenas y las peacuterdidas por el
cableado ACDC por inversor Tambieacuten incluye la herramienta de visualizacioacuten en
3D y un caacutelculo detallado de las sombras en instalaciones conectadas a la red con
131
los moacutedulos tanto paralelos como integrados en la cubierta asiacute como sistemas
montados en tejado y en aacutereas libres
Estas son algunas caracteriacutesticas destacadas del software
Acceso a los datos climaacuteticos de maacutes de 8000 lugares en el mundo
Archivo completo con maacutes de 13000 moacutedulos y 3100 inversores
Caacutelculo graacutefico del nuacutemero de moacutedulos en el tejado con configuracioacuten de
varios tipos de tejado
Detallado caacutelculo de sombras con simulacioacuten 3D
Estas caracteriacutesticas sumadas con una experiencia de 20 antildeos en la simulacioacuten
de sistemas fotovoltaicos hace de esta una herramienta importante y por esta
razoacuten se propone usarla como referencia para comparar los resultados del disentildeo
generados por el aplicativo propuesto en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se dan las descripciones generales de los sistemas autoacutenomos
base con los que se haraacute la comparacioacuten
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASE
Los sistemas fotovoltaicos piloto utilizados en este trabajo han sido aportados por
una base de datos propia de la empresa Colombian Solar Systems SAS esta
contiene peticiones de usuarios para soluciones energeacuteticas con sistemas
fotovoltaicos en distintos lugares del paiacutes
A continuacioacuten se presenta las caracteriacutesticas de demanda recurso solar y
estabilidad para cada piloto
521 Piloto sistema aislado 1
La primera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
132
Nuacutemero
de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de
la carga
6 12 4 Bombillos led
2 120 4 Televisor
2 180 6 Portaacutetil
1 200 1 Impresora
1 15 24 Modem
1 180 10 Nevera
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1
Los datos expuestos en la tabla 51 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
171971422 13148
1067 952 8949 9823 11232118021346712939
15553
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
133
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
Horas
solar pico
Enero 171972 555
Febrero 142198 508
Marzo 131477 424
Abril 106698 356
Mayo 95201 307
Junio 89485 298
Julio 98228 317
Agosto 112321 362
Septiembre 118016 393
Octubre 134671 434
Noviembre 129391 431
Diciembre 155527 502
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 298 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
134
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 298
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1
522 PILOTO SISTEMA AISLADO 2
La propuesta dos tiene como objetivo resaltar la importancia del recurso solar en
el lugar donde se desea hacer la instalacioacuten al igual que analizar la importancia de
ajustar a valores adecuados la inclinacioacuten del arreglo de esta forma se planteoacute las
mismas condiciones de la propuesta 1 (tabla 51 Datos de consumo de la
propuesta 1) pero con el recurso solar obtenido en la estacioacuten climatoloacutegica del
aeropuerto en la Isla de San Andreacutes y ajustando la inclinacioacuten a un valor cercano a
la latitud El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se expondraacute a
continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la simulacioacuten
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San
Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la Irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
1684718425 204617784
13987136571332714115160591538113019
15325
050
100150200250
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 15degy acimut 0deg
135
MES IRRADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16847 543
Febrero 18425 658
Marzo 2046 66
Abril 17784 593
Mayo 13987 451
Junio 13657 455
Julio 13327 43
Agosto 14115 455
Septiembre 16059 535
Octubre 15381 496
Noviembre 13019 434
Diciembre 15325 494
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 43 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
136
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 43
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2
523 PILOTO SISTEMA AISLADO 3
La tercera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 60 2 Purificador de
agua
1 30 4 Equipo de
sonido
1 80 5 Televisor
1 10 3 Circuito de carga
para celular
6 9 5 Bombillos led
1 80 12 Nevera
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3
Los datos expuestos en la tabla 56 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
con una inclinacioacuten de 10deg
137
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16417 53
Febrero 14159 506
Marzo 13941 45
Abril 11912 397
Mayo 11229 362
Junio 10858 362
Julio 11813 381
Agosto 12913 417
Septiembre 12807 427
Octubre 13706 442
1641714159 13941
11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 1272314889
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 10deg y acimut 0deg
138
Noviembre 12723 424
Diciembre 14889 48
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 362
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3
524 Piloto Sistema Aislado 4
La cuarta propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Perales ubicado en la ciudad de Ibagueacute en el
departamento de Tolima el usuario solicita una solucioacuten para iluminar un sendero
peatonal con iluminacioacuten led y un sistema fotovoltaico el ensamble de todo el
sistema se realizaraacute en un poste por lo que el sistema fotovoltaico deberaacute ser
pequentildeo y liviano El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 100 12 Iluminaria Led
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4
139
Los datos expuestos en la tabla 59 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Perales
con una inclinacioacuten de 10deg
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 14149 456
Febrero 11943 427
Marzo 12779 412
Abril 10328 344
Mayo 10725 346
1414911943 12779
10328 1072512195
10867 992811646 12202 12507 12695
0
50
100
150
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
140
Junio 12195 407
Julio 10867 351
Agosto 9928 32
Septiembre 11646 388
Octubre 12202 394
Noviembre 12507 417
Diciembre 12695 41
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 32
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 15
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4
Ya con los datos de recurso solar tiempo de recuperacioacuten del sistema y diacuteas de
autonomiacutea se puede desarrollar el disentildeo del sistema fotovoltaico que constaraacute
del caacutelculo de la potencia fotovoltaica necesaria y de la capacidad del banco de
bateriacuteas debido a que a partir de estos dos datos se calcula el nuacutemero de
moacutedulos y de bateriacuteas dependiendo de la capacidad de potencia y capacidad de
almacenamiento respectivamente
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMO
Los resultados de las anteriores propuestas para sistemas aislados se presentan
como la potencia fotovoltaica calculada y la capacidad necesaria del banco de
141
bateriacuteas con estos dos paraacutemetros el usuario podraacute calcular el nuacutemero de paneles
y bateriacuteas dependiendo de la potencia del panel que se desea usar y de la
capacidad de almacenamiento de la bateriacutea en particular respectivamente
(expresiones 225 y 212) Para el caacutelculo se supone una eficiencia del inversor del
90 y una eficiencia de la bateriacutea del 80 estos valores son usualmente
acogidos para disentildeos de sistemas fotovoltaicos [10]
A continuacioacuten se presentan los resultados de la simulacioacuten en el software
PVSOLreg y con el aplicativo propuesto para este trabajo
Resultados Piloto 1
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
2620 W 4807 Ah
Aplicativo 26703 W 534 Ah Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
Para este disentildeo descrito en la tabla 512 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900)
de 48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 2
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
1818 W 4807 Ah
Aplicativo 17389 W 534 Ah Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 513 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 3
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
731 W 4757 Ah
Aplicativo 7289 W 5864 Ah Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
142
Para el disentildeo descrito en la tabla 514 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 4
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
495 200 Ah
Aplicativo 48611 2777 Ah Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 515 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
54 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A RED
Las consultas por usuarios a la empresa Colombian Solar Systems SAS acerca
de este tipo de sistemas son menores que para el caso del sistemas fotovoltaicos
aislados sin embargo la base de datos que proporciona esta empresa puede
suministrar varias propuestas que se estudiaraacuten en esta seccioacuten
541 Piloto sistema interconectado a red 1
Esta propuesta fue solicitada por un usuario que necesitaba disminuir el consumo
de energiacutea eleacutectrica por parte de la electrificadora encargada en un eco hotel de
su propiedad por tanto acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 8220
Febrero 6120
Marzo 6960
Abril 8340
143
Mayo 6600
Junio 6660
Julio 6540
Agosto 7560
Septiembre 7320
Octubre 7800
Noviembre 9060
Diciembre 7800
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para el lugar exacto donde se
desea hacer la instalacioacuten solar A continuacioacuten se ilustra la interfaz graacutefica con la
que un usuario deberaacute interactuar para seleccionar el recurso solar en un lugar
exacto
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
144
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para
una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
En esta propuesta se plantea un 10 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
542 Piloto sistema interconectado a red 2
Esta propuesta fue solicitada por un grupo de usuarios que requieren alimentar
parte de su consumo con energiacutea solar en una zona residencial en la ciudad de
Bogotaacute por tanto se acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso A continuacioacuten se presenta el consumo de
energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 823912
Febrero 744176
Marzo 823912
Abril 765136
Mayo 790644
Junio 76422
Julio 79926
Agosto 79926
1753 15272 15053 13025 12342 11971 12925 14025 1392 14819 13835 16002
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
145
Septiembre 77348
Octubre 793868
Noviembre 76826
Diciembre 793868
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica
ubicada en el aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute La siguiente tabla
ilustra los datos obtenidos seguacuten el software PVSOLreg
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la
ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
543 Piloto sistema interconectado a red 3
Esta propuesta fue solicitada por un usuario en la ciudad de Pasto para una
residencia el usuario busca disminuir el consumo de energiacutea por parte de la
electrificadora encargada y servir de referente para los demaacutes usuarios en la
unidad residencial haciacutea el autoconsumo con energiacuteas renovables por tanto se
acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para solicitar un estudio de
un sistema fotovoltaico interconectado a la red Cabe resaltar que entre los
requerimientos del usuario estaacute el uso de una superficie inclinada a 10ordm y
orientacioacuten Norte (acimut 180ordm) para la instalacioacuten del arreglo fotovoltaico
1640914048 13989
11946 11222 10765 1178 12819 12832 13638 1279614967
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
146
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en un antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 205978
Febrero 186044
Marzo 205978
Abril 191284
Mayo 197661
Junio 191055
Julio 199815
Agosto 199815
Septiembre 19337
Octubre 198467
Noviembre 192065
Diciembre 198467
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg bajo el meacutetodo de
interpolacioacuten debido a la ausencia de una estacioacuten climatoloacutegica con nexo a la
base de datos de MeteoSyn (programa encargado de estudios sobre recurso solar
para software PVSOLreg) La siguiente tabla ilustra los datos obtenidos seguacuten el
software PVSOLreg
147
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto
(Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADOS A RED
Para sistemas interconectados a la red el software PVSOLreg analiza el nuacutemero de
paneles que el usuario quiera implementar pero no consulta el porcentaje de
consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar por parte del arreglo
fotovoltaico cabe recordar que este uacuteltimo es un paraacutemetro fundamental para el
dimensionamiento del arreglo fotovoltaico por parte del aplicativo propuesto por
este trabajo asiacute entonces se analizoacute en primera instancia cada propuesta con el
aplicativo teniendo en cuenta el porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar por parte del arreglo fotovoltaico para cada propuesta para asiacute
calcular un nuacutemero de paneles necesario que seraacute usado por el software
PVSOLreg Esto con el fin de que ambas metodologiacuteas calculen la energiacutea que un
sistema fotovoltaico podraacute suministrar a lo largo del antildeo del estudio
Dicha comparacioacuten ayudaraacute a verificar si el arreglo fotovoltaico calculado por el
aplicativo produce valores de energiacutea al antildeo similares o muy alejados a los
calculados por el software PVSOLreg cabe resaltar que el software calcula la
energiacutea que el arreglo produce cada diacutea del antildeo de acuerdo a la irradiacioacuten
exportada del recurso solar en el lugar donde se desea implementar el arreglo
fotovoltaico esto hace que sea una metodologiacutea adecuada para la comparacioacuten
A continuacioacuten se muestran los resultados para cada propuesta
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1
12384 10757 12208 12019 1265814763 13517 13448 13364 1283 11727 10961
0
50
100
150
200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 15degACIMUT 180deg
148
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 516 y
el recurso solar expuesto en la figura 56 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
La tabla 519 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 1
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 1
Consumo anual 88980kWh
Porcentaje de energiacutea (dato inicial) 10
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 17072kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 24
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 9034kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 8235kWh
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red
149
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 517 y
el recurso solar expuesto en la figura 57 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
La tabla 520 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 2
Consumo anual 9440kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 1572 kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 9
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 311987kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 2912kWh
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red
150
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 518 y
el recurso solar expuesto en la figura 58 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
La tabla 521 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 3
Consumo anual 2360kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 15066 kWhm2
Potencia del panel 180W
Nuacutemero de paneles 3
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 732kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 671kWh
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red
151
56 CONCLUSIONES
Basado en el trabajo de realizado y resultados obtenidos se concluye que
La potencia fotovoltaica calculada para los pilotos correspondientes a sistemas
aislados para ambas metodologiacuteas es similar maacutes no igual esto es debido a que
las metodologiacuteas usan distintas maneras para calcular un arreglo fotovoltaico Sin
embargo los resultados obtenidos no superan un rango de error mayor al 5 lo
que da un indicio de un disentildeo acertado del arreglo fotovoltaico
La capacidad del banco de bateriacuteas para las propuestas de sistemas aislados
involucran unas diferencias considerables para ambas metodologiacuteas es tal el caso
de obtener errores superiores al 11 Cabe resaltar que la simulacioacuten del banco
de bateriacuteas mediante el aplicativo para las cuatro propuestas fueron calculados
teniendo en cuenta perdidas en el inversor y en las bateriacuteas (10 y 20
respectivamente) sin embargo al no tener en cuenta dichas peacuterdidas la capacidad
del banco calculada por el aplicativo para cada uno de los casos es la misma que
la calculada por el software PVSOLreg lo que podriacutea significar que el software
PVSOLreg no tiene en cuenta dichas peacuterdidas a la hora de dimensionar un banco
de bateriacuteas Acoger esta premisa significariacutea ir en contra a lo propuesto por este
trabajo que es siempre tener en cuenta las peacuterdidas de los dispositivos con el fin
de preservar la esperanza de vida de las bateriacuteas y cumplir con el tiempo de
autonomiacutea especificado por el usuario para la aplicacioacuten
Para el caso de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red la diferencia de
produccioacuten de energiacutea bajo un antildeo de estudio calculada por ambas metodologiacuteas
no es mayor al 10 siendo para todos los casos la energiacutea calculada por el
software menor a la calculada por el aplicativo Esto puede significar que el
software tiene en cuenta otras peacuterdidas que el aplicativo no sin embargo las
diferencias no son significativas
152
57 RECOMENDACIONES
Con este trabajo se pretende plantear una metodologiacutea de disentildeo de sistemas
fotovoltaicos mediante el entorno graacutefico de Matlab sin embargo se podriacutea motivar
para trabajos futuros el estudio para desarrollar esta misma metodologiacutea en otros
ambientes graacuteficos con el fin de que el aplicativo sea maacutes portable
Un trabajo complementario a este podriacutea estar basado en la medicioacuten del recurso
solar para un lugar en especiacutefico durante todo un antildeo Esto con el fin de verificar
que tan confiables son las herramientas disponibles para el caacutelculo de radiacioacuten
solar en un lugar en especiacutefico
Para trabajos futuros relacionados con el tema se propone un estudio detallado
sobre el consumo de un usuario en especiacutefico de tal forma que se analice la curva
de potencia en cada hora del diacutea durante un tiempo en especiacutefico esto junto con
un estudio de medicioacuten de irradiacioacuten solar diario podraacuten entregar los datos
suficientes para calcular la energiacutea que se aprovecharaacute de un sistema fotovoltaico
y la que se inyecta a la red esto con el fin de concluir si un arreglo fotovoltaico es
viable para un usuario en especiacutefico Podriacutea motivarse auacuten maacutes el estudio si se
tratara de una entidad que preste un servicio importante a la comunidad como por
ejemplo hospitales colegios universidades aeropuertos etc
Para un trabajo relacionado con el tema se propone estudiar el recurso en un lugar
en especiacutefico de manera detallada con el fin de hacer un estudio probabiliacutestico que
determine un buen valor de los paraacutemetros tiempo de recuperacioacuten del sistema y
diacuteas de autonomiacutea esto con el fin de plantear una metodologiacutea que permita
calcular sistemas fotovoltaicos maacutes confiables
153
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156
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Manual Disponible en httpwwwvalentin-
softwarecomsitesdefaultfilesdownloadshandbuecherenmanual-pvsol-enpdf
INTRODUCCIOacuteN
Los sistemas fotovoltaicos son una alternativa amigable con el medio ambiente
para producir electricidad a partir de la energiacutea proveniente del Sol Los sistemas
fotovoltaicos pueden ser interconectados a red el sistema produce parte de la
energiacutea que el usuario demande y se toma como respaldo la energiacutea proveniente
de la red y sistemas fotovoltaicos autoacutenomos en donde el arreglo fotovoltaico
(grupo de paneles solares) debe producir la energiacutea necesaria para el consumo
en el diacutea almacenar otra parte para el consumo en las noches y servir de
respaldo para casos en donde la radiacioacuten solar se vea afectada por fenoacutemenos
ambientales involucrando entonces dos fuentes de energiacutea que deberaacuten ser
modeladas en conjunto
En la actualidad existen diversas herramientas que son capaces de modelar un
sistema fotovoltaico arrojando datos de cargabilidad y eficiencia respecto a los
elementos que lo componen es el caso del software especializado PVSOLreg el
cual utiliza bases de datos de irradiacioacuten solar y posee la capacidad de realizar
simulacioacuten de sombras Sin embargo es necesario realizar un aplicativo capaz de
incorporar toda la teoriacutea y conceptos de que consta el disentildeo y caacutelculo de un
sistema fotovoltaico para Colombia con el fin de comparar ambas metodologiacuteas
de disentildeo y asiacute poder obtener un sistema mejor dimensionado
La Universidad Tecnoloacutegica de Pereira se ha caracterizado por el protagonismo de
sus estudiantes y de la Institucioacuten en la innovacioacuten de los diferentes campos de las
ciencias que le competen pero hasta el momento no se han presentado aportes a
el aacuterea de software especializados en sistemas fotovoltaicos es por esto que se
hace necesaria la creacioacuten de un aplicativo con la capacidad de disentildear sistemas
fotovoltaicos que no solo sirva como un referente regional para la implementacioacuten
de este tipo de sistemas de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica si no tambieacuten que
cumpla la tarea de realizar una comparacioacuten de metodologiacuteas entre el algoritmo
propuesto en el proyecto y el software PVSOLreg uno de los maacutes utilizados hasta el
momento por la industria por su novedoso meacutetodo para modelar sombras
En el primer capiacutetulo se abordan los principios del efecto fotoeleacutectrico y
fotovoltaico como conceptos principales de la conversioacuten de energiacutea proveniente
del espectro solar en energiacutea eleacutectrica que puede ser aprovechada para el uso
residencial y comercial En el capiacutetulo 2 se estudian los sistemas aislados su
funcionamiento disentildeo y dimensionamiento En el capiacutetulo 3 se tratan los
sistemas interconectados a red su clasificacioacuten componentes disentildeo y
moldeamiento En el capiacutetulo 4 se explica el funcionamiento del aplicativo
propuesto para este trabajo su entorno graacutefico y expresiones matemaacuteticas tanto
para sistemas interconectados a la red como para los autoacutenomos El capiacutetulo 5
expone las caracteriacutesticas de los pilotos con los cuales se pretende hacer las
comparaciones con las dos metodologiacuteas los resultados obtenidos y las
recomendaciones
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un aplicativo para el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos y
compararlo con el software PVSOLreg
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Alcanzar el estado del arte en el disentildeo y caacutelculo de sistemas fotovoltaicos
a partir de software y aplicativos especializados
Plantear un aplicativo capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector
residencial y rural (cargas de baja inductancia) para el territorio
colombiano
Modelar el sistema fotovoltaico base en el software especializado
PVSOLreg
9
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIOacuteN
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
TABLA DE CONTENIDOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
CAPIacuteTULO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
11 ANTECEDENTEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
131 Conductores semiconductores y aislanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
132 Unioacuten p-nhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
133 La ceacutelula fotovoltaicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
134 Silicio monocristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
135 Silicio policristalinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
136 Silicio amorfohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
14 RECURSO SOLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34 141 Factores externos a la superficie de la Tierrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
142 Factores climaacuteticoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
143 Componentes de la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
15 DESARROLLOS EN COLOMBIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
161 Declinacioacuten Magneacuteticahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
162 Trayectoria solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
163 Acimuthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
164 Inclinacioacuten del arreglohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
165 Objetos que crean sombrahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
CAPIacuteTULO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
211 El panel fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
2111 Estructura de los paneles solareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47
21111 La cubierta frontalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
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21112 El material encapsulantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
21113 La cubierta posteriorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21114 El marco metaacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21116 Diodos de bypass helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
21117 Diodos de bloqueohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
212 Bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56
2121 Tipos de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abiertohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 58
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
21212 Bateriacuteas alcalinashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
2122 Especificaciones de las bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21221 Capacidad de la bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
21222 Ritmo y profundidad de descargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61
21223 Condiciones ambientaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
213 Regulador de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
2131 Reguladores PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 65
2132 Reguladores MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 67
214 Inversores autoacutenomoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 70
2141 Clasificacioacuten de inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21411 Inversores de onda cuadradahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21412 Inversores de onda cuadrada modificadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71
21413 Inversores de onda sinusoidalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72
2142 Caracteriacutesticas de los inversoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72 22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
221 Estimacioacuten del consumo y cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74
222 Recurso solarhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75
223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphellip 78
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 81
CAPIacuteTULO 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 85
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 85
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 86
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo de bateriacuteashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA 90
11
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
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322 Estudio del consumo anualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solarhelliphelliphelliphellip 91
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblicohelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
331 Modelamiento del arreglo fotovoltaicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92
CAPIacuteTULO 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 96
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 97
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 100
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuestohelliphelliphelliphellip 100
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWMhelliphellip 107
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 109
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWMhelliphelliphelliphelliphelliphellip 110
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del reguladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 115
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 116
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 119
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPThelliphelliphelliphelliphelliphellip 120 42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador MPPT 121
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas con aplicativo propuestohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 122
CAPIacuteTULO 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 130
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASEhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
521 Piloto sistema aislado 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 131
522 Piloto sistema aislado 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 134
523 Piloto sistema aislado 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 136
524 Piloto sistema aislado 4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 138
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 140
54 Sistemas fotovoltaicos interconectados a redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
541 Piloto sistema interconectado a red 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 142
542 Piloto sistema interconectado a red 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 144
543 Piloto sistema interconectado a red 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 145
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADO A REDhelliphelliphelliphelliphellip 147
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 148
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 149
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 150
12
56 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 151
57 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 152
BIBLIOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 153
13
IacuteNDICE DE FIGURAS Figura 11 Primera celda solar 17
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico 19
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 23
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 23
Figura 15 Efecto fotovoltaico 29
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino 31
Figura 17 Panel solar silicio policristalino 32
Figura 18 Panel de silicio amorfo 33
Figura 19 Espectro solar 35
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten 37
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica 42
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira 43
Figura 21 Componentes de un panel solar 48
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica 50
Figura 23 Modelo eleacutectrico de un panel solar 51
Figura 24 Modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra 52
Figura 25 Funcionamiento de diodo de bypass 52
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo 53
Figura 27 Curva caracteriacutestica de una celda solar 54
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar 55
Figura 29 Efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar 55
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto 58
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA 59
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM 60
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea 63
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar 66
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT 70
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida 72
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor 73
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el aplicativo 99
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico 100
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo 101
Figura 44 Informacioacuten de consumo 101
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo 102
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico 103
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria 104
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas 105
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga 106
Figura 410 Regulador PWM 107
Figura 411 Verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM 110
Figura 412 Tensioacuten de la bateriacutea VS Estado de carga 111
14
Figura 413 Regulador MPPT 117
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT 120
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
122
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel 123
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab 124
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada 125
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica 127
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red 128
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red 129
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
132
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
134
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
137
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
139
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
143
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
144
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
145
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto (Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
147
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
148
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
149
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
150
15
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas fotovoltaicas comerciales
33
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar
36
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente
36
Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia 41
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
45
Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira 45
Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea 64
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1 132
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
133
Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1 134
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
135
Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2 136
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3 136
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
138
Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3 138
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4 138
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
140
Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4 140
Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
141
Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
141
Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
142
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980 kWhantildeo
143
16
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996 kWhantildeo
145
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360 kWhantildeo
146
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red 148
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red 149
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red 150
17
APLICATIVO PARA DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PROGRAMACIOacuteN Y VALIDACIOacuteN CON SOFTWARE COMERCIAL
Capiacutetulo 1 REFERENTE TEOacuteRICO 11 ANTECEDENTES El intereacutes en el estudio del aprovechamiento de la energiacutea solar tuvo su origen en
1839 cuando el fiacutesico franceacutes Alexandre Edmond Becquerel analizoacute a profundidad
el fenoacutemeno de la fosforecencia a traveacutes del estudio de cuerpos que tienen la
propiedad de emitir luz propia en la oscuridad despueacutes de haber sido expuestos a
la irradiacioacuten de un foco de luz [1] En 1873 el cientiacutefico britaacutenico Willoughby Smith
estudioacute el comportamiento del selenio bajo la exposicioacuten a la luz y concluyoacute que
este aumenta su capacidad de conducir electricidad a medida que la exposicioacuten a
la luz aumentaba [2] Diez antildeos maacutes tarde Charles Fritts inventor
estadounidense creoacute las primeras celdas solares las cuales usaban uniones
formadas por el recubrimiento de los semiconductores hechos de selenio con una
capa ultra delgada casi transparente de oro ver figura 1 Esta fue muy poco
eficiente transformando menos del 1 de la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica
Sin embargo este descubrimiento demostroacute la viabilidad del uso de la energiacutea
solar para generar electricidad [3]
Figura 11 Primera celda solar tomada de The Encyclopedia OF EARTH Fritts
Charles Edgar 22 de Agosto del 2008 Disponible en
httpwwweoearthorgviewarticle152869
En 1887 Heinrich Hertz descubrioacute por accidente lo que hoy se conoce como
efecto fotoeleacutectrico Hertz generoacute una chispa oscilante mediante una bobina de
induccioacuten entre dos pequentildeas esferas metaacutelicas las cuales el denominoacute el
transmisor induciendo una chispa similar entre dos esferas de metal diferentes
18
conectadas a un aro de alambre que eacutel denominoacute el receptor y que a su vez no
teniacutea conexioacuten eleacutectrica alguna con el transmisor Con este experimento Hertz
estudiaba la teoriacutea de ondas electromagneacuteticas propuesta por Maxwell en donde
una carga acelerada produciriacutea un campo eleacutectrico cambiante de manera no
uniforme que a su vez produciriacutea un campo magneacutetico cambiante y asiacute
sucesivamente Hertz dedujo que el componente de campo eleacutectrico cambiante
causa cargas inducidas en el receptor lo que produce la chispa con las mismas
caracteriacutesticas del transmisor Hertz observoacute que para reproducir fielmente la
chispa inducida la separacioacuten de las esferas del receptor debe ser menor a un
miliacutemetro lo que le dio mucha dificultad al anaacutelisis de este estudio Hertz intento
solucionar este problema encerrando el receptor en un sitio oscuro lo que
facilitaba la visualizacioacuten de la chispa sin embargo descubrioacute que su intensidad
era claramente maacutes deacutebil en estas condiciones al cabo de un tiempo descubrioacute
que podiacutea aumentar la intensidad la de chispa mediante la iluminacioacuten con luz
visible o ultravioleta Estudios realizados en 1897 por JJ Thomson demostraron
que este aumento de la sensibilidad fue el resultado de la luz que empuja a los
electrones [4-7]
Fue entonces en 1905 cuando Albert Einstein con su artiacuteculo sobre el efecto
fotoeleacutectrico llamado On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and
Transformation of Light (ldquoHeuriacutestica de la generacioacuten y conversioacuten de la luzrdquo)
introdujo un cambio fundamental a la teoriacutea existente del efecto fotoeleacutectrico que
en aquel entonces era acogida por la teoriacutea de Maxwell en donde la luz es
modelada como una onda continuacutea y por ende su energiacutea va relacionada
netamente a esta
Einstein proponiacutea que la luz estaacute formada por ldquopaquetes de partiacuteculasrdquo llamados
fotones y que la energiacutea de cada fotoacuten de luz es igual a la frecuencia multiplicada
por una constante De este modo un fotoacuten por encima de un umbral de frecuencia
tiene la energiacutea requerida para expulsar un solo electroacuten justificando asiacute el
fenoacutemeno observado por Hertz al exponer el receptor a luz ultravioleta Asiacute la
energiacutea de electrones expulsados individuales aumenta linealmente con la
frecuencia de la luz
De esta manera los dos factores que afectan a la energiacutea cineacutetica maacutexima de los
fotoelectrones (o electrones liberados) son la frecuencia de la radiacioacuten incidente
y el material de la superficie La energiacutea de los electrones aumenta con la
frecuencia de la luz incidente de una manera lineal con pendiente igual a la
constante de Planck Cada curva tiene un intercepto en el eje de la frecuencia
diferente lo que demuestra que la frecuencia de umbral estaacute en funcioacuten del
material La mayoriacutea de los elementos tienen frecuencias de umbral ultravioleta
pero existen algunos como el potasio que tienen un umbral suficientemente bajo
19
como para ubicarlo entre el amarillo y el verde Los materiales con los valores maacutes
bajos son los que se encuentran bajo el nombre de semiconductores algunos
incluso llegan debajo del infrarrojo cercano [8]
Figura 12 Principios del efecto fotoeleacutectrico imagen tomada de The Physics Hyper Text Book Photoelectric Effect Disponible en httpphysicsinfophotoelectric
El efecto fotoeleacutectrico actualmente se conoce como el hecho de que un material
pueda desprender electrones por un conductor gracias a la energiacutea recibida por
un haz de luz El haz de luz emite fotones que son partiacuteculas portadoras de todas
las formas de radiacioacuten La energiacutea transmitida por el fotoacuten es absorbida por el
electroacuten haciendo que este tenga la energiacutea suficiente para escapar del aacutetomo El
efecto fotoeleacutectrico ha permitido desarrollar ademaacutes del laacuteser sateacutelites de
comunicacioacuten y la energiacutea eleacutectrica a partir de radiacioacuten solar entre otros
Los aportes realizados por Einstein acerca del fenoacutemeno fotoeleacutectrico le hicieron
merecedor del Premio Nobel de Fiacutesica en 1922 [9]
Por otra parte en 1918 el cientiacutefico polaco Ene Czochralski produjo un meacutetodo
para hacer crecer monocristales de metal Lo que inspiroacute los estudios
fotoeleacutectricos con selenio a lo largo de los antildeos 30 a pesar de su baja eficiencia y
sus altos costos Maacutes adelante en 1948 Gordon Teal y John Little adaptaron el
meacutetodo de Czochralski para el crecimiento de los cristales para producir
germanio monocristalino y despueacutes producir silicio
20
En 1950 los laboratorios Bell comenzaron la buacutesqueda de una viacutea confiable para
energizar los sistemas de comunicacioacuten remotos Los cientiacuteficos de Bell
descubrieron que el silicio el segundo elemento maacutes abundante de la Tierra era
sensible a la luz y cuando se le trataba con ciertas impurezas generaba una
tensioacuten eleacutectrica considerable Este fenoacutemeno es causado por la recoleccioacuten de
cargas generadas en el efecto fotoeleacutectrico para generar energiacutea eleacutectrica este
comportamiento se conoce como efecto fotovoltaico y es la base de
funcionamiento de las celdas solares En 1954 Bell desarrollo una celda basada
en silicio que alcanzaba el 6 de eficiencia
Poco despueacutes en 1958 T Mandelkorn creoacute ceacutelulas fotovoltaicas de silicio n-on-P
(laacutemina de silicio dopada tipo n en la parte frontal y tipo p en la parte posterior)
con eficiencias del 9 que son maacutes resistentes al dantildeo por radiacioacuten y son maacutes
adecuadas para actividades espaciales que fueron utilizadas para el Vanguard l
conocido como el primer sateacutelite artificial alimentado con energiacutea solar [10]
En 1963 Sharp logroacute ser la primera compantildeiacutea en producir masivamente celdas
solares marcoacute un paso significativo para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a
partir de energiacutea solar dando su aporte en tiempos de preocupacioacuten internacional
respecto a la conservacioacuten del medioambiente Sin embargo el medio ambiente no
fue el uacutenico campo en el que se expandieron estos estudios la NASA en 1966
lanzo a la oacuterbita un observatorio astronoacutemico con una configuracioacuten fotovoltaica de
1kw y en 1972 la Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japoacuten (NASDA)
autorizoacute a Sharp para equipar con celdas solares el proyecto que pondriacutea en oacuterbita
al sateacutelite ldquoUmerdquo El reto para ese entonces fue soportar los severos cambios de
temperatura y radiacioacuten coacutesmica presentes en el espacio sin embargo el
comportamiento de los sistemas puestos a bordo fueron adecuados lo que
impulsariacutea en el futuro la utilizacioacuten de este tipo de generacioacuten de energiacutea para
usos espaciales debido a su faacutecil autonomiacutea y confiabilidad en este entorno [11
12]
En 1974 Japoacuten lanzoacute un importante proyecto con fines investigativos ldquoSunshine
Projectrdquo el cual fue promovido por el Ministerio de Comercio e Industria de Japoacuten
que teniacutea por objeto el desarrollo de las siguientes fuentes de energiacutea
1 Energiacutea solar
2 Energiacutea geoteacutermica
3 Gasificacioacuten del carboacuten y licuefaccioacuten
4 Energiacutea del hidroacutegeno
21
Este proyecto se promovioacute a escala nacional con la plena cooperacioacuten de las
organizaciones nacionales de institutos de investigacioacuten universidades y
empresas privadas asiacute como mediante la cooperacioacuten internacional El Sunshine
Project teniacutea como fin investigar aspectos importantes de las formas de
generacioacuten mencionadas anteriormente [13]
De manera similar en 1977 se fundoacute el Laboratorio Nacional de Energiacutea
Renovable (NREL por sus siglas en ingleacutes) en Estados Unidos fue denominado
primer laboratorio de energiacutea renovable y la eficiencia energeacutetica de investigacioacuten
y desarrollordquo y se financia a traveacutes del Departamento de Energiacutea de EEUU (DOE
por sus siglas en ingleacutes) El NREL se caracterizoacute por sus estudios en energiacutea
fotovoltaica desarrollando e impulsando este tipo de generacioacuten en Estados
Unidos Las instalaciones del campus del NREL dedicadas a la investigacioacuten
fotovoltaica poseen sistemas fotovoltaicos capaces de satisfacer las necesidades
de los ingenieros investigadores en esta aacuterea Este notable intereacutes en las
universidades y centros de investigacioacuten alrededor de todo el mundo llevoacute a
grandes logros en 1980 respecto a eficiencia de las ceacutelulas el maacutes importante fue
el presentado por la Universidad de Delaware en Estados Unidos que desarrolloacute
la primera ceacutelula solar de peliacutecula delgada que obtiene una eficiencia del 10
utilizando sulfuro de cobre (Cu2S) y sulfuro de cadmio (CdS) Lo que conllevariacutea a
grandes avances en cuestioacuten de produccioacuten de energiacutea fotovoltaica
A lo largo de la deacutecada de los ochentas y gracias a los avances de los 70 parecioacute
aceptarse que el liacutemite praacutectico para la eficiencia de las ceacutelulas de Silicio se
situaba alrededor de un 20 sin embargo los liacutemites teoacutericos suponiacutean un 337
[14] A mediados de los 80 se introducen algunas innovaciones que conducen a un
raacutepido incremento del rendimiento de estos dispositivos Estas mejoras fueron
basadas en reducir las recombinaciones en la estructura de la ceacutelula y en
particular en sus superficies y en sus contactos metaacutelicos Varios hechos
destacables ocurrieron en esta deacutecada tales como el ocurrido en la universidad de
Gales del Sur en donde se fabricoacute una ceacutelula fotovoltaica de silicio que llegoacute al
20 de eficiencia tambieacuten gracias a los avances en nuevos conceptos como
pasivacioacuten de la superficie (formacioacuten de una peliacutecula muy delgada sobre la
superficie de un material que lo enmascara en contra de la accioacuten de agentes
externos) en la universidad de Stanford en 1988 se disentildeoacute una ceacutelula de 851198881198982
que alcanzoacute una eficiencia del 223 en condiciones normales de operacioacuten [15]
En septiembre de 2013 se anuncioacute la obtencioacuten de un nuevo record de eficiencia
de conversioacuten fotovoltaica del 447 Este tipo de ceacutelulas estaacute catalogada como
ldquoceldas taacutendemrdquo o de ldquomultiunionesrdquo que consta de la unioacuten de varias subceldas
fabricadas una encima de la otra de forma tal que se compactan para formar una
sola pieza (monoliacutetico) El record se establecioacute usando sistemas oacutepticos que
22
logran concentrar la radiacioacuten en la superficie de una celda y los materiales
usados son combinaciones de los elementos quiacutemicos del grupo III y V de la tabla
perioacutedica que son Arseacutenico Indio Foacutesforo y Galio entre otros El costo de este tipo
de ceacutelula es elevado (lo que no hace posible su uso de manera comercial) y solo
se justifica su inversioacuten en condiciones en donde la incidencia solar sea en lo
posible ininterrumpida es decir en lugares que no posean muchas nubes como
en los desiertos e implementar un sistema de seguimiento solar de dos ejes lo que
incrementariacutea potencialmente el costo debido al factor mantenimiento que asocia
una estructura en movimiento [16]
Sin embargo se siguen haciendo aportes en la categoriacutea de ceacutelulas comerciales
es el caso de Panasonic al anunciar en febrero de 2013 su reacutecord mundial de
eficiencia de conversioacuten fotovoltaica usando ceacutelulas de silicio cristalino lo que las
hace maacutes econoacutemicas para el mercado a comparacioacuten de las ceacutelulas ldquotaacutendemrdquo
con un 247 de eficiencia superando al impuesto por Sun Power con un 242
en 2012 Este logro fue implementado bajo la utilizacioacuten de silicio monocristalino
lo que la hace mucho maacutes econoacutemica Panasonic uso una tecnologiacutea de
fabricacioacuten de ceacutelulas fotovoltaicas llamadas HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin layer) que se componen de pequentildeas placas hiacutebridas monocristalinas de
silicio que se recubren de una capa delgada de silicio amorfo Este meacutetodo pudo
crear una ceacutelula de tan solo 98 micras de espesor lo que conlleva a usar menos
material por ceacutelula [17]
Simultaacuteneamente a los avances respecto a la eficiencia de las ceacutelulas
fotovoltaicas se realizaron importantes aportes respecto a la capacidad
fotovoltaica instalada desde principios de los antildeos 90 en la figura 13 se observa
el comportamiento de este aspecto en los uacuteltimos antildeos Se asegura que el parque
fotovoltaico aumenta en un 35 por antildeo desde 1998 y la Asociacioacuten Europea de
Energiacutea Fotovoltaica preveacute que el parque instalado podriacutea alcanzar unos 1 800
GW para el 2030 para una produccioacuten que representa el 14 del consumo
mundial de electricidad y capaz de dar suministro a 45 mil millones de personas
[18 19]
23
Figura 13 Crecimiento de la capacidad fotovoltaica 1995-2010 tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Seguacuten el Renewables Global Status Report 2011 Europa concentra maacutes del 75
de capacidad fotovoltaica instalada en el mundo siendo Alemania el paiacutes con
mayor aumento en el 2010 y con mayor capacidad fotovoltaica instalada
Figura 14 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo en 2010 Tomada de Renewables
Global Status Report 2011 disponible en
httpwwwren21netPortals0documentsResourcesGSR2011_FINALpdf
Aunque la capacidad promedio de los sistemas fotovoltaicos ha aumentado existe
un intereacutes creciente en los sistemas de pequentildea escala particularmente en los
paiacuteses en desarrollo Estos sistemas representan el 5 del mercado global y
desde los antildeos 80 este mercado ha sido creciente en Aacutefrica Asia y Ameacuterica Latina
24
en la medida en que los precios de la generacioacuten con combustibles en las zonas
aisladas son comparables con los de esta nueva tecnologiacutea [20]
12 INTRODUCCIOacuteN A LA ENERGIacuteA FOTOVOLTAICA
El desarrollo tecnoloacutegico va iacutentimamente ligado con la capacidad de recursos
energeacuteticos que se puedan aprovechar por el ser humano A su vez el crecimiento
tecnoloacutegico es el que determina la utilizacioacuten de ciertos tipos de energiacutea y por
tanto la disponibilidad de este recurso Estos recursos energeacuteticos son usados por
el hombre con el objeto de satisfacer algunas de sus necesidades en el mayor de
los casos en forma de calor y trabajo que son posibles gracias al manejo de
electricidad
Hacia finales del siglo XIX se inventaron las primeras centrales teacutermicas que
requieren para su funcionamiento combustibles como la gasolina el diesel el gas
natural el carboacuten etc Antildeo tras antildeo se fueron sofisticando este tipo de maacutequinas
siendo maacutes econoacutemicas seguras confiables eficientes y abundantes logrando de
esta forma satisfacer demandas eleacutectricas en lugares donde los recursos hiacutedricos
no son eficaces Este tipo de maacutequinas operan bajo el principio de conversioacuten de
energiacutea quiacutemica almacenada en los combustibles en energiacutea eleacutectrica capaz de
ser transmitida y aprovechada por el ser humano Sin embargo la transformacioacuten
de dicha energiacutea genera residuos toacutexicos para el medio ambiente En un principio
la explotacioacuten de estos recursos que son derivados del petroacuteleo se consideraron
ilimitados y su impacto ambiental se consideraba despreciable sin embargo
estudios posteriores evidenciaron alteraciones atmosfeacutericas a nivel mundial como
el aumento en la concentracioacuten de dioacutexido de carbono en la atmoacutesfera
responsable del efecto invernadero lo que generoacute un aumento de temperatura
promedio a nivel mundial logrando asiacute el derretimiento del polo norte y por ende
el crecimiento del nivel de los mar
Es por esto que se hace necesario la buacutesqueda e implementacioacuten de nuevas
formas de generacioacuten de energiacutea amigables con el medio ambiente como la
energiacutea eoacutelica fotovoltaica entre otras La energiacutea fotovoltaica aprovecha la
energiacutea proveniente del Sol captando esta mediante celdas fotoeleacutectricas
capaces de convertir la luz en un potencial eleacutectrico sin que tenga lugar a un
efecto teacutermico es uno de los meacutetodos maacutes limpios y simples de produccioacuten
energeacutetica sin desechos peligrosos para el medio ambiente conocidos por el
hombre Parte de una fuente inagotable la energiacutea que emitida por el Sol y
absorbida por la atmoacutesfera terrestre Los cientiacuteficos consideran que si esta energiacutea
fuese aprovechada en su totalidad solo bastariacutea media hora para abastecer la
demanda energeacutetica mundial durante todo un antildeo Sin embargo esto es a nivel
teoacuterico pues a nivel praacutectico es imposible [15 21]
25
Aun asiacute cada vez es maacutes y mejor aprovechada la energiacutea fotovoltaica abarcando
cada vez maacutes campos de aplicacioacuten que variacutean desde sateacutelites suministro de
electricidad para poblaciones lejanas e incluso vehiacuteculos alimentados por energiacutea
solar
La principal desventaja de esta forma de generacioacuten es su elevado costo aunque
la materia prima con la que se componen los paneles solares sea el silicio que es
el segundo elemento maacutes abundante en la Tierra algunos son fraacutegiles y sensibles
compuestos por semiconductores cristales etc que requieren mantenimiento
constante y a menudo deben ser reemplazados
Los encargados de hacer la conversioacuten de energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica se
llaman moacutedulos fotovoltaicos o paneles solares un solo panel generalmente no
es capaz de suministrar suficiente energiacutea para una carga debido a que en el
mejor de los casos no llegaraacuten ni siquiera a un 40 de eficiencia No obstante
este problema se soluciona agrupando un mayor nuacutemero de paneles que
funcionen conjuntamente para producir mayor energiacutea En este orden de ideas se
busca mayor eficiencia de paneles a menor costo con el fin de usar menos
espacio y que la produccioacuten energeacutetica sea econoacutemicamente sostenible
Los problemas teacutecnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energiacutea
solar son los siguientes
1 Gran dispersioacuten de la energiacutea solar sobre la superficie de la Tierra
2 Caraacutecter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiacioacuten
solar
Se calcula que a grandes rasgos la radiacioacuten que recibe una superficie horizontal
es del orden de 11198961199081198982 al medio diacutea variando ciertas condiciones como latitud
del lugar nubosidad sombras y humedad Esto da como resultado un gran
problema de intermitencia que en muchos casos no obedece al comportamiento
tiacutepico de la demanda es decir que en ocasiones se recibe maacutes energiacutea de la que
se necesita y en otros casos se consume maacutes energiacutea de la que el sistema
fotovoltaico puede suministrar Lo anterior evidencia la importancia de un sistema
de almacenamiento capaz de retener energiacutea cuando esta no sea consumida y
entregue energiacutea a las cargas cuando la radiacioacuten solar no sea suficiente En
algunos casos en donde la demanda sea de suma importancia se puede contar
con un sistema de respaldo o fuentes suplementarias de energiacutea lo que hariacutea que
el sistema sea maacutes confiable
Seguacuten el anterior orden de ideas para el aprovechamiento de la energiacutea solar es
necesario realizar los siguientes procesos
26
1 Captacioacuten y concentracioacuten de la energiacutea solar
2 Transformacioacuten para su utilidad
3 Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo
de autonomiacutea establecido
4 Disposicioacuten de una fuente de energiacutea suplementaria disponible si se supera
el tiempo de autonomiacutea
5 Control de la energiacutea almacenada para que pueda ser utilizada en conjunto
con el sistema de captacioacuten de energiacutea
De esta forma se evidencia que es de vital importancia para el sistema el
correcto dimensionamiento de los diacuteas de autonomiacutea para cada caso en particular
teniendo en cuenta que cuanto mayor y mejor sea el dimensionado del sistema de
almacenamiento menor seraacute la dependencia de fuentes energeacuteticas externas de
apoyo
13 PRINCIPIOS DE CONVERSIOacuteN FOTOVOLTAICA
131 Conductores semiconductores y aislantes
El modelo moderno del aacutetomo describe las posiciones de los electrones en un
aacutetomo en teacuterminos de probabilidades Un electroacuten se puede encontrar
potencialmente a cualquier distancia del nuacutecleo pero dependiendo de su nivel de
energiacutea tiende a estar con maacutes frecuencia en ciertas regiones alrededor del nuacutecleo
que en otras estas zonas son conocidas como orbitales atoacutemicos [22]
A los electrones de la zona maacutes alejada se les denomina electrones de valencia y
poseen la caracteriacutestica de interactuar con otros electrones de valencia formando
una red cristalina El comportamiento de esta interaccioacuten clasifica materiales en
conductores semiconductores y aislantes La diferencia entre estos tres se basa
en la resistencia que opone el paso de corriente sobre un material La corriente
eleacutectrica se define como la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo
Cuando en los extremos de un material se aplica un voltaje se crea un campo
eleacutectrico dentro del mismo y los electrones pertenecientes a la oacuterbita exterior de un
aacutetomo de este material estaraacuten sometidos a una fuerza dada por
119865 = 119902 lowast 119864 120783 120783
Donde
119902 = 119907119886119897119900119903 119889119890 119897119886 119888119886119903119892119886 119890119899 119888119906119897119900119898119887119894119900119904
119864 = 119881119886119897119900119903 119889119890119897 119888119886119898119901119900 119890119897eacute119888119905119903119894119888119900 119890119899 119881119898
27
En materiales conductores es maacutes faacutecil generar movimiento de electrones en la
banda de valencia bajo la accioacuten de una fuerza generada por el producto entre la
carga y el campo eleacutectrico por esta razoacuten el nivel de conductividad en estos
materiales es grande a comparacioacuten de los materiales aislantes como el vidrio el
diamante y la porcelana que aun con elevados valores de campo eleacutectrico la
fuerza que ejerce este sobre los electrones no es la suficiente para generar
movimiento y por ende conducir electricidad [21]
El silicio cuenta con 14 electrones y a su vez el germanio con 32 electrones de los
cuales 4 son de valencia que se unen con otros 4 electrones de valencia de otros
aacutetomos De esta manera dentro de un cristal de silicio no existiraacuten electrones
libres lo que en esta configuracioacuten (estructura cristalina) se consideran elementos
aislantes
A una configuracioacuten cristalina de silicio o de germanio se le incorporan aacutetomos de
otras sustancias (impurezas) la conductividad de este material va a variar
draacutesticamente convirtieacutendolos en semiconductores de esta forma si algunos
aacutetomos de silicio en la configuracioacuten de cristal se sustituyen por aacutetomos de foacutesforo
el cual tiene 5 electrones en la banda de valencia 4 de estos se uniraacuten
covalentemente a los otros 4 electrones de silicio quedando libre el quinto
electroacuten que se podraacute separar maacutes faacutecilmente del aacutetomo mediante una
estimulacioacuten aportada por una fuente externa de energiacutea A esta nueva
configuracioacuten se la conoce como semiconductor ldquotipo nrdquo en donde predomina el
flujo de electrones De esta misma forma si algunos aacutetomos de silicio en la
configuracioacuten de cristal se sustituyeran por aacutetomos de boro que tienen 3
electrones de valencia se llegariacutea a una situacioacuten en donde seriacutea necesario un
electroacuten adicional para completar los enlaces quiacutemicos con los aacutetomos adyacentes
de silicio Este electroacuten que falta se denomina ldquohuecordquo y a esta configuracioacuten se la
conoce como semiconductor ldquotipo prdquo
El proceso de introduccioacuten de aacutetomos que ceden o toman electrones se ha
convertido en un proceso robotizado en donde los aacutetomos de las substancias
dopantes se introducen usando cantildeones electroacutenicos que bombardean los
cristales (proceso de implantacioacuten) Industrialmente se usa el cristal de silicio
porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio[15
21]
132 Unioacuten p-n
Al juntar una barra de material ldquotipo prdquo con una barra de material ldquotipo nrdquo se
produce una nueva unioacuten conocida como unioacuten p-n
28
Los electrones que se encuentren en estado libre dentro de la zona del material
ldquotipo nrdquo detectaraacuten una regioacuten en donde no existen electrones libres generando un
flujo de estos electrones portadores hacia la otra zona como intento de equilibrio
Del mismo modo los huecos existentes en la ldquozona prdquo detectaraacuten una regioacuten en la
que no existen huecos y se produciraacute por tanto un flujo de cargas positivas en
sentido contrario al flujo de electrones Debido al avance de este proceso de flujo
de electrones y huecos se produce un exceso de cargas con potencial negativo
en la ldquozona prdquo y un exceso de cargas con potencial positivo en la ldquozona nrdquo
Por tanto en el aacuterea de unioacuten de los dos materiales se origina un campo eleacutectrico
que aumenta a medida que los huecos y electrones se siguen difundiendo hacia
lados opuestos Este proceso no terminaraacute hasta que el potencial eleacutectrico de este
campo alcance un valor que impida el posterior flujo de electrones y huecos Una
vez se llega a este punto de equilibrio se habraacute creado en la estructura p-n un
campo eleacutectrico sin la ayuda de campos eleacutectricos externos
Asiacute entonces si la energiacutea que suministra el Sol en forma de fotones al
interactuar con una superficie de silicio tipo p posee la frecuencia miacutenima
necesaria para generar la energiacutea para romper un enlace de la estructura del
silicio (band-gap) seraacute absorbido y con ello se crearaacute una nueva pareja de
electroacuten-hueco el efecto de esta nueva pareja seraacute que el electroacuten liberado se
trasladaraacute hacia la zona n como una accioacuten de recuperar el equilibrio De esta
misma forma si el fotoacuten incide sobre la zona n se generaraacute una nueva pareja
electroacuten-hueco pero en este caso el hueco se traslada a la zona p El resultado
de este flujo es la acumulacioacuten de cargas positivas en la zona p y de cargas
negativas en la zona n dando origen a un campo eleacutectrico opuesto al creado por
el mecanismo de difusioacuten
Al aumentar el nuacutemero de fotones que incide sobre la unioacuten aumenta el campo
que anula el inicial hasta llegar a un valor umbral en el que ya no hayan campos
internos que separen cada pareja de electroacuten-hueco Esta es la condicioacuten que
determina la tensioacuten a circuito abierto de la ceacutelula fotovoltaica Este potencial
eleacutectrico evidencia las causas del efecto fotovoltaico
29
Figura 15 Efecto fotovoltaico tomada de SUSTAINABLE ENERGY SYSTEMS The
Photovoltaic Effect 3 de Enero del 2012 Disponible en httpsustainableenergysystemzcomthe-
photovoltaic-effect172
Al establecer un circuito eleacutectrico externo entre las dos superficies los electrones
acumulados fluiraacuten a traveacutes de eacutel regresando a su posicioacuten inicial Este flujo de
electrones forma lo que se conoce como una corriente fotogenerada o fotovoltaica
133 La ceacutelula fotovoltaica
Las ceacutelulas o celdas solares se fabrican a partir de planchas de silicio el cual es
un elemento muy abundante en el planeta Tierra debido a que es uno de los
componentes que forman la arena (dioacutexido de silicio SiO2) En su forma maacutes
pura el silicio semiconductor se emplea en la industria de la microelectroacutenica
como base para los microchips
Fiacutesicamente una ceacutelula fotovoltaica es un diodo con una superficie muy amplia
generalmente tiene un grosor que variacutea entre los 025 y 035 mm y una forma
generalmente cuadrada con una superficie aproximada de 100cm2 El proceso de
fabricacioacuten variacutea seguacuten las cualidades que se quieran obtener (rendimiento
flexibilidad economiacutea) A maacutes pureza maacutes altos costos para una calidad que no
va a suponer un incremento sustancial de rendimiento
Las ceacutelulas fotovoltaicas de silicio pueden construirse de cristales monocristalinos
policristalinos o de silicio amorfo La diferencia entre ellas radica en la forma como
estaacuten dispuestos los aacutetomos de silicio en la estructura cristalina Esta hace que
tengan eficiencias diferentes La eficiencia de una ceacutelula fotovoltaica es el
porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad Las celdas solares de
silicio monocristalino y policristalino tienen casi la misma eficiencia que supera a
la del amorfo sin embargo este uacuteltimo es el maacutes econoacutemico de ambos [21]
134 Silicio monocristalino
30
Las celdas de Silicio monocristalino representan el estaacutendar de la tecnologiacutea
fotovoltaica comercial Para fabricarlas el silicio es purificado mediante la
introduccioacuten de una varilla de ldquocristal germenrdquo de silicio fundido a unos 1400degC y
cristalizado ya sea en lingotes o en laacuteminas delgadas posteriormente el silicio es
rebanado en obleas delgadas para definir las celdas individuales posteriormente
las obleas se pulen por ambas caras Durante el proceso de corte y pulido se
desperdicia casi la mitad del material Una vez pulidas las celdas se introduce por
difusioacuten a alta temperatura un material dopante tiacutepicamente boro si se desea que
el semiconductor sea tipo p y foacutesforo si se desea que el semiconductor sea tipo
n Esta forma de obtencioacuten del silicio para usos fotovoltaicos se conoce como el
meacutetodo Czochralski
En el anterior meacutetodo la mayoriacutea de veces se hace el dopado con boro con el fin
de caracterizar el semiconductor tipo p Para la unioacuten n-p se difunden aacutetomos de
foacutesforo que se depositan sobre una cara y alcanzan cierta profundidad en
superficie Asiacute se consigue que una de las zonas tenga deficiencia de aacutetomos
(tipo p) y la otra cara exceso de aacutetomos (tipo n) Debido a esta diferencia de carga
eleacutectrica en el material se produce un campo eleacutectrico encargado de empujar a
los electrones a salir de la ceacutelula por la superficie de la capa n lo que conlleva al
establecimiento de una corriente eleacutectrica con la interaccioacuten de la energiacutea
proveniente del Sol en forma de fotones
La ceacutelula que se obtiene ha de estar dotada de unos contactos eleacutectricos para
poder canalizar la energiacutea que produce cuando recibe insolacioacuten Estos contactos
sobre la cara asoleada se reparten en forma ramificada y se unen a dos contactos
principales Es comuacuten para la fabricacioacuten de contactos usar procedimientos
serigraacuteficos dado su bajo costo y la facilidad de automatizacioacuten En la cara
posterior que no recibe el sol el material suele extender a toda la superficie o
formar una malla metaacutelica muy tupida esta se recubre con un tratamiento
antirreflexivo de bioacutexido de titanio o zirconio
La mayoriacutea de las ceacutelulas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente
05v independientemente del aacuterea superficial de la celda sin embargo mientras
mayor sea la superficie mayor seraacute la capacidad en corriente que pueda
suministrar
31
Figura 16 Panel solar silicio monocristalino
El proceso de construccioacuten de paacuteneles monocristalinos es muy costoso y requiere
mucha energiacutea aunque se obtiene un cristal maacutes eficaz con rendimientos en
laboratorio del 15 al 18 Se distinguen por su color azul homogeacuteneo o negro Los
moacutedulos fabricados con tal material tienen tal calidad que algunos fabricantes los
garantizan por 25 antildeos
135 Silicio policristalino
Las ceacutelulas de silicio policristalino se obtienen de planchas de silicio policristalino
que son maacutes econoacutemicas que las planchas de silicio monocristalino Se obtienen
por un proceso de moldeo a partir de pasta de silicio formado por muacuteltiples
cristales de silicio la cual es fundida y vertida en un molde donde se deja asentar
lentamente con lo cual se obtiene un soacutelido formado por muchos pequentildeos
cristales Una vez listo este material se corta en planchas de menor espesor que
las monocristalinas (solo algunas micras) Estas ceacutelulas son maacutes econoacutemicas que
las ceacutelulas monocristalinas sin embargo no son igual de eficientes debido a sus
imperfecciones en su estructura cristalina Aunque su eficiencia ronda entre el
12 y el 14 su costo ha hecho que sean muy usadas de manera comercial
Su composicioacuten a partir de pequentildeos cristales hace que su color no sea uniforme
como las ceacutelulas monocristalinas esta caracteriacutestica hace que su color tenga
diferentes tonalidades de azul
32
Tanto este proceso como el anterior casi la mitad del silicio se pierde como polvo
durante el cortado La garantiacutea de este producto suele ser de 20 antildeos
dependiendo del fabricante
Figura 17 Panel solar silicio policristalino
136 Silicio amorfo
El silicio amorfo es silicio en una forma cristalina con defectos en sus enlaces
atoacutemicos Sin embargo si el silicio amorfo se deposita de tal manera que contenga
una pequentildea cantidad de hidroacutegeno estos aacutetomos de hidroacutegeno saturan muchos
de los huecos de la red cristalina permitiendo asiacute a los electrones moverse a
traveacutes del silicio tipificaacutendose gracias a la accioacuten del dopaje como un material
tipo p o tipo n En cualquier caso en las regiones p o n obtenidas la vida media de
los portadores de carga es reducida
Se obtiene de un proceso de produccioacuten relativamente simple econoacutemico con
poco gasto de energiacutea lo que hace posible la produccioacuten de ceacutelulas a gran escala
Las ceacutelulas de silicio amorfo se obtienen depositando capas delgadas de silicio
sobre un substrato de bajo costo que puede ser vidrio plaacutestico o similar y son de
color marroacuten homogeacuteneo Tienen dos principales desventajas baja eficiencia
respecto a ceacutelulas monocristalinas y policristalinas (cerca del 10 lo que conlleva
a utilizar mucha maacutes aacuterea) y las ceacutelulas se ven envueltas en un proceso de
degradacioacuten en los primeros meses de funcionamiento reduciendo la eficiencia a
lo largo de su vida uacutetil
Las ceacutelulas amorfas son utilizadas en aplicaciones en donde se demande poca
electricidad por ejemplo Relojes calculadoras luces de prados etc [15 21 23]
33
Figura 18 Panel de silicio amorfo tomada de ENGANGET Xunlight Logra Crear Paneles
Solares Flexibles de Gran Tamantildeo 6 de Junio del 2009 Disponible en
httpesengadgetcom20090605xunlight-logra-crear-paneles-solares-flexibles-de-gran-tamano
CEacuteLULAS RENDIMIENTO LABORAL
RENDIMIENTO DIRECTO
CARACTERIacuteSTICAS FABRICACIOacuteN
Monocristalino
24
15-18
Es tiacutepico los azules homogeacuteneos y la conexioacuten de las ceacutelulas individuales entre si (Czochralsky)
Se obtiene de silicio puro fundido y dopado con fosforo
Policristalino
19-20
12-14
La superficie estaacute estructurada en cristales y contiene distintos tonos azules
Igual que el monocristalino solo que se disminuye el nuacutemero de fases de cristalizacioacuten
Amorfo
16
lt10
Tiene un color homogeacuteneo (marroacuten) no tiene conexioacuten visible entre ceacutelulas
Tiene la ventaja de depositarse en forma de laacutemina delgada y sobre un sustrato como vidrio o plaacutestico
Tabla 11 Caracteriacutesticas Fabricacioacuten Rendimiento directo y Rendimiento laboral de las ceacutelulas
fotovoltaicas comerciales
34
14 RECURSO SOLAR
Seguacuten la explicacioacuten del efecto fotoeleacutectrico propuesta por Albert Einstein la
energiacutea de la luz va ligada netamente a la frecuencia de los fotones que esta
contenga de esta forma se comporta la energiacutea contenida en los rayos del Sol en
donde se puede modelar la siguiente ecuacioacuten llamada ldquoecuacioacuten de Plankrdquo
119864 = ℎ lowast 119881 120783 120784
En donde
119864 Energiacutea de los fotones
ℎ Constante de Planck que equivale a 662510minus34Js
119881 Frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de la luz
De esta manera la energiacutea proveniente del Sol a la Tierra seraacute el resultado del
producto entre la constante de Planck y la suma de las frecuencias que tiene cada
fotoacuten del espectro solar Sin embargo no toda esa energiacutea es aprovechada en la
superficie terrestre debido a que existen fotones con poca frecuencia y por ende
poca energiacutea incapaz de atravesar la atmoacutesfera
La energiacutea que se obtiene en la atmoacutesfera terrestre es una mezcla de radiaciones
de longitudes de onda formada por radiacioacuten ultravioleta luz visible y radiacioacuten
infrarroja Una de las funciones de la capa de ozono es filtrar parte de esta
energiacutea y de esta manera formar el espectro solar terrestre En la siguiente
imagen se puede mostrar la situacioacuten descrita [24]
35
Figura 19 Espectro solar tomada de ADMATNET Espectro Solar Disponible en
httpadmatnetcomwp-contentuploads201310espectro-solar-vs-SC1jpg
En donde la longitud de onda (120574) y la frecuencia (119891) de la ondas
electromagneacuteticas se relacionan mediante la expresioacuten
120574 =119888
119891 120783 120785
En donde
119888 Velocidad de la luz a la cual se desplazan todas las ondas electromagneacuteticas
Asiacute entonces se sabe que seguacuten la Ley de Planck que permite calcular la
radiacioacuten emitida por un cuerpo negro el Sol emite unos 38 lowast 1023kw solo una
pequentildea cantidad es absorbida por la atmoacutesfera y es conocida como la radiacioacuten
terrestre que variacutea de acuerdo a ciertas condiciones geograacuteficas a lo largo del
antildeo
Un paraacutemetro fundamental para comprender el comportamiento de la radiacioacuten
terrestre es la ldquoconstante solarrdquo que es la cantidad de energiacutea que incide
perpendicularmente en 1 1198982 de aacuterea ubicada en la parte exterior de la atmoacutesfera
Su valor es 1338 119908 1198982frasl y variacutea un plusmn3 en el antildeo debido a que la Tierra tiene una
trayectoria eliacuteptica alrededor del Sol [15 21]
La radiacioacuten del Sol no es absorbida en su totalidad por la atmoacutesfera esta se
debilita por accioacuten de la reflexioacuten difusioacuten y absorcioacuten Se dice que en ciertas
36
condiciones tales como diacutea perfectamente claro ausencia de sombras y con los
rayos cayendo perpendicularmente a un plano horizontal casi las tres cuartas
partes de la energiacutea proveniente de Sol alcanzaraacuten dicho plano El resto se refleja
en la atmoacutesfera y se dirige al espacio exterior La atmoacutesfera juega un papel de
filtro sobre la radiacioacuten ultravioleta y gran parte de la infrarroja siendo estas
absorbidas por el ozono Asiacute entonces la constante solar ya no es vaacutelida en ninguacuten
nivel terrestre donde bajo las condiciones nombradas anteriormente se dice que
en 11198982 de superficie a nivel del mar con los rayos llegando de forma
perpendicular cerca de 1000 119908 1198982frasl seraacuten disponibles
La anterior situacioacuten puede variar considerablemente dependiendo de las
condiciones encontradas en el ambiente Algunas de estas son momento del diacutea
variacutea de un lugar a otro especialmente en lugares montantildeosos la elevacioacuten solar
(posicioacuten relativa del Sol en el cielo) que depende de la latitud del lugar la altitud
donde se sabe que a mayor altura existiraacute menor espesor de atmoacutesfera y por ende
mayor energiacutea disponible en forma de radiacioacuten solar
En la tabla 12 se puede observar a grandes rasgos como variacutea la intensidad de la
radiacioacuten en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del mar y coacutemo influyen ciertas
condiciones climatoloacutegicas
VARIACIOacuteN DE LA RADIACIOacuteN INCIDENTE CON LA ALTITUD
ALTITUD SOBRE EL NIVEL DEL MAR
0 900 1500 2250 3000
INTENSIDAD DE LA RADIACIOacuteN
(w119950120784)
950 1050 1100 1150 1190
Tabla 12 Variacioacuten de la intensidad de radiacioacuten solar en funcioacuten de la altitud sobre el nivel del
mar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y
Cualificacioacuten Meacutexico 2008
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS EN LA RADIACIOacuteN INCIDENTE
CONDICIONES CLIMATOLOacuteGICAS
RADIACIOacuteN
GLOBAL(w119950120784)
PORCENTAJE DE RADIACIOacuteN DIFUSA
CIELO DESPEJADO 750-1000 10-20
CIELO PARCIALMENTE NUBOSO
200-500 20-90
Tabla 13 Influencia de las condiciones climatoloacutegicas en la radiacioacuten incidente tomada de
Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
37
De esta manera existen entonces dos factores fundamentales que hacen que la
radiacioacuten solar sea de caraacutecter intermitente Se nombran a continuacioacuten
141 Factores externos a la superficie de la Tierra
Son los de caraacutecter dependiente a la posicioacuten de la Tierra respecto al Sol como
bien se sabe la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol es eliacuteptica por lo que la
energiacutea proveniente del Sol no seraacute constante a lo largo del antildeo debido a que en
ciertas eacutepocas esta deberaacute atravesar mayor distancia y por tanto mayor masa lo
que en este caso disminuiraacute la energiacutea proveniente del Sol Tambieacuten involucran
las coordenadas geograacuteficas del lugar considerando latitud y longitud que
condicionan baacutesicamente el recorrido de la radiacioacuten a traveacutes de la atmoacutesfera y el
aacutengulo de incidencia de los rayos solares Son funcioacuten pues de la altura solar en
cada instante
142 Factores climaacuteticos
Estos factores involucran la atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por parte de agentes
internos al ambiente terrestre tales como nubes cantidad de vapor de agua
contaminacioacuten ozono etc Contenidos en la atmoacutesfera y que fundamentalmente
atenuacutean la radiacioacuten solar por concepto de absorcioacuten reflexioacuten y difusioacuten de la
radiacioacuten [15 21 25]
Figura 110 Clasificacioacuten de radiacioacuten tomada de HERNANDEZ PEDRO J Efectos Teacutermicos de Los Materiales Disponible en httppedrojhernandezcomtagconceptos-2
143 Componentes de la radiacioacuten solar Seguacuten la forma como llegue la luz solar a la superficie de la Tierra se pueden clasificar en tres formas diferentes Radiacioacuten solar directa es captada desde una superficie terrestre que posee un uacutenico aacutengulo de incidencia Es decir es la que viaja en liacutenea recta desde la atmoacutesfera hasta la superficie terrestre
38
Radiacioacuten solar dispersa o difusa es la energiacutea que ha sido desviada por accioacuten de los gases disponibles en el ozono esto explica que una superficie con sombra o sin luz solar se encuentre iluminada incluso a pesar de su condicioacuten Radiacioacuten solar albedo es la radiacioacuten reflejada por el suelo o alguna otra superficie Cuando la fuente de luz es el Sol se usa el teacutermino albedo en lugar de reflectancia Esta es variable de un lugar a otro por ejemplo la superficie de un cuerpo negro tendraacute un albedo de cero sin embargo una superficie cubierta de nieve tendraacute un albedo de aproximadamente 09 y para el suelo mojado tendraacute un albedo de 018 (la superficie de un cuerpo negro es un elemento ideal y netamente teoacuterico por ende inexistente)
En teacuterminos generales se define al albedo como
120566 =119877119903
119877119894 120783 120786
En donde
119877119903 es la radiacioacuten reflejada por la superficie
119877119894 es la radiacioacuten incidente en la superficie
La radiacioacuten incidente puede tener entonces dos componentes radiacioacuten directa y
radiacioacuten difusa [21]
144 Modelos para estimar la radiacioacuten solar
Se pueden destacar los siguientes
Datos de estaciones cercanas
Los valores arrojados por este meacutetodo podraacuten ser acertados si solamente se trata
de un lugar llano y la distancia entre la estacioacuten y el lugar que se planea energizar
es menor a 10 km Sin embargo en la ausencia de alguna otra opcioacuten esta podriacutea
ser una opcioacuten previa donde se podriacutea dar una idea de coacutemo puede ser la
radiacioacuten en un lugar en especiacutefico
Interpolar valores a partir de medidas de la radiacioacuten solar en otras estaciones
La informacioacuten acerca de la radiacioacuten entregada por este meacutetodo puede llegar a
ser confiable si el nuacutemero de estaciones en un lugar es considerable y
dependiendo del tipo de terreno es decir que la interpolacioacuten puede verse
afectada si entre estaciones no tienen en cuenta terrenos en donde la altura
humedad y nubes puedan afectar el resultado
39
Modelos de interpolacioacuten que tienen en cuenta la topografiacutea
Este meacutetodo puede llegar a ser efectivo debido a que tienen en cuenta la
desventaja del iacutetem anterior sin embargo es escaso tener acceso a esta
informacioacuten debido a la complejidad que involucrariacutea tener en cuenta toda la
topologiacutea geograacutefica de un paiacutes como Colombia
Meacutetodo de tratamiento de imaacutegenes de sateacutelites
Es el meacutetodo maacutes exacto para encontrar la radiacioacuten solar en un sitio determinado
Es el resultado de la reflexioacuten de los rayos solares en la superficie de la Tierra
Este meacutetodo se caracteriza por llevar impliacutecito los factores externos a la superficie
de la Tierra y los factores climaacuteticos y topograacuteficos [25 26]
15 DESARROLLOS EN COLOMBIA
Colombia es un paiacutes que produce en su gran mayoriacutea energiacutea eleacutectrica a partir de
la energiacutea potencial almacenada por embalses (centrales hidroeleacutectricas) Este
tipo de generacioacuten aprovecha el movimiento del agua para convertirlo en corriente
eleacutectrica comercial su impacto ambiental es mucho menor que en las energiacuteas
foacutesiles (no produce gases de efecto invernadero ni contamina a la atmoacutesfera) su
explotacioacuten apenas requiere mantenimiento y el almacenamiento de agua tambieacuten
se puede utilizar para plantaciones Sin embargo su construccioacuten implica un gran
impacto ambiental al ser necesaria la inundacioacuten de valles y desplazamiento de
poblacioacuten constituyen una de las principales causas directas e indirectas de
peacuterdida de millones de hectaacutereas de bosques muchas de ellas abandonadas bajo
el agua y en descomposicioacuten Se modifican las condiciones fiacutesicas y quiacutemicas del
riacuteo como salinidad temperatura y nutrientes debido a que el agua embalsada
altera las condiciones naturales del riacuteo
La produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en Colombia empleando sistemas fotovoltaicos
ha tenido un enfoque en el sector rural en donde el gran costo de generacioacuten
provocados por los altos precios en los combustibles y los costos de operacioacuten y
mantenimiento hace que la generacioacuten fotovoltaica sea una opcioacuten adecuada y
confiable a largo plazo Estos sistemas empezaron en Colombia con la empresa
Telecom a comienzos de los antildeos 80s con el apoyo de la Universidad Nacional
Se desarrollaron proyectos con pequentildeos generadores fotovoltaicos de 60 Wp
con los cuales energizaron radioteleacutefonos y algunos sistemas de comunicacioacuten
adicionales en 1983 ya se habiacutean instalado 2950 de este tipo de sistemas y
alcanzaron una potencia instalada entre 3 a 4 kWp para antenas satelitales
terrenales
40
Muchas empresas optaron por instalar sistemas fotovoltaicos para energizar sus
sistemas de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas fotovoltaicos
para alimentar repetidoras de microondas boyas estaciones remotas bases
militares y algunas viviendas en las zonas rurales Seguacuten estudios realizados en
1983 y 1994 se importaron 48499 moacutedulos solares para una potencia de 205
MWp de estos el 411 para proyectos de telecomunicaciones el 465 para
electrificacioacuten rural y el 124 para otras operaciones El mismo estudio determino
que para 248 sistemas fotovoltaicos equivalentes a 419 moacutedulos el 56 de los
sistemas funcionaban correctamente mientras que el 37 funcionaban con
problemas y el 8 estaban fuera de servicio Como fuente principal de problemas
encontraron la falta de miacutenimo mantenimiento componentes dantildeados partes sin
reemplazo y sistemas subestimados Esto evidencia que los dimensionamientos
no son adecuados para estos sistemas al igual que un olvido teacutecnico para estos
usuarios con respecto a mantenimiento y ajustes al sistema En los uacuteltimos 10
antildeos tampoco se ha evidenciado estudios similares a este en donde se muestre
el estado real de dichos sistemas [28]
En promedio los sistemas para electrificacioacuten rural constan de un panel entre 50 y
70 Wp una bateriacutea entre 60 y 120 Ah y un regulador Lo que producen una
energiacutea miacutenima para satisfacer las necesidades maacutes baacutesicas del sector rural El
costo actual de estos pequentildeos sistemas oscila entre US$ 1200 a 1500 afectando
principalmente los altos costos de instalacioacuten en las zonas remotas
Durante los uacuteltimos antildeos se han instalado muchos maacutes sistemas en los programas de electrificacioacuten rural con fuerte financiacioacuten del Estado haciendo uso actualmente de recursos como el FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energizacioacuten de las Zonas No Interconectadas) El IPSE (Instituto para la Promocioacuten de Soluciones Energeacuteticas) es en la actualidad la institucioacuten que lidera las acciones del Estado en la energizacioacuten del campo colombiano Seguacuten esta institucioacuten hay en la actualidad maacutes de 15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones Pero ademaacutes el IPSE tiene en desarrollo soluciones innovadoras como sistemas hiacutebridos en donde se combinan por ejemplo la energiacutea solar fotovoltaica y las plantas diesel para reducir los costos de generacioacuten del diesel y emplear el generador como respaldo [29] El Estado tambieacuten cuenta con una institucioacuten encargada de recopilar la informacioacuten de la energiacutea solar disponible en el territorio colombiano el IDEAM (Instituto de Estudios Ambientales) es la entidad encargada de cumplir con esa tarea empleando la informacioacuten de 383 estaciones de brillo solar medido con helioacutegrafos Campebell-Stokes 32 estaciones de referencia y 39 estaciones radiomeacutetricas unas con actinoacutegrafo Fuess y otras con piranoacutemetros Eppley Blanco y negro y PSP Con esta informacioacuten recopilada mes a mes se corrioacute el modelo de Angstrom modificado dando como resultado los mapas de radiacioacuten solar para superficies horizontales publicados en el 2005 expuestos en el anexo 1
41
Como conclusioacuten al anterior estudio se presenta la tabla 14 en donde se muestra la energiacutea sobre metro cuadrado a lo largo del antildeo para las regiones del paiacutes
REGIOacuteN kWh119950120784antildeo
GUAJIRA 2190
COSTA ATLAacuteNTICA 1825
ORINOQUIA 1643
AMAZONIA 1551
ANDINA 1643
COSTA PACIacuteFICA 1278 Tabla 14 Radiacioacuten solar en las distintas regiones de Colombia
Sin embargo este estudio presenta deficiencias para ser considerado adecuado a la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico debido a la poca confiabilidad de los resultados entregados para el dimensionamiento en las diferentes zonas del paiacutes ya que la densidad de estaciones climatoloacutegicas es insuficiente para el caacutelculo adecuado del modelo Angstrom modificado El caacutelculo maacutes confiable se presenta en la zona Andina debido a que en esta regioacuten la maacutes elevada del paiacutes
se tiene la mayor densidad de estaciones climatoloacutegicas por 1198961198982 mientras que en la zona paciacutefica existe la menor densidad de las mismas Adicional a esto no resulta muy uacutetil tener los mapas de radiacioacuten solar promedio mes a mes debido a que solo es informacioacuten indicativa y carece de informacioacuten maacutes detallada como radiacioacuten en un lugar especiacutefico radiacioacuten sobre un plano inclinado e incluso recomendaciones sobre una mejor inclinacioacuten y orientacioacuten del generador fotovoltaico Sin embargo existen herramientas capaces de recopilar informacioacuten de las estaciones meteoroloacutegicas existentes en una regioacuten y correr un sistema de interpolacioacuten un poco maacutes preciso con respecto a una ubicacioacuten inclinacioacuten y orientacioacuten detallada Es el caso de la base de datos llamada Meteonorm y el modelo usado por MeteoSyn para generar datos de radiacioacuten solar en un sitio determinado Ambos son usados por distintos software como es el caso de PVSOLreg que es capaz de calcular y disentildear sistemas fotovoltaicos [20] 16 PARAacuteMETROS FUNDAMENTALES PARA EL DISENtildeO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 161 Declinacioacuten Magneacutetica Se conoce como declinacioacuten magneacutetica a la diferencia entre el norte o sur magneacutetico comprendido por una bruacutejula y el verdadero o geograacutefico punto cardinal La bruacutejula se orienta con el campo magneacutetico de la Tierra que no siempre estaacute alineado con el eje de rotacioacuten por lo que la orientacioacuten de los moacutedulos
42
fotovoltaicos se debe trabajar con el norte geograacutefico y no con el magneacutetico Se presenta la figura 111 en donde se observa que para Colombia la declinacioacuten magneacutetica esta en unos 8ordm grados al Este
Figura 111 Declinacioacuten magneacutetica tomada de Global Top Variacioacuten Magneacutetica Disponible en httpwwwgtop-techcomesproductVariacin-magnticaSoftware_Services_16htmlprettyPhoto[rm-prd-photoshow]0
De esta manera se debe ajustar la orientacioacuten entregada con la bruacutejula con unos 8ordm al Este para aplicaciones fotovoltaicas en Colombia [10 29] 162 Trayectoria solar La posicioacuten del Sol variacutea diariamente desde el amanecer hasta el ocaso dependiendo de la latitud del lugar asiacute por ejemplo para lugares ubicados en el hemisferio Norte de la Tierra el Sol sale por el Este se desplaza en direccioacuten Sur y se pone en el Oeste Se debe aclarar que es la Tierra la que cada diacutea hace una rotacioacuten completa alrededor de su eje lo que crea una sensacioacuten estaacutetica en el observador por tanto es costumbre decir que ldquoel Sol realiza un recorrido ldquo aunque en realidad es la Tierra la que hace el recorrido alrededor del Sol se seguiraacute manejando con fines praacutecticos el termino trayectoria solar La Tierra tiene dos movimientos la rotacioacuten sobre su eje y la traslacioacuten alrededor del sol esta uacuteltima sigue una trayectoria eliacuteptica que da lugar a las estaciones del antildeo La combinacioacuten de ambos movimientos genera que se observe una variacioacuten de la trayectoria solar a lo largo del antildeo Este es un factor de intereacutes para la ubicacioacuten orientacioacuten e inclinacioacuten de los moacutedulos fotovoltaicos debido a que se intenta que esteacuten plenamente orientados hacia el Sol con el fin de que la incidencia de la luz en el panel sea siempre plena
43
Se presenta la figura 112 donde se observa dicha variacioacuten a lo largo del antildeo para la ciudad de Pereira [30]
Figura 112 Trayectoria solar en la ciudad de Pereira disponible en SUN EARTH TOOLS Ubicador Geograacutefico Solar Disponible en httpwwwsunearthtoolscomdptoolspos_sunphplang=es
En figura 112 se muestran tres trayectorias solares la superior representa el solsticio de verano o solsticio de Junio la del medio representa una fecha de ejemplo y la inferior representa el solsticio de invierno o solsticio de Diciembre Asiacute entonces se definen dos paraacutemetros fundamentales 163 Acimut Es la localizacioacuten aparente del Sol al Este u Oeste del sur verdadero se mide en grados al Este u Oeste Se puede optimizar el rendimiento diario de los colectores si estos se fijan frente al sur geograacutefico es decir acimut 0deg 164 Inclinacioacuten del arreglo Es el aacutengulo que forma el arreglo de paneles con el plano horizontal Se intenta que este sea adecuado para que la incidencia de los rayos solares sea perpendicular a la superficie captadora [10 21] Seguacuten la imagen para que los paneles esteacuten en todo momento perfectamente inclinados hacia el sol se deberaacute estar dispuesto sobre un mecanismo de anclaje que permita la movilidad tanto en su eje horizontal como en su eje vertical Sin
44
embargo para paiacuteses cercanos a la liacutenea ecuatorial no es necesario dicho mecanismo debido a que las variaciones no son muy bruscas a diferencia de paiacuteses muy alejados de la liacutenea ecuatorial en donde si no se dispone de un sistema mecaacutenico para dicha aplicacioacuten se intenta fijar la inclinacioacuten de acuerdo a la eacutepoca del antildeo en donde se desee utilizar el sistema de captacioacuten solar asiacute entonces algunos autores especifican que para el hemisferio norte de la Tierra en eacutepocas de invierno se inclinan los paneles 20deg mayor que la latitud para primavera y verano se fijan en 10deg menor que la latitud y la utilizacioacuten para todo el antildeo 10deg mayor que la latitud La altura del Sol por encima del horizonte se llama altitud la cual se mide en grados por encima del horizonte De esta forma al amanecer y al ocaso la altitud seraacute de cero grados Para el hemisferio Norte de la Tierra cuando el Sol estaacute sobre el sur verdadero (acimut 0ordm) estaraacute en su altitud maacutexima para ese diacutea Esta hora se conoce como medio diacutea solar y variacutea a causa de la rotacioacuten de la Tierra sobre su eje inclinado Para el caso de Colombia existen maacutes cantidad de diacuteas en donde el Sol posee una trayectoria hacia el sur que hacia el norte lo que convendriacutea inclinar los paneles hacia el sur (acimut=0deg) sin embargo existen otras opciones para mejorar la captacioacuten a partir de estructuras fijas que posean la manera de variar la inclinacioacuten Asiacute entonces el usuario podraacute variar la inclinacioacuten en dos o maacutes puntos dependiendo de la estructura fijada en los paneles de tal forma que para eacutepocas del antildeo en donde sean predominantes las trayectorias solares en direccioacuten norte el arreglo pueda tener la opcioacuten de adaptarse De acuerdo a la experiencia aportada por la empresa Colombian Solar Systems sitio en donde se llevoacute a cabo este proyecto se recomienda que la inclinacioacuten de los paneles no sea menor de 10deg debido a que es la inclinacioacuten necesaria para que el agua de la lluvia y los residuos del ambiente resbalen y no sean inconvenientes para la captacioacuten solar [10 21] En la tabla 15 se da a conocer el comportamiento de la radiacioacuten en la ciudad de Pereira (estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea) con distintas inclinaciones
45
Tabla 15 Comportamiento de irradiacioacuten acumulada mensual aeropuerto Matecantildea seguacuten PVSOLreg
De la tabla 15 se observa que la radiacioacuten en los meses de Mayo Junio Julio y Agosto es mayor para inclinaciones hacia el Norte sin embargo para el resto del antildeo la radiacioacuten es mayor para inclinaciones hacia el Sur En la tabla 16 se resume el comportamiento de la radiacioacuten solar anual en la ciudad de Pereira seguacuten el software PVSOLreg
Acimut Inclinacioacuten Radiacioacuten acumulada anual en [kWhmsup2]
Descripcioacuten
180deg 30deg 1373 Cara al Norte
180deg 15deg 1505 Cara al Norte
180deg 10deg 1535 Cara al Norte
180deg 5deg 1557 Cara al Norte
0deg 0deg 1570 Horizontal
0deg 5deg 1576 Cara al Sur
0deg 10deg 1574 Cara al Sur
0deg 15deg 1563 Cara al Sur
0deg 30deg 1485 Cara al Sur Tabla 16 Radiacioacuten solar anual estacioacuten Aeropuerto Matecantildea en Pereira
EneroFebre
roMarz
oAbril Mayo Junio Julio
Agosto
Septiembr
e
Octubre
Noviembre
Diciembre
Acimut 180deg inclinacioacuten 30deg 10683 10448 12242 11513 12025 12145 12896 13125 11767 10942 9472 10036
Acimut 180deg inclinacioacuten 15deg 13369 12342 13376 12123 12182 12125 12992 13563 1263 12445 11064 12318
Acimut 180deg inclinacioacuten 10deg 14143 12849 13626 12205 12111 11992 12887 1357 12795 12829 11508 1297
Acimut 180deg inclinacioacuten 5deg 14839 13288 13809 12225 11979 11797 12716 13509 12895 13149 11899 13557
Acimut 0deg inclinacioacuten 0deg 15454 13654 13923 12182 11787 11542 12478 13378 12931 13404 12234 14075
Acimut 0deg inclinacioacuten 5deg 15981 13945 13967 12078 11536 11228 12176 13178 12901 1359 12509 14521
Acimut 0deg inclinacioacuten 10deg 16417 14159 13941 11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 12723 14889
Acimut 0deg inclinacioacuten 15deg 16759 14294 13845 11687 10867 10435 1139 12582 12648 13752 12873 15179
Acimut 0deg inclinacioacuten 30deg 17197 1422 13148 1067 952 8949 9823 11232 11802 13467 12939 15553
020406080
100120140160180200
kWhm
sup2
Radiacioacuten Aeropuerto Matecantildea para distintos planos
46
165 Objetos que crean sombra Este paraacutemetro es de suma importancia para el disentildeo de cualquier sistema fotovoltaico debido a que afecta netamente el rendimiento de los paneles Este factor es muy variable de acuerdo a la ubicacioacuten del lugar Se pretende que las sombras sean reducidas lo maacuteximo posible sin embargo estas suelen aparecer con mayor persistencia en eacutepocas del antildeo donde la altitud del Sol es menor Un meacutetodo para evaluar sombras en Colombia constariacutea del anaacutelisis de los diacuteas en donde la altitud del Sol es menor asiacute entonces tendriacutea en cuenta los diacuteas de solsticio de Junio (21 de Junio) y el solsticio de Diciembre (21 de Diciembre) para hacer un anaacutelisis visual de sombras que intervienen en el arreglo y evaluar si estas pueden ser retiradas para mejorar la captacioacuten o por el contrario no es posible retirarlas lo que conlleva a un menor rendimiento [10]
47
Capiacutetulo 2
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Los sistemas autoacutenomos o independientes de la red son una buena opcioacuten para
abastecer de energiacutea eleacutectrica zonas de difiacutecil acceso constan de un arreglo
fotovoltaico encargado de transformar la energiacutea proveniente del Sol en energiacutea
eleacutectrica un banco de bateriacuteas que se encargaraacute de suministrar energiacutea en horas
del diacutea en donde la radiacioacuten sea miacutenima o nula un regulador encargado de
adecuar la tensioacuten y la corriente para cargar el banco de bateriacuteas y protegerlo de
sobrecargas y descargas profundas y un inversor que convierte la corriente
continua en corriente alterna adecuada para suministrar las cargas
21 ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTOacuteNOMO
Para entender el funcionamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo se necesita
comprender el funcionamiento de cada uno de los elementos que lo componen
para posteriormente entrar en detalles en el modelamiento del sistema fotovoltaico
como tal
211 El panel fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos tienen como misioacuten captar la energiacutea en forma de
fotones provenientes del Sol para generar corriente eleacutectrica capaz de ser
almacenada y aprovechada para cualquier uso
Estaacuten compuestos de ceacutelulas solares que al ser tratadas individualmente no seriacutean
capaces de proporcionar niveles de tensioacuten y corriente adecuados para el
consumo Son fraacutegiles eleacutectricamente no aisladas y carecen de soporte mecaacutenico
es por estas razones que es necesario ensamblarlas de una manera adecuada
para constituir una estructura uacutenica riacutegida y hermeacutetica
En el conjunto del panel FV las ceacutelulas o celdas solares deben ser iguales de lo
contrario se presentaraacuten sectores en el panel fotovoltaico con altas temperaturas
Estaacuten conectadas eleacutectricamente entre siacute en serie yo en paralelo de forma que la
tensioacuten y corriente alcancen valores adecuados Es frecuente que primero se
conecten ceacutelulas en serie hasta ajustar un nivel de tensioacuten y posteriormente
asociar en paralelo varias cadenas de esta serie para alcanzar niveles de corriente
deseados [21]
2111 Estructura de los paneles solares
48
Aunque cada empaquetadura puede variar entre distintos fabricantes existen
varias caracteriacutesticas comunes entre ellos como el uso de una estructura de
ldquoSaacutendwichrdquo donde ambos lados de las ceacutelulas quedan mecaacutenicamente protegidos
Los paneles solares estaacuten formados por los siguientes elementos cubierta frontal
material encapsulante ceacutelulas o celdas solares y sus conexiones eleacutectricas
cubierta posterior y arco metaacutelico Otros elementos que pueden llegar a ser parte
del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores [21]
Figura 21 Componentes de un panel solar tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar
Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
21111 La cubierta frontal
Sirve para proteger las ceacutelulas contra las inclemencias del tiempo e impactos Es
vidrio templado de 3 a 4mm de espesor y al que se le ha dado una textura que
minimiza la reflexioacuten de la luz y favorece la transmisioacuten hacia el material
semiconductor en algunos casos de hasta el 91 Tambieacuten los hay en materiales
orgaacutenicos y plaacutesticos de alta resistencia [15 21]
21112 El material encapsulante
Se encuentra entre el vidrio y las ceacutelulas y tambieacuten las recubre en la parte
posterior Se intenta que sea un material con iacutendice de refraccioacuten parecido al del
vidrio utilizado en la cubierta frontal con el fin de evitar peacuterdidas producidas por el
traspaso de la radiacioacuten entre el aire encapsulado por la cubierta frontal y la ceacutelula
49
Tiene la funcioacuten de proteger la ceacutelula de la entrada de polvo impurezas agua y
acumulacioacuten de humedad ademaacutes de proporcionar amortiguamiento de impactos
y absorber tensiones debido a sus caracteriacutesticas elaacutesticas Es usual que este
material sea un copoliacutemero denominado EVA (etileno-vinil-acetato) este no se
degrada faacutecilmente solo a temperaturas y niveles de iluminacioacuten muy elevados
Los paneles que usan laacuteminas plaacutesticas en la superficie colectora suelen perder
hasta un 20 del valor inicial de transmisividad despueacutes de muchos antildeos de uso
(aproximadamente 20 antildeos) mientras que los que usan vidrio templado pierden
alrededor de 5 debido a que este material resiste la accioacuten deteriorante de los
rayos ultravioleta [21]
21113 La cubierta posterior
Sirve de proteccioacuten y cerramiento al moacutedulo fundamentalmente contra los agentes
atmosfeacutericos ejerciendo una barrera infranqueable contra la humedad Estaacute
formada por varias capas de un aislante eleacutectrico llamado Tedlar que al ser
opacas y de color blanco reflejan la luz que ha logrado pasar por las ceacutelulas
haciendo que vuelva a la parte frontal donde puede ser reflejada e incidir de
nuevo en las ceacutelulas En otros casos la cubierta posterior puede ser de aluminio
con lo que mejora la disipacioacuten de calor al exterior lo cual es un factor muy
importante para determinar la potencia de salida de un panel FV [21]
21114 El marco metaacutelico
Es la parte que le da rigidez y permite que se pueda formar montando estructuras
Es de Aluminio anodizado acero inoxidable o similar con soporte para poder
empotrar al moacutedulo en una estructura Este debe estar conectado a un conductor
de toma a Tierra [21]
21115 Cajas de conexioacuten eleacutectrica
Las cajas de conexioacuten se encuentran situadas en la parte inferior del panel y
tienen acceso a los bornes del panel (terminal positivo y negativo del panel)
Deben ser lo suficientemente aisladas para que no exista presencia de humedad y
por tanto oxidacioacuten y aumento de resistencia que generen puntos calientes en el
moacutedulo FV Tambieacuten es el lugar en donde se encuentran los diodos de by-pass y
diodos de bloqueo [10]
21116 Diodos de by-pass
Para entender el funcionamiento de los diodos de bypass es necesario hacer un
breve eacutenfasis en el circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
Circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica
50
El circuito equivalente de una ceacutelula fotovoltaica se representa en la siguiente
figura
Figura 22 Circuito de una ceacutelula fotovoltaica tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira
I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
V es la tensioacuten en el maacuteximo punto potencia de la ceacutelula fotovoltaica
IL es la corriente fotogenerada por la ceacutelula fotovoltaica
D es un diodo en paralelo que simula la unioacuten p-n
Rs es la resistencia serie de la ceacutelula originada por la oposicioacuten a la corriente en
el emisor la base los electrodos de la ceacutelula solar y los contactos o uniones entre
estos y el semiconductor Se busca disminuir la magnitud de esta resistencia para
volver la ceacutelula maacutes eficiente y para esto es clave que los fabricantes de ceacutelulas o
celdas realicen un buen disentildeo de la ceacutelula solar en el que los contactos
metaacutelicos frontales sean oacuteptimos
Rp es la resistencia paralelo que ofrece un camino alternativo para la corriente
fotogenerada En lugar de fluir a traveacutes de la unioacuten p-n fluye a traveacutes de la
resistencia paralelo de modo que se reduce el voltaje de la ceacutelula Cuanto menor
sea la resistencia paralelo maacutes corriente podraacute desviarse por ella afectando su
eficiencia El impacto de esta resistencia paralelo es elevado sobre todo cuando la
ceacutelula trabaja a baja irradiancia La resistencia paralelo suele ser baja debido a
defectos de fabricacioacuten por lo que para maximizarla es necesario mantener un
buen control del proceso productivo
La unioacuten de varias ceacutelulas fotovoltaicas crean un moacutedulo o panel solar asiacute
entonces eleacutectricamente se puede representar de la siguiente manera
51
Figura 23 modelo eleacutectrico de un panel solar tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute Universitat Rovira I
Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico Disponible en
httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La anterior imagen muestra una cadena de 5 ceacutelulas fotovoltaicas expuestas a una
radiacioacuten de 1000wm2 y 25degc
Sus caracteriacutesticas eleacutectricas son
IL = 51A (corriente que la ceacutelula transforma de la radiacioacuten bajo esas
condiciones)
V = 051 (Tensioacuten alcanzada por la ceacutelula bajo dichas condiciones)
Al analizar el conjunto de las 5 ceacutelulas tenemos
Iconjunto = 51A
Vmaacutex= 255A
Cuando una ceacutelula fotovoltaica se ve afectada por una sombra esta ya no puede
producir corriente convirtiendo la fuente de corriente en un circuito abierto A
continuacioacuten se muestra la representacioacuten eleacutectrica de dicho suceso
52
Figura 24 modelo eleacutectrico del panel solar bajo sombra tomada de Jordi Pallejagrave Cabreacute
Universitat Rovira I Virgili Estudio de la afectacioacuten de las sombras en un panel fotovoltaico
Disponible en httpdeeeaurvcatpublicPROPOSTESpubpdf1851pubpdf
La trayectoria azul muestra el camino que tomariacutea la corriente con la ceacutelula 3
afectada por una sombra Esta condicioacuten hace que la ceacutelula 3 se convierta en una
carga resistiva haciendo que pueda sufrir dantildeos por recalentamiento y que toda la
cadena de ceacutelulas disminuya su tensioacuten
Explicado el anterior fenoacutemeno los diodos de by-pass tienen como principal
funcioacuten proteger las ceacutelulas parcialmente sombreadas ofreciendo un camino con
menor impedancia a la corriente y asiacute evitando que eacutesta dantildee teacutermicamente las
ceacutelulas parcialmente sombreadas La siguiente imagen muestra el camino de la
corriente cuando hay una ceacutelula bajo sombra y con presencia de diodos de by-
pass [2131-33]
Figura 25 funcionamiento de diodo de bypass tomada de Energeacutetica Futura iquestQueacute es el problema del Punto Caliente en moacutedulos fotovoltaicos Disponible en
53
httpenergeticafuturacomblogC2BFque-es-el-problema-del-punto-caliente-en-modulos-fotovoltaicos
21117 Diodos de bloqueo
Para sistemas aislados es comuacuten acoplar a un arreglo fotovoltaico un conjunto de
bateriacuteas estas pueden dantildear los moacutedulos cuando exista poca o nula radiacioacuten
(horas de la noche) descargaacutendose energiacutea acumulada sobre los paneles
dantildeando teacutermicamente las ceacutelulas fotovoltaicas Los diodos de bloqueo evitan que
las bateriacuteas se descarguen sobre el arreglo proporcionando un camino de muy alta
impedancia Tambieacuten evitan que el flujo de corriente se invierta entre bloques de
paneles conectados en paralelo cuando en uno o varios de ellos se produce una
sombra Estos diodos de bloqueo deben ser capaces de soportar la corriente de
cortocircuito y el voltaje de circuito abierto del campo completo como norma se
toma que puedan soportar dos veces la corriente de cortocircuito y la tensioacuten de
circuito abierto del arreglo fotovoltaico [21]
La siguiente imagen resume la conexioacuten de diodos de by-pass y diodos de
bloqueo con un arreglo de paneles y una bateriacutea
Figura 26 Esquema eleacutectrico diodos de bloqueo tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2112 Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar
Las caracteriacutesticas de salida de un moacutedulo o panel solar se representan en la
curva I-V que muestra la relacioacuten de salida entre la corriente y la tensioacuten La
mayoriacutea de estas curvas las proporciona el fabricante del panel y estaacuten estudiadas
bajo condiciones normalizadas de pruebas conocidas como STC (Standard Test
Conditions) [10]
Estas pruebas constan de
Irradiancia 1000wm2
54
Temperatura 25degc (77degF)
Espectro luminoso = 15 masa de aire
La corriente de salida variacutea en funcioacuten del voltaje en la carga y su temperatura de
trabajo La siguiente figura muestra en forma graacutefica dicha relacioacuten cuando el
nivel de radiacioacuten permanece constante para un panel en particular
Figura 27 curva caracteriacutestica de una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV) Cells
Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Si bien la anterior imagen muestra la salida de un panel en particular se podriacutea
decir que los demaacutes paneles de silicio del mercado van a tener un comportamiento
similar Se puede observar que el valor maacuteximo para la tensioacuten de salida es
cuando la corriente es nula a este punto se le llama tensioacuten de circuito abierto
(Voc) mientras que la corriente llega a su valor maacuteximo cuando la tensioacuten es nula
a este punto se lo conoce como corriente de corto-circuito (I119888119888) Tambieacuten se puede
observar el punto de maacutexima potencia este es el valor donde el aacuterea bajo la curva
I-V es maacutexima cada panel solar suele especificar este valor con Vmp (Maximun
point voltage)
La salida del panel solar depende baacutesicamente de dos factores fundamentales la
temperatura y la radiacioacuten solar A continuacioacuten se muestran dos imaacutegenes en
donde se observa la influencia en la salida de una celda al variar estos dos
paraacutemetros
55
Figura 28 Efecto de la temperatura en una celda solar tomada de ITACA Photovoltaic (PV)
Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-cells
Figura 29 efecto de la irradiacioacuten solar en una ceacutelula solar tomada de ITACA Photovoltaic
(PV) Cells Dipsonible en httpwwwitacanetorga-guide-to-photovoltaic-panelsphotovoltaic-pv-
cells
De la figura 29 se puede resaltar que la corriente que genera el panel depende de
la radiacioacuten solar permaneciendo la tensioacuten aproximadamente constante
De acuerdo a lo anterior tiene mucha importancia la orientacioacuten y la inclinacioacuten
respecto a la horizontal debido a que la radiacioacuten variacutea a lo largo del diacutea en
funcioacuten de la inclinacioacuten del Sol respecto al horizonte
56
De la figura 28 se puede resaltar que el aumento de la temperatura en las ceacutelulas
genera una disminucioacuten de la tensioacuten del panel permaneciendo casi constante la
corriente Asiacute entonces la ventilacioacuten adecuada del panel fotovoltaico va a jugar un
papel importante respecto a la tensioacuten de salida del mismo
El efecto global del aumento de la temperatura de trabajo del panel es que la
potencia del panel disminuya lo que generariacutea la necesidad de instalar maacutes
paneles para una aplicacioacuten y una temperatura baja podriacutea aumentar
draacutesticamente la tensioacuten poniendo en riesgo los elementos que completan el
sistema fotovoltaico [10 15 21 35]
212 Bateriacuteas
Se intenta que un sistema fotovoltaico aislado cubra todas las necesidades de
consumo sin importar la hora del diacutea o las inclemencias del clima Las bateriacuteas
almacenan la energiacutea eleacutectrica de la corriente directa en forma quiacutemica para su
uso posterior Como la cantidad de energiacutea que brinda un arreglo fotovoltaico variacutea
de acuerdo a la alteracioacuten de las condiciones climaacuteticas un sistema de
almacenaje puede brindar una fuente de energiacutea relativamente constante cuando
el sistema fotovoltaico produce una energiacutea pequentildea siempre y cuando este
mismo sistema haya producido la energiacutea necesaria para cargar el sistema de
almacenaje
Los elementos que componen un sistema fotovoltaico no son 100 eficientes y las
bateriacuteas no son la excepcioacuten en las bateriacuteas cierta cantidad de energiacutea se pierde
como el calor y las reacciones quiacutemicas durante la carga y la descarga por ende
el sistema fotovoltaico ademaacutes de prever la carga de estaacute sistema tambieacuten debe
tener en cuenta este hecho
Aunque se generaliza que un sistema fotovoltaico aislado posea un sistema de
almacenamiento para ciertas aplicaciones no son necesarias es el caso de
sistemas de bombeo de agua durante el diacutea a tanques de almacenamiento
motores de ventilacioacuten de invernaderos que solo funcionen en el diacutea ventiladores
para usos en donde solo el Sol brilla entre otros
Los sistemas interconectados a la red no necesariamente necesitan bateriacuteas
aunque ellas pueden ser usadas como fuente de respaldo cuando la energiacutea
convencional falle involucrarlas significa un inversor maacutes sofisticado mayores
costos y un sistema menos eficiente
Existen muchos tamantildeos de bateriacuteas Las maacutes pequentildeas comuacutenmente utilizadas
en linternas y radios estaacuten catalogadas como bateriacuteas ldquodesechablesrdquo o ldquoprimariasrdquo
las bateriacuteas para estos mismos usos pero recargables se las denomina
57
ldquosecundariasrdquo Las bateriacuteas recargables de niacutequel cadmio (nicad o NICd) se usan
comuacutenmente para grandes cargas estacionarias tales como aplicaciones
industriales cargas diarias en el sector rural y residencial y pequentildeos aparatos
portaacutetiles
Los fabricantes de bateriacuteas garantizan el funcionamiento de las bateriacuteas en
funcioacuten de ciclos estos ciclos son la secuencia de cargar y descargar una bateriacutea
esta accioacuten puede ocurrir varias veces al diacutea dependiendo de la aplicacioacuten asiacute
entonces si se desea preservar la vida del banco de bateriacuteas es necesario
dimensionar de manera adecuada el nuacutemero de bateriacuteas con el fin de no
descargar tan frecuentemente el sistema [10 15 21]
2121 Tipos de bateriacuteas
Los siguientes tipos de bateriacuteas se usan comuacutenmente para aplicaciones
fotovoltaicas
Bateriacuteas de plomo-aacutecido
- De liacutequido ventilada (vaso abierto)
- Selladas (plomo aacutecido de vaacutelvula regulada)
Bateriacuteas alcalinas
- Niacutequel cadmio
- Niacutequel hierro
21211 Bateriacuteas plomo-aacutecido
En algunos paiacuteses es muy comuacuten usar este tipo de bateriacuteas para aplicaciones
fotovoltaicas a escala residencial debido a que son recargables ampliamente
accesibles relativamente baratas y disponibles en distintos tamantildeos de
almacenamiento nominal son de faacutecil mantenimiento y vida relativamente alta son
bateriacuteas muy similares a las usadas por los automoacuteviles convencionales sin
embargo las diferencia su construccioacuten y su aplicacioacuten las bateriacuteas para
automoacuteviles no son recomendadas para usos fotovoltaicos debido a que ellas no
estaacuten disentildeadas para ldquociclos profundosrdquo estas estaacuten disentildeadas para descargar
grandes cantidades de corriente durante cortos intervalos de tiempo para despueacutes
ser inmediatamente cargada por el alternador o generador del vehiacuteculo
Los sistemas fotovoltaicos a menudo necesitan descargar pocas cantidades de
corriente durante largos periodos de tiempo y ser cargadas en condiciones
irregulares Una bateriacutea para ldquociclo profundordquo puede ser descargada hasta el 80
de su capacidad nominal Una bateriacutea de vehiacuteculo solo puede durar unos pocos
58
ciclos bajo tales condiciones mientras que un banco de bateriacuteas para uso
fotovoltaico puede durar de 3 a 10 antildeos e incluso maacutes
Este tipo de bateriacuteas se pueden subdividir en bateriacuteas de plomo-aacutecido de
electrolito liacutequido conocidas como ldquovaso abiertordquo y de plomo-aacutecido selladas
conocidas como ldquoVRLArdquo [10 15]
212111 Bateriacuteas plomo-aacutecido vaso abierto
Estas bateriacuteas tienen una construccioacuten muy similar a la que se utiliza en los
automoacuteviles con placas positivas y negativas hechas de plomo y aleaciones de
plomo sumergidas en una solucioacuten electroliacutetica de aacutecido sulfuacuterico y agua A
medida que esta se descarga a niveles muy altos esta produce hidroacutegeno gaseoso
y es expulsado de la bateriacutea este desecho es altamente explosivo esta situacioacuten
obliga a que el ambiente en donde se instalen estas bateriacuteas sea lo maacutes aislado
posible evitando chispas de calentadores de gas arranques de motores etc Asiacute
entonces el uso de estas bateriacuteas obliga al uso de alguacuten sistema de control de
tensioacuten eleacutectrica para regular el voltaje de la bateriacutea y evitar descargas peligrosas
Cuando las aberturas de salida de bateriacutea eliminan gases se pierde agua por lo
que debe rellenarse perioacutedicamente Algunas bateriacuteas estaacuten equipadas con tapas
recombinatorias que capturan los gases y los devuelven a la bateriacutea en forma de
agua Las bateriacuteas de ciclo profundo duraraacuten maacutes si se protege de descargas
completas Los controladores con desconexioacuten de bajo voltaje (LVD por sus siglas
en ingleacutes) protegen a la bateriacutea de descargas completas Estas bateriacuteas al igual
que las de los automoacuteviles tienen mayor eficiencia a temperaturas altas sin
embargo en estas condiciones las bateriacuteas duraraacuten menos ciclos [10 15]
Figura 210 Bateriacutea plomo aacutecido de baso abierto tomada de AMB Green Power BATERIAS
SOLARES TROJAN Disponibles en httpwwwambgreenpowercombaterias_solares_trojanaspx
59
212112 Bateriacuteas de plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA
Al contrario de las bateriacuteas con vasos abiertos las bateriacuteas reguladas por vaacutelvulas
VRLA no tienen tapa y por tanto no tienen acceso al electrolito sin embargo no
estaacuten totalmente selladas una vaacutelvula permite que el exceso de presioacuten escape
en caso de sobrecarga Este tipo de bateriacuteas son libres de mantenimiento
Los dos tipos de bateriacuteas selladas usadas comuacutenmente en los sistemas
fotovoltaicos son la celda de gel y de lana de vidrio absorbente (AGM por sus
siglas en ingles) En las bateriacuteas tradicionales de celda de gel el electrolito se
lleva a estado coloidal o se gelifica por la adicioacuten de un material llamado siacutelica gel
que convierte el liacutequido en una masa coloidal Las bateriacuteas AGM usan una tela de
vidrio de un material siacutelice fibrosa para mantener el electrolito Esta tela o malla
suministra depoacutesitos o bolsillos que ayudan en la recombinacioacuten de gases
generados durante la carga y limita la cantidad de hidroacutegeno gaseoso producido
Este tipo de bateriacuteas son a prueba de derrame El electrolito gelificado no puede
derramarse ni aun en caso de rotura Esto les permite ser transportadas y
manipuladas con seguridad otra gran ventaja de estas bateriacuteas respecto a las
bateriacuteas de plomo acido de vaso abierto es que eacutestas se pueden enviar por avioacuten
sin necesidad de ser transportadas secas como es el caso de las bateriacuteas de vaso
abierto que es necesario que sean activadas en el sitio con la adicioacuten del
electrolito sin embargo las bateriacuteas de celdas de gel cuestan maacutes por unidad de
capacidad [10 15]
Figura 211 Bateriacutea plomo aacutecido regulada por vaacutelvula VRLA tomada de MTEK Bateriacutea GEL
100Ah Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID44CatID11Defaultaspx
60
Figura 212 Bateriacutea de plomo aacutecido AGM tomada de MTEK Bateriacutea AGM 12volts 150Ah
Tomada de httpmtek-sacommtekCatalogotabid64ProdID53CatID10Defaultaspx
21212 Bateriacuteas alcalinas
Las bateriacuteas alcalinas como las bateriacuteas de niacutequel cadmio y niacutequel hierro tambieacuten
tienen placas negativas y positivas sumergidas en un electrolito que usualmente
es de hidroacutexido de potasio Cada celda de la bateriacutea tiene una tensioacuten nominal de
12 volts y el punto de terminacioacuten de carga es entre 165v y 18v por celda
Tienen una gran ventaja respecto a las bateriacuteas de plomo aacutecido y es su
independencia respecto a la temperatura lo que las hace ideales para trabajar a
temperaturas extremadamente friacuteas como -45ordmc o menos sin embargo son mucho
maacutes costosas (de 6 a 8 veces) que las de plomo aacutecido lo que las vuelve poco
viables para esta aplicacioacuten
A pesar que son bateriacuteas maacutes costosas que las bateriacuteas de plomo-aacutecido estas
pueden tener un costo operacional maacutes bajo debido a su larga vida uacutetil y al poco
mantenimiento que necesitan Sus caracteriacutesticas maacutes sobresalientes son su
capacidad para soportar sin dantildeo cargas y descargas excesivas asiacute como una
mayor profundidad de descarga (cerca del 100) tienen una mayor eficiencia con
baja temperatura ambiente y altas humedades y evitan problemas de sulfatacioacuten
de las placas o congelacioacuten del electrolito [10 15]
2122 Especificaciones de las bateriacuteas
Las bateriacuteas poseen especificaciones de placa que deben ser tenidas en cuenta
para el uso en aplicaciones fotovoltaicas Las maacutes importantes se explican a
continuacioacuten
21221 Capacidad de la bateriacutea
La capacidad de la bateriacutea es sin duda un aspecto importante de las bateriacuteas esta
se valora en los amperios hora que puedan almacenar Una manera anaacuteloga muy
faacutecil de explicar este paraacutemetro es comparaacutendolo con un balde con agua en
61
donde el agua es anaacuteloga a la energiacutea y la capacidad en Ah se representa con la
capacidad de almacenamiento de agua del balde
En teoriacutea los amperios hora son la capacidad para que una bateriacutea entregue (o
almacene) cierta cantidad de amperios en un tiempo especiacutefico Asiacute entonces una
bateriacutea de 100Ah puede suministrar 100 amperios en 1 hora o 50 amperios en 2
horas etc Antes de que la bateriacutea se considere descargada sin embargo muchos
factores pueden afectar la capacidad de la bateriacutea como el ritmo de descarga la
temperatura la eficiencia del inversor la eficiencia del regulador el tiempo de uso
de la bateriacutea entre otros
Es comuacuten que para un sistema fotovoltaico las cargas necesiten maacutes de una
bateriacutea para su funcionamiento a este conjunto de bateriacuteas se le conoce como
ldquobanco de bateriacuteasrdquo y la capacidad de este se deberaacute calcular en funcioacuten de las
cargas a alimentar y de los diacuteas de autonomiacuteas o diacuteas de respaldo en caso de
radiacioacuten miacutenima
Sobredimensionar el banco de bateriacuteas por conexioacuten de nuevas bateriacuteas para
aumentar la capacidad de almacenamiento del banco puede generar varios
problemas entre ellos el que las viejas bateriacuteas degraden el comportamiento de
las nuevas bateriacuteas a causa de que la resistencia interna de las celdas de las
bateriacuteas nuevas es mayor que el de las bateriacuteas viejas ademaacutes al conectar
muchas bateriacuteas aumenta la probabilidad de fallas debido a celdas defectuosas y
al sobredimensionar el arreglo de bateriacuteas respecto al arreglo fotovoltaico se
genera un estado de carga parcial entre las bateriacuteas que causa acortamiento de
vida uacutetil del banco reduccioacuten de la capacidad y aumento en la sulfatacioacuten Es por
estas razones que los fabricantes de bateriacuteas prohiacuteben antildeadir nuevas bateriacuteas a
un banco ya existente [15]
21222 Ritmo y profundidad de descarga
El ritmo a la que se descarga la bateriacutea afecta directamente su capacidad Si la
bateriacutea se descarga raacutepidamente hay menos capacidad disponible y si por el
contrario una bateriacutea se descarga lentamente tendraacute maacutes capacidad para
entregar Asiacute por ejemplo una bateriacutea de 2 voltios con una capacidad de 2500Ah
puede entregar 131A en 20 horas lo que seriacutea equivalente a 2620Ah y 446A en 5
horas lo equivalente a 2230Ah (Ver anexo 2 Especificaciones de fabricante
MTEK para bateriacutea modelo MT225000D Constant Current Discharge
Characteristics) Asiacute entonces se especifican bateriacuteas con la capacidad de la
bateriacutea respecto al nuacutemero de horas en que se descarga De esta forma si una
bateriacutea entrega una capacidad de almacenamiento debe especificar tambieacuten el
nuacutemero de horas en que se descarga Es comuacuten que los fabricantes valoren este
62
dato en 20 horas y lo especifiquen con un C20 sin embargo hay fabricantes que
especifican este dato en un C10
Teniendo en cuenta lo anterior existe un tiempo involucrado en la carga de las
bateriacuteas que debe ser tenido en cuenta por el arreglo fotovoltaico y es que si se
necesita con urgencia cargar el banco de bateriacuteas se necesitaran maacutes paneles
que puedan generar dicha energiacutea o si por el contrario existe una mayor tolerancia
en el tiempo de carga de la bateriacutea el arreglo no necesita mucha energiacutea extra a la
de las cargas para cargar el banco de bateriacuteas Esta variable se llama Tiempo de
recuperacioacuten del sistema y se trataraacute en la seccioacuten de ldquoparaacutemetros necesarios
para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomordquo
La profundidad de descarga (PDD por sus siglas en ingleacutes) se refiere a la
capacidad que puede obtenerse de una bateriacutea La mayoriacutea de los sistemas
fotovoltaicos estaacuten disentildeados para descargas regulares del 40 y 80 La vida
de la bateriacutea estaacute relacionada directamente con la profundidad del ciclo de la
bateriacutea Por ejemplo si una bateriacutea se descarga 50 cada diacutea esta duraraacute
alrededor del doble que si se descargara el 80 Las bateriacuteas de plomo aacutecido
nunca deben descargarse completamente aunque algunas bateriacuteas de ciclo
profundo pueden sobrevivir bajo estas condiciones su tensioacuten decreceraacute
continuamente Sin embargo las bateriacuteas de NiCd pueden descargarse totalmente
sin sufrir dantildeos y manteniendo su tensioacuten
Los bancos de bateriacuteas de poca profundidad que descargan bateriacuteas solo entre el
10 y el 20 tienen dos ventajas diferentes Primero es que se preserva la
duracioacuten de la bateriacutea como se muestra en la figura siguiente en donde a menor
profundidad de descarga mayor nuacutemero de ciclos la bateriacutea puede resistir y
segundo es que el sistema puede llegar a ser maacutes confiable debido a que se crea
una reserva de energiacutea que se puede usar en situaciones de clima criacuteticas Sin
embargo crear un banco con estas especificaciones puede ser demasiado
costoso debido a que involucrariacutea mayor nuacutemero de bateriacuteas asiacute entonces se
debe buscar una buena relacioacuten de costo- confiabilidad Es usual encontrar un alto
nuacutemero de ciclos y un banco relativamente econoacutemico trabajando a un 50 de
PDD
A continuacioacuten se muestra la relacioacuten PDD vs ciclos para una bateriacutea promedio
63
Figura 213 Profundidad de descarga de la bateriacutea tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea
Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
Los fabricantes de bateriacuteas especifican que la esperanza de vida de una bateriacutea
se mide en nuacutemero de ciclos Las bateriacuteas pierden capacidad con el tiempo y se
considera que han llegado al final de su vida uacutetil cuando han perdido el 20 de su
capacidad nominal
La anterior imagen muestra la relacioacuten existente entre el porcentaje de descarga
promedio y el nuacutemero de ciclos para una bateriacutea sellada de bajo costo Asiacute
entonces una bateriacutea de estas caracteriacutesticas con un uso de poca profundidad de
solo el 25 de PDD podriacutea durar cerca de unos 4000 ciclos mientras que una
bateriacutea con un uso de 80 de PDD solo podraacute durar unos 1500 ciclos
Los Ah de una bateriacutea se miden de acuerdo a la tensioacuten que esta tiene en sus
bornes es decir que si esta descargada mediraacute una tensioacuten por debajo de su
tensioacuten nominal y cuando es cargada por completo tendraacute una tensioacuten superior
Esta es la manera de medir el estado de carga de las bateriacuteas por parte de los
instrumentos de control de un sistema fotovoltaico de esta forma se logra
controlar el PDD para evitar descargas profundas y disminuir la esperanza de vida
de la bateriacutea [10 15]
21223 Condiciones ambientales
Las bateriacuteas son sensibles a la temperatura del entorno que las rodea y por tanto
es necesario tener en cuenta este factor La temperatura afecta la capacidad de
Ah que esta puede dar en general los fabricantes entregan la capacidad de la
bateriacutea a 25degc sin embargo la capacidad de esta decreceraacute a menores
temperaturas y aumentaraacute a mayores temperaturas Lo anterior respecto a la
capacidad de la bateriacutea lo contrario ocurre para la esperanza de vida o el nuacutemero
de ciclos que esta puede soportar en donde a temperaturas por encima de 25degc la
64
esperanza de vida disminuye y por debajo de los 25degc la esperanza de vida
aumenta La mayoriacutea de los fabricantes aseguran que hay una peacuterdida de vida del
50 por cada 15degF (83degc) que se incrementen por encima de los 77degF (25degc) de
temperatura estaacutendar de la bateriacutea
De esta forma se intenta que el banco de bateriacuteas sea ubicado en un lugar
ventilado y aislado por el peligro de explosioacuten que existe cuando las reacciones
quiacutemicas desechan hidroacutegeno pues este es explosivo y nocivo para la salud [10]
21224 Medicioacuten del estado de carga de una bateriacutea
Para medir un estado de carga de una bateriacutea es usual utilizar un voltiacutemetro
aunque tambieacuten se puede medir con un densiacutemetro midiendo la densidad del
electrolito este meacutetodo no es tan comuacuten por el costo del aparato de medicioacuten y
porque seriacutea imposible medir de esta forma la carga de una bateriacutea sellada tipo
GMA o tipo GEL asiacute entonces se adopta con mucha maacutes frecuencia medir la
tensioacuten en los bornes de las bateriacuteas en reposo es decir desconectarlas de las
fuentes y de las cargas por unas horas La tensioacuten obtenida por este meacutetodo
puede ser consultada con tablas anexas a los manuales de las bateriacuteas
suministradas por el fabricante aunque es comuacuten adoptar los siguientes valores
[10 36]
ESTADO DE CARGA TENSIOacuteN BATERIacuteAS TIPO VASO ABIERTO
100 128
75 125
50 122
25 119
0 116 Tabla 21 Estado de carga de una bateriacutea
213 Regulador de carga
La energiacutea solar tiene una naturaleza muy variable lo que causariacutea problemas a la
hora de disponer de ella directamente mediante un arreglo fotovoltaico para
suministrar energiacutea a equipos sensibles de tensioacuten y corriente es por esto que se
han desarrollado dispositivos que controlan en cierta forma la conversioacuten de
energiacutea solar a eleacutectrica Bajo esta premisa se han desarrollado los reguladores de
carga o controladores solares que para un sistema aislado intentan acoplar el
arreglo fotovoltaico con el banco de bateriacuteas adecuando de cierta forma la tensioacuten
y la corriente al banco de bateriacuteas para el correcto funcionamiento de este
evitando primordialmente sobrecargas y descargas profundas que pueden acortar
la esperanza de vida de las bateriacuteas La mayoriacutea de reguladores disponibles en el
65
mercado se instalan entre el arreglo fotovoltaico y las bateriacuteas tomando de estas
la energiacutea para su funcionamiento
Los reguladores de carga actuales poseen varios microcontroladores programados
para analizar el estado de carga de las bateriacuteas tensioacuten y corriente del arreglo con
el fin de tomar decisiones adecuadas para cargar las bateriacuteas de forma adecuada
algunos de estos poseen un bus de datos para proporcionar dicha informacioacuten al
usuario dando a conocer posibles problemas en el sistema
Asiacute entonces las prestaciones maacutes habituales de los reguladores de carga que se
usan en instalaciones solares autoacutenomas son las siguientes
Proteccioacuten contra sobrecarga del banco de bateriacuteas es la funcioacuten maacutes baacutesica del
regulador con la cual evita que la bateriacutea se caliente pierda agua el electrolito
(para bateriacuteas plomo-acido vaso abierto) y que las placas se oxiden
Alarma por tensioacuten de bateriacutea baja cuando la tensioacuten del banco de bateriacuteas
alcanza niveles bajos (especificados por el fabricante) significa que esta
descargado y corre peligro en caer en una descarga profunda Esta alarma
informa a los usuarios de este problema con el fin de que estos regulen su
consumo de energiacutea sin embargo esta no siempre es la solucioacuten lo que obliga al
regulador a desconectar las cargas mediante relees electromecaacutenicos
incorporados en el dispositivo con el fin de concentrar toda la energiacutea en el banco
de bateriacuteas y restablecer el suministro una vez superado el inconveniente [10]
Existen dos tipos de reguladores de carga para uso fotovoltaico reguladores con
modulacioacuten de ancho de pulso conocidos como reguladores PWM (Pulse Width
Modulation) y reguladores con seguimiento del maacuteximo punto de potencia
conocidos como reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking)
2131 Reguladores PWM
Los reguladores de carga solares PWM facilitan una conexioacuten directa desde el
panel solar hacia el banco de bateriacuteas proporcionando la tensioacuten necesaria para
que este se cargue siempre y cuando el arreglo fotovoltaico lo facilite Asiacute
entonces un regulador PWM ajusta niveles de tensioacuten de acuerdo a la tensioacuten
necesitada por el banco de bateriacuteas y este va a disminuyendo su tensioacuten de
acuerdo a la energiacutea que vaya almacenando esta condicioacuten genera que el arreglo
fotovoltaico no aproveche toda la potencia que puede generar y ser aprovechada
por las cargas es decir que este tipo de reguladores no garantiza operar en el
punto donde el arreglo fotovoltaico proporciona mayor cantidad de potencia este
punto se lo conoce con las siglas MPP (Maximun Power Point)
66
Un ejemplo tiacutepico es un sistema a 12V en donde se tiene una sola bateriacutea de
plomo aacutecido AGM que opera en un rango aproximado entre 10V y 15V
dependiendo del estado de carga un moacutedulo tiacutepico para cargar esta bateriacutea tiene
una tensioacuten Vmp = 17V asiacute entonces el regulador PWM se ve obligado a reducir
esta tensioacuten a un valor entre 10V y 15V para cargar la bateriacutea haciendo que el
panel no pueda aprovechar toda su capacidad
La siguiente imagen ilustra dicho comportamiento
Figura 214 Curva de maacutexima potencia de un panel solar tomada de MORNINGSTAR
Traditional PWM vs Morningstarrsquos TrakStartrade MPPT Technology Disponible en
httpwwwmorningstarcorpcomwp-contentuploads201404Morningstar-Corporation-Traditional-
PWM-vs-TrakStar-MPPT-Whitepaper-April-2013pdf
De esta forma se observa que con reguladores PWM entre mayor sea la diferencia
de la tensioacuten del arreglo fotovoltaico a la del banco de bateriacuteas menor seraacute el
aprovechamiento de energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico es decir que hay
energiacutea que se desperdicia bajo estas condiciones Esto puede ser aun peor
cuando la temperatura disminuye debido a que la tensioacuten aumenta y se
desperdicia auacuten maacutes energiacutea que con un regulador MPPT se podriacutea aprovechar
para cargar de una mejor manera las bateriacuteas y mejor suministro de energiacutea a las
cargas
Para el uso de un regulador PWM se recomienda tener en cuenta varios factores
por parte del arreglo fotovoltaico como verificar que la tensioacuten de circuito abierto a
bajas temperaturas (maacutexima tensioacuten de un arreglo fotovoltaico) del arreglo no
supere la tensioacuten maacutexima del regulador esto debido a que puede estropear su
funcionamiento y en peores casos dantildearlo de forma irreparable debido a que la
corriente generada por el arreglo fotovoltaico seraacute la misma a la salida del
67
regulador PWM es necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico (maacutexima corriente que un arreglo fotovoltaico puede generar) no
supere la corriente maacutexima que los fabricantes recomiendan esto puede generar
recalentamientos frecuente accioacuten de las protecciones y dantildeos en el dispositivo
de manera irreparable la tensioacuten de maacutexima potencia de un arreglo fotovoltaico
tambieacuten debe ser previamente verificada esta debe superar la tensioacuten maacutexima de
carga de las bateriacuteas de tal forma que el arreglo pueda proporcionar una carga
adecuada al banco sin embargo no debe sobrepasar demasiado dicha tensioacuten
debido a que se desperdiciariacutea mucha energiacutea y el sistema no seriacutea eficiente
Seguacuten esto algunos fabricantes recomiendan los siguientes casos
Sistemas de 12V Vmpgt 15V
Sistemas de 24V Vmpgt 30V
Sistemas de 36V Vmpgt 45V
Sistemas de 48V Vmpgt 60V
Con respecto a la magnitud de la tensioacuten Vmp el software PVSol recomienda que
la tensioacuten de la bateriacutea no debe ser menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo fotovoltaico (Vmp) [37 38]
2132 Reguladores MPPT
Los controladores MPPT poseen un algoritmo que busca la tensioacuten de maacutexima
potencia del arreglo (Vmp) del arreglo fotovoltaico y asiacute lograr utilizar en casi su
totalidad la potencia que el arreglo fotovoltaico puede suministrar De esta manera
ya no es necesario buscar una configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que se acople
al banco de bateriacuteas ya que este regulador convertiraacute la diferencia de tensioacuten
entre el arreglo fotovoltaico y el banco de bateriacuteas en corriente asiacute entonces es
posible que la corriente que genere el arreglo fotovoltaico ya no sea la misma que
alimenta al banco de bateriacuteas y las cargas si no que sea mayor aprovechando la
potencia que el arreglo fotovoltaico puede generar por tanto la potencia de
entrada del regulador seraacute aproximadamente igual (debido a peacuterdidas normales de
cualquier dispositivo) a la salida de este
Los reguladores MPPT entonces pueden aprovechar la potencia extra (puede
llegar a ser mayor que en condiciones STC) del arreglo fotovoltaico cuando las
ceacutelulas alcancen temperaturas bajas (aumenta la tensioacuten y por tanto aumenta la
potencia)
Al igual que en los reguladores PWM los reguladores MPPT necesitan que el
arreglo fotovoltaico esteacute bien dimensionado para garantizar un ambiente adecuado
68
para el funcionamiento del regulador Como principal preocupacioacuten se debe tener
en cuenta la tensioacuten en circuito abierto del arreglo fotovoltaico a temperaturas
bajas debido a que eacutesta es la condicioacuten para la cual se logra la mayor tensioacuten que
el arreglo fotovoltaico puede alcanzar esta no debe ser mayor a la tensioacuten
maacutexima especificada por el fabricante del regulador No cumplir con la anterior
condicioacuten puede dantildear el regulador por efecto de una sobretensioacuten tambieacuten es
necesario verificar que la corriente de cortocircuito del arreglo fotovoltaico no sea
mayor a la que el fabricante entrega esta condicioacuten puede dantildear por efectos de
sobrecorriente el dispositivo Por uacuteltimo los fabricantes de reguladores MPPT
entregan un dato que especifica cuanta potencia el regulador puede transmitir al
banco de bateriacuteas y a las cargas se recomienda entonces que la potencia
fotovoltaica instalada del arreglo no sea mayor que la maacutexima potencia del
dispositivo No acatar dicho paraacutemetro no significa poner en riesgo el regulador
MPPT si no que eacuteste en esas condiciones no podraacute entregar toda la potencia
proporcionada por el arreglo fotovoltaico de esta forma el sistema perderaacute
eficiencia por tanto se evita esta situacioacuten en la etapa de disentildeo del arreglo
fotovoltaico
En la seccioacuten 2112 (Curvas I-V caracteriacutesticas de un panel solar) se explica el
comportamiento que tiene la temperatura respecto la tensioacuten de un panel solar la
manera de relacionar estos dos paraacutemetros estaacute dada por el coeficiente de
temperatura especificado por el fabricante del moacutedulo (coefficient Temperature
Voc y comuacutenmente se expresa en K) este paraacutemetro entrega la informacioacuten
necesaria de coacutemo seraacute la tensioacuten del moacutedulo fotovoltaico bajo influencia de la
temperatura A continuacioacuten se explica coacutemo se debe calcular la maacutexima tensioacuten
de un arreglo fotovoltaico y un rango de tensioacuten de operacioacuten (Vmp) que es muy
uacutetil cuando se desea utilizar un regulador MPPT
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119900119888) 119875119904119890119903119894119890 120784 120783
119881119898iacute119899119898119901 = ((119879119898aacute119909 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120784
119881119898aacute119909119898119901 = ((119879119898iacute119899 minus 25ordm119888) 119862119900119890119891119905119890119898119901 119881119900119888
100+ 119881119898119901) 119875119904119890119903119894119890 120784 120785
En donde
69
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119898iacute119899119898119901 tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura alta promedio
119881119898aacute119909119898119901 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de
una temperatura baja promedio
119879119898iacute119899 temperatura promedio miacutenima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119879119898aacute119909 temperatura promedio maacutexima de la zona donde estaraacute el arreglo
fotovoltaico
119862119900119890119891119905119890119898119901 coeficiente de temperatura en K especificado por el fabricante
119881119900119888 tensioacuten de circuito abierto especificada por el fabricante del moacutedulo
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia especificado por el fabricante
119875119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie
Los reguladores MPPT tienen un rango de seguimiento de tensioacuten donde el
regulador buscaraacute la tensioacuten de maacutexima potencia es decir que si el arreglo tiene
una tensioacuten que se encuentra dentro de este rango el regulador garantizara la
maacutexima potencia del arreglo es por esta razoacuten que es necesario conocer un
rango de tensioacuten de operacioacuten del arreglo en funcioacuten de la temperatura promedio
miacutenima y maacutexima de la zona donde se quiere instalar esto con el fin de buscar en
el mercado un regulador con rango de seguimiento que abarque el rango de
tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo (limitados por 119881119898119894119899119898119901 y 119881119898119886119909119898119901)
Aunque todo apunta a que son mayores las ventajas que entrega el regulador
MPPT respecto al regulador PWM no siempre es asiacute la principal desventaja que
tiene un regulador MPPT respecto a un regulador PWM es su costo y es que
resulta en promedio de tres a cuatro veces maacutes econoacutemico un regulador PWM
adicional a esto en ciertas aplicaciones las ventajas estudiadas anteriormente
pueden ser anuladas por el regulador PWM asiacute entonces en ocasiones resulta
maacutes conveniente un regulador PWM A continuacioacuten se nombran algunos casos
Aplicaciones de baja potencia (consumo de corriente baja) la mayoriacutea de
reguladores MPPT poseen una baja eficiencia a comparacioacuten de los reguladores
PWM cuando la carga es baja Esto podriacutea empeorar cuando este tipo de cargas
70
es de uso continuo Muchos fabricantes especifican las curvas de eficiencia de sus
dispositivos para informar al disentildeador acerca de la eficiencia
A continuacioacuten se muestra una curva caracteriacutestica de eficiencia de un regulador
MPPT
Figura 215 Curva de eficiencia de un regulador MPPT tomada de MORNINGSTAR Solar
Controller with Maximum Power Point Tracking Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Altas temperaturas Como se explicoacute anteriormente se observa un mejor
comportamiento de reguladores MPPT en temperaturas bajas debido al aumento
de la tensioacuten de maacutexima potencia (Vmp) Por el contrario cuando hay temperatura
media suficientemente alta la tensioacuten Vmp decrece ajustando sin necesidad de
seguimiento de punto de maacutexima potencia el arreglo fotovoltaico al banco de
bateriacuteas (disminuye la diferencia entre el Vmp del arreglo fv y del banco de
bateriacuteas) No seriacutea necesario utilizar un regulador MPPT en estas aplicaciones
Sistemas fotovoltaicos para consumo en el diacutea para cargas de uso en horas del
diacutea es comuacuten que la energiacutea del arreglo fotovoltaico se use directamente sin
necesidad de almacenarlas en bateriacuteas Esta situacioacuten hace que la energiacutea de las
bateriacuteas no sea comuacutenmente usada y por tanto que el banco de bateriacuteas no sea
muy frecuentemente cargado haciendo que la ventaja de recoleccioacuten de energiacutea
proporcionada por un regulador MPPT no sea necesaria [37]
214 Inversores autoacutenomos
Los inversores autoacutenomos se encargan de convertir la corriente continua del
arreglo fotovoltaico en corriente alterna que es maacutes faacutecil de transportar y se ha
convertido en el estaacutendar para los fabricantes de aparatos electroacutenicos comunes
71
Es por esto que los inversores juegan un gran papel en instalaciones fotovoltaicas
debido a que son el acople directo entre el sistema fotovoltaico y las cargas
adicional a esto las bateriacuteas solo pueden almacenar energiacutea en forma de corriente
directa lo que evidencia auacuten maacutes su importancia
Durante antildeos los constructores han usado diferentes tecnologiacuteas para convertir la
corriente continua de una fuente de baja tensioacuten en corriente alterna de mayor
tensioacuten Los primeros inversores usaban un transistor baacutesico para cambiar la
polaridad de la corriente continua de positivo a negativo cerca de 60 veces por
segundo creando una forma de onda cuadrada con gran cantidad de armoacutenicos
Fue entonces con la llegada de circuitos integrados maacutes sofisticados como
transistores de efecto de campo y transformadores de alta frecuencia que fue
posible la creacioacuten de inversores maacutes eficientes y ligeros que producen una forma
de ondas cercanas a una onda sinusoidal En lugar de convertir corriente directa
en alterna de 120VCA o 240VCA se usa un proceso multipasos digital en donde
se convierte la corriente continua en alterna de tensioacuten baja y alta frecuencia para
despueacutes elevar la tensioacuten con un transformador de alta frecuencia rectificarla en
una nueva etapa y convertirla nuevamente a tensioacuten y frecuencia requeridas [10]
2141 Clasificacioacuten de inversores
Existen tres tipos fundamentales de inversores autoacutenomos que se clasifican
baacutesicamente por su forma de onda Se explican a continuacioacuten
21411 Inversores de onda cuadrada
Estos inversores cambian la entrada de corriente directa en una salida de corriente
en funcioacuten de paso o ldquocuadradardquo alterna Estos brindan poco control de tensioacuten de
salida capacidad de sobretensioacuten limitada y una distorsioacuten armoacutenica considerable
Por tanto los inversores de forma de onda cuadrada son apropiados para
pequentildeas cargas de calentamiento por medio de resistencias algunos aparatos
eleacutectricos de bajo consumo y focos incandescentes Son inversores econoacutemicos y
tienen poco uso en el campo residencial
21412 Inversores de onda cuadrada modificada
Este tipo de inversores utiliza transistores de efecto de campo (FET) o
rectificadores de control de silicio (SCR) para cambiar la entrada de corriente
directa en salida de corriente alterna Este tipo de inversores pueden manejar
grandes sobretensiones y producir salidas con mucha menos distorsioacuten armoacutenica
debido a esto es adecuado para un mayor nuacutemero de cargas como algunos
motores televisores luces equipos de muacutesica etc
72
21413 Inversores de onda sinusoidal
Los inversores de onda sinusoidal se usan para operar aparatos electroacutenicos
sensibles que requieren una forma de onda de alta calidad Ellos son los
inversores maacutes comunes en las aplicaciones residenciales y tienen muchas
ventajas sobre los inversores de onda cuadrada modificada como tener una salida
con muy poca distorsioacuten armoacutenica que permite energizar los maacutes sensibles
aparatos electroacutenicos poseen una mayor capacidad de sobretensioacuten y son
capaces de arrancar muchos tipos de motores faacutecilmente [10 15]
La imagen siguiente muestra la forma de onda de los tres tipos de inversores
autoacutenomos caracteriacutesticos
Figura 216 Clasificacioacuten de inversores seguacuten su sentildeal de salida tomada de Saacutenchez Maza M A Energiacutea Solar Fotovoltaica Limusa Innovacioacuten y Cualificacioacuten Meacutexico 2008
2142 Caracteriacutesticas de los inversores
Eficiencia la mayoriacutea de los inversores modernos convierten maacutes del 90 de la
corriente directa en la entrada en corriente alterna de salida Muchos fabricantes
de inversores aseguran una alta eficiencia sin embargo los inversores solo son
altamente eficientes cuando se utilizan en ciertos puntos de operacioacuten por tanto
es necesario saber cuaacutenta carga maacutexima alcanzaraacuten las cargas para escoger un
inversor adecuado La siguiente imagen muestra una curva tiacutepica de un arreglo
fotovoltaico
73
Figura 217 Curva de eficiencia de un inversor tomada de MORNINGSTAR Pure sine wave
inverter Disponible en httpwwwmorningstarcorpcomwp-
contentuploads201402SSMPPT_ENG10_1111pdf
Peacuterdidas en espera o standby se refiere al consumo de energiacutea que un inversor
posee cuando no hay cargas en operacioacuten los inversores modernos poseen unas
muy bajas peacuterdidas por standby
Regulacioacuten de frecuencia la regulacioacuten de frecuencia de un inversor debe ser
capaz de manejar cualquier condicioacuten de entrada debido a que existen cargas
que son muy sensibles a esto Esta caracteriacutestica depende netamente de la
construccioacuten y la calidad del inversor
Potencia de salida de AC (Watt) los fabricantes de inversores disentildean el
dispositivo para cierta magnitud maacutexima de carga asiacute entonces es importante que
un inversor sea capaz de soportar la potencia pico de la demanda de lo contrario
el inversor puede sufrir recalentamiento y se veraacute obligado a accionar muy
frecuentemente las protecciones internas (si el fabricante las garantiza)
Tensioacuten de entrada DC la entrada de un inversor estaacute suministrada por el arreglo
fotovoltaico y por las bateriacuteas depende de la configuracioacuten del sistema cual es
dicha tensioacuten Es comuacuten que los sistemas fotovoltaicos sean de 12V 24V 36V o
48V y es obligatorio que la entrada a del inversor sea igual a la del sistema
Tensioacuten de salida AC es necesario hacer un estudio previo del tipo de cargas que
se piensan interconectar y saber que tensioacuten nominal manejan de acuerdo a esto
se escoge un inversor con tensioacuten de salida en AC que satisfaga dichas cargas
De lo contrario el suministro de energiacutea no se lograraacute de manera adecuada y el
inversor podriacutea sufrir dantildeos
74
Capacidad de sobretensioacuten la mayoriacutea de inversores son capaces de exceder
mayores cantidades de potencia por corto tiempo Esto puede ser un factor
importante para el arranque de motores que suelen consumir cerca de siete veces
su potencia nominal en el arranque [10 15]
22 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA EL MODELAMIENTO DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
En la seccioacuten 15 se explica [28] y se evidencia que en Colombia existe una gran
necesidad de dimensionar de una manera adecuada los sistemas fotovoltaicos
debido a que cerca del 44 de los sistemas existentes tiene problemas para
funcionar o no funcionan A continuacioacuten se explica los paraacutemetros que se
necesitan conocer para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico
221 Estimacioacuten del consumo y carga
Con frecuencia la carga es el paraacutemetro que maacutes influye en el tamantildeo y costo de
un sistema fotovoltaico por esta razoacuten es necesario hacer un estudio adecuado
para determinar valores adecuados de carga el eacutexito de un disentildeo fotovoltaico
dependeraacute de esta variable
Aunque en teoriacutea se puede alimentar cualquier tipo de carga se intenta no
alimentar muchas resistencias que generen calor sobre todo si eacutestas tienen
mucho tiempo de uso como es el caso de sistemas de calentamiento de agua
calefaccioacuten hornos eleacutectricos etc Lo anterior se intenta evitar debido a la gran
potencia que necesitan para funcionar y por tanto pueden demandar un gran
consumo de energiacutea que puede encarecer el sistema fotovoltaico Sin embargo si
se dispone de los recursos suficientes y no existen otras opciones se puede llevar
a cabo el disentildeo y dimensionamiento
Por otra parte tambieacuten es necesario revisar las caracteriacutesticas eleacutectricas de cada
carga como es el caso de frecuencia nominal tensioacuten nominal potencia nominal
corriente en standby y distorsioacuten armoacutenica Esto con el fin de encontrar un inversor
que sea capaz de alimentar las cargas sin sufrir dantildeo alguno Asiacute mismo es de
suma importancia determinar el tiempo promedio en el cual van a estar en uso las
cargas en el diacutea esto con el fin de estimar un consumo promedio diario este
aspecto junto con la potencia nominal de cada carga determinaraacute el consumo
promedio diario
Asiacute entonces con este estudio se pretende estimar tres vectores
[119873] nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea energizar [119882] potencia en Watt nominal que necesitan los aparatos eleacutectricos que se desean energizar
75
[ℎ] estimacioacuten de tiempo en horas al diacutea que los aparatos eleacutectricos permanecen encendidos Con lo anterior se define un vector de consumo por grupo de aparatos [119862] cuyos elementos estaacuten en Whdia
[119862] = [
1198621
1198622
⋮119862119899
] = [
1198731 lowast 1198821 lowast ℎ1
1198732 lowast 1198822 lowast ℎ2
⋮119873119899 lowast 119882119899 lowast ℎ119899
] 120784 120786
Una vez encontrado [119862] se puede definir el consumo promedio diario y la carga
maacutexima de la siguiente forma
119860119888119879 = sum 119862119896
119899
119896=1
120784 120787
119875119879119860119862 = sum 119873119896 lowast 119882119870 120784 120788
119899
119896=1
En donde
119860119888119879 consumo promedio diario en wh
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda en w Como criterio de disentildeo de este trabajo se asumiraacute que todas las cargas se encuentran encendidas a una hora del diacutea esto con el fin de que el regulador en ninguacuten caso corra peligro de estar subdimensionado [10] 222 Recurso solar Para el disentildeo de un sistema fotovoltaico es necesario tener la estimacioacuten de la radiacioacuten mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior sobre un plano inclinado y orientado en cierta direccioacuten (depende del sitio donde se quiera hacer la instalacioacuten) En la seccioacuten 143 (modelos para estimar la radiacioacuten solar) se explican varios de estos El recurso solar es un factor indispensable para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico aislado en Colombia esta informacioacuten se puede encontrar en estaciones meteoroloacutegicas de aeropuertos o universidades que estudian fenoacutemenos ambientales sin embargo es difiacutecil tener con exactitud la radiacioacuten en un lugar determinado por efecto de topografiacutea y distancia a las estaciones meteoroloacutegicas Existen sitios web y programas que tienen informacioacuten de varias estaciones lo que puede facilitar el meacutetodo de interpolacioacuten y entregar un estimado
76
cercano de recurso solar disponible en el sitio donde se desea instalar el sistema fotovoltaico La importancia de encontrar una buena herramienta que calcule la radiacioacuten es que de esta depende la energiacutea que puede producir un arreglo fotovoltaico al estimar mal la radiacioacuten se corre el riesgo de sobreestimar el arreglo produciendo sistemas maacutes costosos de lo necesario o subestimarlo creando deacuteficit de energiacutea e inconformidad con el usuario Es comuacuten que las herramientas encargadas de calcular el recurso solar entreguen la radiacioacuten adquirida en cada uno de los meses del antildeo sin embargo para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico se necesita la radiacioacuten promedio mensual de cada uno de los meses esta se puede calcular con el producto punto entre la radiacioacuten mensual y el inverso punto a punto de vector de diacuteas en cada mes como se indica a continuacioacuten
= lowast [1
] 120784 120789
En donde
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo (desde enero a diciembre)
(kWhm2d)
radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (kWhm2)
diacuteas de cada mes (desde enero a diciembre) (d)
[1
] representa el resultado de invertir cada componente del vector
Como criterio de disentildeo de este trabajo se recomienda trabajar con la menor radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo estudiado esto con el fin de adoptar el peor escenario ambiental en el cual el sistema fotovoltaico va a generar energiacutea De esta forma se tiene
Γ = miacuten([]) 120784 120790 Donde
Γ radiacioacuten promedio diaria mensual maacutes baja del antildeo (kWhm2d) Para disentildeo de sistemas fotovoltaicos se maneja el concepto de ldquohoras solar picordquo y corresponde al nuacutemero de horas en las que cada metro cuadrado de superficie
captadora obtiene de modo constante 1000 119882 Este paraacutemetro relaciona los datos de placa del panel con el recurso solar disponible en la zona Si se quiere evaluar la energiacutea que el panel fotovoltaico puede producir
diariamente habraacute que conocer cuantas horas diarias con radiacioacuten de 1000wm2 estaraacute expuesto en el diacutea La manera de encontrar las horas solar pico del mes de
77
maacutes baja radiacioacuten consta del cociente entre la radiacioacuten promedio diaria mensual
maacutes baja y 1kWm2 de la siguiente forma
Hspico =Γ
1kWm2 120784 120791
Donde
Hspico horas solar pico del mes de maacutes baja radiacioacuten a lo largo del antildeo en (hd) 223 Tiempo de autonomiacutea de un sistema fotovoltaico
La autonomiacutea de un sistema fotovoltaico es un paraacutemetro que modelaraacute el banco
de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico se refiere al nuacutemero de diacuteas en que un
sistema de bateriacuteas suministraraacute una carga determinada sin ser recargado por el
arreglo fotovoltaico u otra fuente
Las condiciones generales del clima determinan el nuacutemero de diacuteas con radiacioacuten
nula lo cual es una variable significativa para brindar un tiempo de autonomiacutea Sin
embargo este paraacutemetro es muy difiacutecil de determinar con exactitud en lugares
donde no se lleva un estudio estadiacutestico de la radiacioacuten solar lo que en lugares
alejados de estaciones climatoloacutegicas hace de este un paraacutemetro deductivo
Algunos autores recomiendan estudiar de las cargas si en verdad es criacutetico que la
carga opere en todo momento si la carga podriacutea ser cambiada o reemplazada por
alternativas maacutes eficientes y si la carga es simplemente una conveniencia [10 21]
Seguacuten lo anterior se puede dar un rango de autonomiacutea seguacuten la importancia de la
carga
1 De 2 a 3 diacuteas usos esenciales o sistemas con generador de respaldo
2 De 5 a 7 diacuteas para cargas criacuteticas sin ninguna otra fuente de energiacutea
224 Tiempo de recuperacioacuten del sistema
Como se explicoacute en la seccioacuten 21221 (Ritmo y profundidad de descarga) se
necesita determinar un paraacutemetro que modele el tiempo que se requiere para
cargar las bateriacuteas despueacutes que se encuentren descargadas es decir con queacute
frecuencia se encontraraacute una serie de diacuteas con nula radiacioacuten en donde se
necesite tener cargado el banco de bateriacuteas
Este paraacutemetro al igual que el tiempo de autonomiacutea se deberiacutea calcular mediante
estudios estadiacutesticos de radiacioacuten solar en la zona donde se desea instalar el
sistema fotovoltaico sin embargo en un entorno como el de Colombia en donde
78
los sistemas fotovoltaicos estaacuten en auge se dificulta encontrar este paraacutemetro con
precisioacuten
El tiempo de recuperacioacuten del sistema relaciona el arreglo fotovoltaico con el
banco de bateriacuteas ya que cuando el banco este descargado el arreglo
fotovoltaico no solamente debe entregar energiacutea a las cargas si no al banco de
bateriacuteas y la energiacutea que invierta este en cargar el banco dependeraacute de cuaacutento
tiempo lo cargue Asiacute entonces por ejemplo el estudio estadiacutestico arroja que en
promedio existe un evento al mes en donde existiraacute una serie de diacuteas con mala
radiacioacuten el arreglo fotovoltaico deberaacute entonces cargar el banco de bateriacuteas
como miacutenimo 15 diacuteas de esta forma el arreglo deberaacute producir aparte de la
energiacutea que consuman las cargas la energiacutea suficiente para cargar el arreglo en
15 diacuteas [38]
23 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTOacuteNOMO
Una vez conocidos los paraacutemetros de disentildeo de un sistema fotovoltaico ya se
puede modelar el sistema A continuacioacuten se presenta el dimensionamiento del
banco de bateriacuteas y del arreglo fotovoltaico
231 Dimensionamiento del banco de bateriacuteas
El tamantildeo del banco de bateriacuteas dependeraacute baacutesicamente de los diacuteas de
autonomiacutea y el consumo promedio diario De la siguiente forma
119862119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120783120782
Donde
119862119887119886119899119888119900 capacidad del banco de bateriacuteas (Wh)
119863119886119900119906119905 diacuteas de autonomiacutea (d)
120578119894119899119907 eficiencia del inversor
120578119887119886119905 eficiencia de la bateriacutea
La eficiencias en el denominador modelan las peacuterdidas del inversor estudiadas en
la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) y la eficiencia de la bateriacutea
modela las peacuterdidas de las reacciones quiacutemicas que se desarrollan en las bateriacuteas
cuando se produce un ciclo de carga y descarga estudiada en la seccioacuten 21222
79
(Ritmo y profundidad de descarga) la eficiencia de bateriacuteas es usualmente
aproximada al 80 y del inversor usualmente se aproxima al 90 sin embargo
como se vio en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y carga) en donde se
especifica que el criterio de disentildeo para escoger el inversor dependeraacute
baacutesicamente de 119875119879119860119862 (Potencia maacutexima de demanda en W) conocido este valor
se puede encontrar la eficiencia especifica seguacuten la curva del fabricante
Ya con la capacidad del banco encontrada hace falta saber cuaacutenta energiacutea es
capaz de suministrar una sola bateriacutea especiacutefica aunque en teoriacutea cualquier
bateriacutea solar serviraacute el nuacutemero de estas dependeraacute de la capacidad de
almacenamiento que a su vez define el precio de la bateriacutea por tanto se intenta
que la energiacutea que suministra el banco de bateriacuteas no tenga valores muy
superiores al 119862119887119886119899119888119900 La ecuacioacuten que modela la capacidad de energiacutea que puede
entregar cada bateriacutea es
119864119887119886119905 = 119862119887119886119905 119897119894119898 119881119887119886119905 120784 120783120783
Donde
119864119887119886119905 energiacutea que puede suministrar una bateriacutea (Wh)
119862119887119886119905 capacidad de la bateriacutea especificada con el fabricante (Ah)
119897119894119898 liacutemite de descarga maacuteximo del banco de bateriacuteas
119881119887119886119905 tensioacuten nominal de la bateriacutea especificada por el fabricante (V)
El nuacutemero de bateriacuteas se define de acuerdo al cociente entre la capacidad del
banco y la energiacutea que puede entregar cada bateriacutea Como se muestra a
continuacioacuten
119873119887119886119905 = 119862119887119886119899119888119900
119864119887119886119905 120784 120783120784
Donde
119873119887119886119905 nuacutemero de bateriacuteas necesarias para la aplicacioacuten
Reemplazando las expresiones 210 y 211 en la 212 se tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120785
80
Sin embargo es muy difiacutecil que 119873119887119886119905 tome valores enteros lo que obliga a trabajar
con el entero maacutes proacuteximo superior debido a que se intenta garantizar como
miacutenimo los diacuteas de autonomiacuteas requeridos y no exceder el liacutemite de descarga
maacuteximo es aquiacute donde la energiacutea que una bateriacutea puede entregar juega un papel
importante debido a que es el uacutenico paraacutemetro ajustable (basta con cambiar la
bateriacutea con mayor o menor capacidad de Ah) esto con el fin de que la parte
decimal se aproxime tanto como se pueda al entero superior
Otra manera sencilla de saber el nuacutemero de bateriacuteas que dimensionan el banco
fotovoltaico es partir de la definicioacuten de cadenas y paralelos A continuacioacuten se
define dicha expresioacuten
119873119887119886119905 = 119861119886119905119904ℎ119906119899119905 119861119886119905119904119905119903119894119899119892 120784 120783120786
Doacutende
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 nuacutemero de cadenas en paralelo
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de bateriacuteas en serie
Analizando cada teacutermino tenemos
119861119886119905119904119905119903119894119899119892 = 119881119900
119881119887119886119905 120784 120783120787
119861119886119905119904ℎ119906119899119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119900 120784 120783120788
En donde la expresioacuten nuacutemero 15 muestra la relacioacuten de la tensioacuten con respecto al
nuacutemero de bateriacuteas en serie y la ecuacioacuten 16 muestra el nuacutemero de cadenas
necesarias para abastecer la demanda junto con las eficiencias de los dispositivos
que componen el sistema
Al reemplazar las expresiones 215 y 216 en la 214 y cancelando teacuterminos se
tiene
119873119887119886119905 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120783120789
En donde se comprueba que la expresioacuten 217 es igual a la expresioacuten 213
81
Aunque este es el nuacutemero de bateriacuteas necesario para satisfacer las necesidades
de la demanda teniendo en cuenta el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y llevando las
bateriacuteas a liacutemites de descarga ajustados previamente no necesariamente es el
nuacutemero definitivo de bateriacuteas debido a que el banco de bateriacuteas define la tensioacuten
del sistema el problema ocurre cuando el nuacutemero de bateriacuteas en serie que a su
vez ajusta la tensioacuten del sistema (comuacutenmente 12v 24v 36v o 48v) no es
divisible exactamente por el nuacutemero de bateriacuteas haciendo obligatorio ajustar
nuevamente el nuacutemero de bateriacuteas Un ejemplo tiacutepico es presentado cuando el
estudio arroja 5 bateriacuteas necesarias de 12 v cada una para trabajar a 24v es
necesario conectar cadenas de dos bateriacuteas en serie sin embargo es imposible
conectar todas estas bateriacuteas para esta configuracioacuten debido a que 5 no es
divisible exactamente entre dos una opcioacuten podriacutea ser usar 4 bateriacuteas sin
embargo esto iriacutea en contra del disentildeo debido a que el banco es maacutes pequentildeo del
nuacutemero calculado esta circunstancia podriacutea violar el liacutemite de descarga y los diacuteas
de autonomiacutea planteados la manera de solucionar este problema es ajustar a 6 el
nuacutemero de bateriacuteas de esta forma no se violan los paraacutemetros del disentildeo y se
genera un sistema auacuten maacutes confiable [10 15 21]
232 Modelamiento del arreglo fotovoltaico
Es muy comuacuten que se modele el banco de bateriacuteas y el arreglo fotovoltaico como
dos fuentes de energiacutea diferentes en donde el arreglo fotovoltaico se modela de
acuerdo al consumo y recurso solar y el banco de bateriacuteas uacutenicamente al consumo
y tiempo de autonomiacutea sin embargo esta suposicioacuten no es del todo cierta debido
a que se debe tener en cuenta la energiacutea que el arreglo fotovoltaico invierte al
cargar las bateriacuteas y entregar energiacutea a las cargas es por esta razoacuten que en este
proyecto se propone que el arreglo fotovoltaico siacute tenga relacioacuten con el banco de
bateriacuteas y a continuacioacuten se explicaraacute coacutemo hacerlo
Se desea entonces un arreglo fotovoltaico que cargue el banco de bateriacuteas
anteriormente modelado y entregue energiacutea durante el diacutea a las cargas que esteacuten
encendidas La siguiente expresioacuten modela dicha suposicioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119864119888119900119899119904119906119898119900 + 119864119887119886119899119888119900 120784 120783120790
De esta forma se asegura que el modelamiento sea adecuado
Expandiendo cada teacutermino se tiene que
119864119888119900119899119904119906119898119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 120784 120783120791
82
La eficiencia del inversor debe ser tomada en este estudio debido a que modela
las peacuterdidas de operacioacuten de eacuteste y que el arreglo fotovoltaico tambieacuten debe tener
en cuenta
Para modelar la energiacutea que consumen las bateriacuteas se tiene en cuenta la energiacutea
que consume el banco de bateriacuteas involucrando el tiempo de recuperacioacuten del
sistema este deberaacute ser inversamente proporcional a la potencia que suministra el
arreglo fotovoltaico debido a que si este paraacutemetro aumenta el arreglo fotovoltaico
tendraacute maacutes tiempo de recargar las bateriacuteas con lo que probablemente disminuya
su tamantildeo Asiacute entonces se presenta dicha expresioacuten
119864119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
120578119887119886119905 119879119903119890119888 120784 120784120782
Reemplazando la expresioacuten 17 en la 20 tenemos
119864119887119886119899119888119900 = 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905
119879119903119890119888
119860119888119879 119863119886119900119906119905
120578119894119899119907 120578119887119886119905 119897119894119898 119862119887119886119905 119881119887119886119905 120784 120784120782119938
Cancelando teacuterminos 119897119894119898 119862119887119886119905 y 119881119887119886119905 se obtiene
119864119887119886119899119888119900 = 119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120783
Asiacute entonces se observa que al aumentar el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea del
sistema aumenta la capacidad de almacenamiento haciendo que tambieacuten exista
un mayor consumo para cargar las bateriacuteas por parte del arreglo fotovoltaico y que
al disminuir el tiempo de recuperacioacuten del sistema se necesitaraacute maacutes potencia
para cargar las bateriacuteas por tanto aumentaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico
De esta forma se pueden reemplazar las expresiones 221 y 219 en la 218
119864119886119903119903119890119892119897119900 =119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120784
Esta ecuacioacuten muestra la energiacutea que deberaacute entregar un arreglo fotovoltaico sin
embargo hay que referir esta energiacutea al recurso solar disponible para saber
cuaacutenta potencia fotovoltaica es necesaria Asiacute entonces la energiacutea que puede
83
suministrar un arreglo fotovoltaico seraacute igual al resultado del producto de las horas
solar pico (que en este trabajo seraacute la promedio del peor mes) por la potencia
fotovoltaica necesaria o calculada para la aplicacioacuten
A continuacioacuten se presenta la expresioacuten
119864119886119903119903119890119892119897119900 = 119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 120784 120784120785
119875119865119907119888 potencia fotovoltaica necesaria
Reemplazando la expresioacuten 23 en la 22 tenemos
119867119904119901119894119888119900 119875119865119907119888 = 119860119888119879
120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119879119903119890119888120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120785119938
Despejando potencia fotovoltaica necesaria se tiene
119875119865119907119888 = 119860119888119879
119867119904119901119894119888119900 120578119894119899119907 +
119860119888119879 119863119886119900119906119905
119867119904119901119894119888119900 119879119903119890119888 120578119894119899119907 120578119887119886119905 120784 120784120786
La ecuacioacuten 24 modela la potencia calculada para un sistema fotovoltaico la
manera de encontrar el nuacutemero de paneles especiacuteficos para una aplicacioacuten seraacute el
resultado del cociente entre la potencia fotovoltaica necesaria y la potencia que un
panel fotovoltaico puede entregar bajo las STC como se muestra a continuacioacuten
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120784 120784120787
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Sin embargo se presenta el mismo problema que con el banco de bateriacuteas y es
que 119873119901119886119899119890119897119890119904 tomaraacute valores que muy probablemente no seraacuten enteros por tanto
se debe aproximar este valor siempre al nuacutemero entero maacutes cercano superior
Depende entonces de la potencia del panel solar que se escoja para la aplicacioacuten
el nuacutemero de paneles solares que se necesiten [10 15 21]
De esta forma se ha planteado una manera de dimensionar sistemas fotovoltaicos
relacionando el tiempo de carga de las bateriacuteas y el tiempo de autonomiacutea que
84
seraacuten escogidos de acuerdo a las caracteriacutesticas de las cargas y recurso solar Un
disentildeo que considere estos dos paraacutemetros de manera acertada puede dar como
resultado un sistema fotovoltaico capaz de suministrar energiacutea en ambientes
criacuteticos
85
Capiacutetulo 3
SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Los sistemas fotovoltaicos interactivos con la red de servicio puacuteblico tienen como
propoacutesito suministrar energiacutea a un conjunto de cargas de forma total o parcial con
energiacutea proveniente del sol comuacutenmente son instalados en edificios comerciales o
en casas con acceso al servicio puacuteblico de energiacutea eleacutectrica Los avances
tecnoloacutegicos en los inversores interactivos con la red eleacutectrica han facilitado la
interconexioacuten de arreglos fotovoltaicos a la red haciendo que la energiacutea que
generen sea aprovechada principalmente por las cargas y el excedente de esta
seraacute ldquoempujadardquo a la red puacuteblica aunque en Estados Unidos y algunos paiacuteses de
Europa esta energiacutea empujada es remunerada por parte de las electrificadoras
mediante medidores de energiacutea que permiten el giro inverso en Colombia auacuten no
existe una legislacioacuten que respalde a los sistemas interconectados a la red por
esta razoacuten en un contexto como el de Colombia se intenta que el arreglo
fotovoltaico suministre energiacutea parcialmente a las cargas esto con el intento de no
inyectar energiacutea a la red y evitar sanciones a causa de desequilibrar la red de
distribucioacuten [15]
A continuacioacuten se da a conocer el funcionamiento de un sistema fotovoltaico
interactivo con la red
31 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED
Existen dos tipos de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red
1 Sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
2 Sistema interconectado a red con respaldo de bateriacuteas
Los sistemas interactivos con la red de servicio puacuteblico sin respaldo de bateriacuteas
solo constan de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red este
tipo de inversores son disentildeados para interrumpir la conexioacuten a la red del sistema
fotovoltaico cuando el suministro de energiacutea de la red falla esto con el fin de
despejar la falla y evitar problemas operativos en la red de distribucioacuten Los
sistemas fotovoltaicos con respaldo de bateriacuteas constan de un arreglo fotovoltaico
un inversor interactivo con la red capaz de cargar un banco de bateriacuteas este
sistema es capaz de suministrar energiacutea durante el tiempo de autonomiacutea para el
cual el banco fue disentildeado cuando la red de servicio puacuteblico falla sin embargo
para estos sistemas la red de distribucioacuten debe tener un sistema de proteccioacuten
adecuado con el fin de que el banco de bateriacuteas no alimente la falla existente en la
86
red Es por esta razoacuten que en este trabajo de grado se haraacute especial eacutenfasis en
sistemas sin respaldo de bateriacuteas debido a que pueden llegar a ser los maacutes
cercanos a la realidad del entorno Colombiano
A continuacioacuten se analizan las caracteriacutesticas por separado de los sistemas
interconectados a la red con respaldo de bateriacuteas y sin respaldo de bateriacuteas
311 Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas
Entre las ventajas y desventajas de un sistema interconectado a red sin respaldo
de bateriacuteas se encuentran disminucioacuten del consumo de energiacutea proveniente del
servicio puacuteblico ausencia de un sistema ininterrumpido de energiacutea en el caso de
falla de la red instalacioacuten simple alta eficiencia y no brindar oportunidades de
administrar la energiacutea
Los sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de bateriacuteas constan
de un arreglo fotovoltaico y un inversor interactivo con la red El arreglo
fotovoltaico tiene caracteriacutesticas muy similares a un sistema autoacutenomo con la
diferencia de que estos arreglos no van a tener en cuenta la carga de un banco de
bateriacuteas y tienen la posibilidad de suministrar parte del consumo de las cargas A
continuacioacuten se da a conocer las caracteriacutesticas operativas de un inversor
interconectado a la red sin respaldo de bateriacuteas
3111 Inversores interactivos con la red sin respaldo de bateriacuteas
La mayoriacutea de los inversores conectados a la red no utilizan un banco de
bateriacuteas por el contrario se conectan directamente con la red de servicio puacuteblico
utilizando esta fuente como un sistema de respaldo Cuando existen condiciones
ambientales para generar energiacutea por parte del arreglo fotovoltaico el inversor
debe transformar y utilizar esta energiacutea para satisfacer el consumo sin embargo si
la generacioacuten de energiacutea es mayor a la del consumo el inversor suministraraacute la
energiacutea necesaria a las cargas y el exceso lo empujaraacute a la red puacuteblica aunque se
espera que en un futuro Colombia tenga una legislacioacuten que respalde a los
sistemas fotovoltaicos interconectados a la red por el momento no existe por
tanto no es posible vender este exceso de energiacutea lo que afecta netamente el
tiempo de recuperacioacuten de la inversioacuten por esta razoacuten se intenta disentildear un
arreglo fotovoltaico que suministre una parte del consumo para evitar la inyeccioacuten
de energiacutea que no seraacute remunerada El inversor interactivo con la red debe ser
capaz de alimentar las cargas tomando la energiacutea del arreglo fotovoltaico y la
energiacutea de la red puacuteblica a la vez de esta forma se reduce el consumo de energiacutea
por parte de la red puacuteblica produciendo un ahorro en funcioacuten de la energiacutea que es
capaz de suministrar el arreglo Durante la noche o las horas del diacutea donde la
radiacioacuten sea miacutenima toda la energiacutea provendraacute de la red puacuteblica de esta forma
87
el inversor interactivo con la red deberaacute ser capaz de atender cualquiera de los
anteriores casos [1015 21]
A continuacioacuten se daraacute a conocer los paraacutemetros para dimensionar un inversor
adecuado para las necesidades de una instalacioacuten fotovoltaica interconectada a
red sin respaldo de bateriacuteas
3112 Caracteriacutesticas operativas de inversores interconectados a red sin respaldo
de bateriacuteas
Existen varias caracteriacutesticas que los fabricantes de inversores especifican en sus
hojas de datos que es necesario conocer antes de adquirir alguacuten tipo de inversor
A continuacioacuten se dan a conocer varias de estas
Potencia de entrada del inversor al calcular un arreglo fotovoltaico para un
sistema interconectado a la red el tamantildeo del arreglo estaraacute determinado para
que cumpla con el suministro total o parcial del consumo presupuesto del cliente y
limitaciones de espacio Una vez determinado el tamantildeo del arreglo el inversor
deberaacute soportar el paso de potencia del arreglo fotovoltaico por ende se busca
que la potencia fotovoltaica instalada nunca sea mayor a la especificada por el
fabricante del inversor Tambieacuten se debe tener en cuenta que si se desea expandir
en un futuro la capacidad del arreglo el inversor sea capaz de soportar dicha
expansioacuten de potencia fotovoltaica instalada
Seguidor de punto de maacutexima potencia como se analizoacute en la seccioacuten 2132
(Reguladores MPPT para sistemas autoacutenomos) se intenta que el arreglo
fotovoltaico opere siempre en el punto de maacutexima potencia en la actualidad todos
los inversores interconectados a la red tienen esta caracteriacutestica con el fin de
aprovechar la maacutexima potencia que pueda entregar el arreglo fotovoltaico [10]
Tensioacuten de entrada la mayoriacutea de los inversores interconectados a red poseen
una ventana de tensioacuten que especifica el rango de operacioacuten en donde el inversor
funcionaraacute de manera adecuada Para estar dentro de esa ventana el arreglo
fotovoltaico debe estar interconectado de una manera especiacutefica Debido a que
usualmente las ventanas de tensioacuten de los inversores estaacuten entre 75V y 600V la
configuracioacuten deberaacute tener muacuteltiples moacutedulos en serie para alcanzar dicha tensioacuten
(generalmente mayor a la de los sistemas aislados) sin embargo como se estudioacute
en la seccioacuten 2132 (REGULADORES MPPT) en donde se analiza relacioacuten entre
la tensioacuten de los moacutedulos y la temperatura el disentildeo debe tener en cuenta la
temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima con el fin de
evitar que la tensioacuten maacutexima del arreglo (calculada con la temperatura miacutenima
promedio) y la tensioacuten miacutenima del arreglo (calculada con la temperatura maacutexima
promedio) salgan de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante Si el
88
arreglo fotovoltaico alcanza una tensioacuten tan baja que sale de la ventana de tensioacuten
del inversor se apagaraacute por otro lado si un arreglo fotovoltaico alcanza una
tensioacuten tal que supere el maacuteximo de la ventana de tensioacuten del arreglo el inversor
podriacutea estar en peligro potencial de dantildeo Por tanto es importante calcular de una
manera adecuada la tensioacuten maacutexima y miacutenima de un arreglo fotovoltaico que
dependeraacute del nuacutemero de paneles en serie y sus caracteriacutesticas eleacutectricas con el
fin de encontrar un inversor adecuado para la aplicacioacuten [10 36]
Seguacuten lo anterior
119881119898119901119901119905119898119894119899 le 119881119898iacute119899119898119901 120785 120783
119881119898119901119901119905119898119886119909 ge 119881119898aacute119909119898119901 120785 120784
En donde
119881119898119901119901119905119898119894119899 liacutemite inferior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119901119901119905119898119886119909 liacutemite superior de la ventana de tensioacuten especificada por el fabricante
119881119898119894119899119898119901 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio maacutexima (ver ecuacioacuten 22)
119881119898119886119909119898119901 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico en funcioacuten de la temperatura
promedio miacutenima (ver ecuacioacuten 23)
Tensioacuten maacutexima la tensioacuten maacutexima que deberaacute soportar el inversor interactivo
con la red se produce por parte del arreglo fotovoltaico en condiciones de circuito
abierto y temperatura promedio miacutenima
Se debe tener en cuenta dicha tensioacuten en el disentildeo del arreglo fotovoltaico con el
fin de que el inversor no sufra dantildeos por sobretensioacuten bajo estas condiciones
Seguacuten lo anterior se debe garantizar que
119881119894119899119907119898aacute119909 ge 119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 120785 120785
119881119898119886119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
119881119894119899119907119898119886119909 tensioacuten maacutexima del inversor especificada por el fabricante
Tensioacuten de salida la tensioacuten de salida de los inversores es especificada por el
fabricante y su uso dependeraacute netamente de las caracteriacutesticas operativas de la
89
carga Para un entorno como el de Colombia es comuacuten que las cargas esteacuten
alimentadas a 120V (sistema monofaacutesico bifilar o sistema trifaacutesico tetrafilar) 240V
(sistema monofaacutesico trifilar) 208V (sistema trifaacutesico trifilar) y en algunos casos
hasta 480V Por esta razoacuten es necesario que se haga un estudio de tensioacuten
frecuencia y secuencia (en el caso de un sistema trifaacutesico) de la red disponible a la
que se va a interconectar el inversor aunque existen algunos inversores que son
capaces de acoplarse a cualquier tipo de red es recomendable hacer un estudio
previo de la misma y verificar con los datos teacutecnicos del inversor si es posible su
conexioacuten antes de adquirirlo [10 21]
Proteccioacuten de fallo a Tierra la mayoriacutea de fabricantes de inversores especifican la
proteccioacuten del dispositivo que en caso de producirse un cortocircuito parte del
flujo eleacutectrico se derive a Tierra
Proteccioacuten para sobrecorriente en DC y AC algunos inversores traen incorporados
sistemas de proteccioacuten tanto a la entrada (lado de DC) como a la salida (lado de
AC) sin embargo los fabricantes exigen incorporar protecciones externas para
cuando sea necesario desconectar el inversor y como respaldo a las protecciones
internas
Cubierta resistente a la intemperie la mayoriacutea de los inversores interconectados a
red se disentildean para instalaciones al aire libre y por tanto deben tener cubiertas
adecuadas para estos ambientes
Existen varias ventajas con los sistemas interconectados a la red entre ellas
Economiacutea para cargas con consumo grande depender uacutenicamente de sistemas
fotovoltaicos puede llegar a ser muy costoso sobre todo al disentildear un banco de
bateriacuteas capaz de respaldar la carga durante un periodo largo de operacioacuten o para
horas en el diacutea donde la radiacioacuten solar sea miacutenima Para este tipo de sistemas un
sistema interconectado a red puede resultar maacutes econoacutemico debido a que puede
usar como respaldo la red puacuteblica existente
Bajo costo inicial disentildear un sistema fotovoltaico para abastecer la totalidad del
consumo puede llegar a ser muy costoso sin embargo existe la posibilidad de
hacer una inversioacuten pequentildea que conste de un arreglo fotovoltaico pequentildeo y un
solo inversor maacutes adelante se podraacuten agregar maacutes moacutedulos a medida que el
inversor lo permita Algunos fabricantes de inversores fabrican inversores de
cadenas muacuteltiples (multistring) son capaces de interconectar varios arreglos
fotovoltaicos a la vez esta tambieacuten podriacutea ser una buena opcioacuten si lo que se
desea es aumentar la capacidad fotovoltaica instalada en un futuro
90
Incremento de la confiabilidad al tener dos sistemas de generacioacuten de energiacutea
independientes hay una confiabilidad mayor en un sistema interconectado a la red
que en un sistema autoacutenomo Si se antildeade un banco de bateriacuteas la confiabilidad es
auacuten mayor sin embargo la eficiencia del sistema disminuye debido a que las
bateriacuteas involucran peacuterdidas de almacenamiento gracias a las reacciones
quiacutemicas en el almacenamiento de energiacutea
Flexibilidad de disentildeo debido a que el servicio puacuteblico brinda una fuente de
energiacutea permanente el sistema fotovoltaico puede disentildearse seguacuten el
presupuesto y los deseos del propietario
Facilidad de interconexioacuten los avances en la tecnologiacutea de los inversores han
logrado que sea relativamente faacutecil el acoplo de los arreglos fotovoltaicos a la red
puacuteblica estos son capaces de cumplir con el sincronismo de fase secuencia y
frecuencia para que un sistema de generacioacuten pueda interconectarse a la red [10
15]
32 PARAacuteMETROS NECESARIOS PARA MODELAMIENTO DE SISTEMA
INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS
El sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas es un sistema
relativamente simple debido a que solo consta de dos elementos fundamentales
el arreglo fotovoltaico y el inversor interconectado a red Sin embargo se necesitan
varios paraacutemetros para un correcto dimensionamiento de ambos elementos
321 Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para dimensionamiento de un sistema interconectado a red En la seccioacuten 222 (Paraacutemetros correspondientes al recurso solar para
dimensionamiento de un sistema autoacutenomo) se explicoacute la importancia de tener una
informacioacuten acertada acerca de la radiacioacuten solar en el lugar donde se desea
instalar el arreglo fotovoltaico todo lo hablado en esta seccioacuten es totalmente
aplicable a este tema debido a que el arreglo fotovoltaico es muy similar al de este
caso sin embargo los criterios de dimensionamiento cambian draacutesticamente
debido a que para el dimensionamiento se va a necesitar la informacioacuten de
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo es decir el vector resultado del
producto punto entre el vector de radiacioacuten mensual de cada mes durante un antildeo
y el resultado de invertir cada componente del vector de diacuteas de cada mes (ver
ecuacioacuten 120784 120789) asiacute entonces partiendo de esta expresioacuten se obtiene el vector de
horas solar pico de la siguiente forma [10 15]
119919119956119953119946119940119952 =
1kWm2 120785 120786
91
En donde
119919119956119953119946119940119952 vector horas solar pico a lo largo del antildeo (hd)
radiacioacuten promedio diaria en cada mes del antildeo desde enero a diciembre
(kWhm2119889) A diferencia de los sistemas autoacutenomos en donde se usa uacutenicamente la hora solar pico del mes de la radiacioacuten maacutes baja del antildeo el sistema interconectado a red deberaacute trabajar con toda la informacioacuten de radiacioacuten existente mes a mes Por esta razoacuten se trabajaraacute con el vector completo de horas solar pico [10 15 21] 322 Estudio del consumo anual Debido a que se busca disentildear un arreglo fotovoltaico que produzca un porcentaje de la energiacutea necesaria del consumo mes a mes es necesario conocer el consumo mensual a lo largo del antildeo inmediatamente anterior al mes en donde se desea hacer la instalacioacuten del sistema fotovoltaico La manera maacutes sencilla de encontrar estos datos es hacer seguimiento mes a mes a las facturas de energiacutea proporcionadas por la electrificadora encargada del suministro de energiacutea en la zona Para tener en cuenta esta informacioacuten es necesario organizar los datos obtenidos en la premisa anterior de enero a diciembre debido a que se busca relacionar el consumo con el recurso solar correspondiente del mes sin importar si no corresponde a un orden cronoloacutegico es decir si se necesita conocer el consumo mensual de abril del 2013 a marzo de 2014 los meses se organizaraacuten iniciando con enero de 2014 lo relevante es el orden de los meses no el antildeo al que estos pertenezcan Para este trabajo se conoceraacute esta informacioacuten previamente organizada con un
vector [10]
consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente 323 Porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Como se explicoacute en la seccioacuten 312 (Sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas) el dimensionamiento del arreglo fotovoltaico interconectado a red dependeraacute de cuanta incidencia tenga el sistema fotovoltaico a las cargas Usualmente se caracteriza mediante un porcentaje del consumo dependiendo de queacute tan grande sea este porcentaje y que recurso solar exista en la zona dependeraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico por esta razoacuten este paraacutemetro se ve muy influenciado con el presupuesto del que se disponga para el proyecto fotovoltaico A mayor porcentaje de consumo anual mayor seraacute la potencia fotovoltaica calculada y seraacute maacutes probable la inyeccioacuten de energiacutea a la red que no seraacute remunerada
92
324 Eficiencia del inversor interactivo con la red de servicio puacuteblico En la seccioacuten 2142 (Caracteriacutesticas de los inversores) en donde se habla de la eficiencia de un inversor autoacutenomo se acoge el mismo concepto para los sistemas interconectados a red en donde la eficiencia dependeraacute de la potencia de consumo de las cargas [10] 33 MODELAMIENTO DE UN SISTEMA INTERCONECTADO A RED SIN RESPALDO DE BATERIacuteAS El meacutetodo para modelamiento de un sistema interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas consta de encontrar la potencia fotovoltaica necesaria para producir el porcentaje de energiacutea requerido partiendo del recurso solar disponible en la zona y del consumo de energiacutea Una vez encontrado este dato se busca un inversor capaz de soportar la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico con el fin de garantizar un funcionamiento adecuado 331 Modelamiento del arreglo fotovoltaico Con el recurso solar disponible consumo de energiacutea durante el uacuteltimo antildeo y el porcentaje de energiacutea de incidencia del arreglo fotovoltaico se calcula el tamantildeo del arreglo fotovoltaico En principio se debe calcular la energiacutea que el sistema fotovoltaico deberaacute suministrar de acuerdo al porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar [10] De la siguiente forma
119916119943119959 = 119864119891119907
100 120785 120787
En donde
119916119943119959 energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes (Kwhmes) consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (kWhmes) 119864119891119907 porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar
Una vez calculada la energiacutea que el arreglo fotovoltaico debe suministrar mes a mes se calcula el promedio diario en Wh de la energiacutea que el arreglo fotovoltaico deberaacute producir De la siguiente forma [1015 21]
119916119943119959119941119946119938 = (
1000119882ℎ
1119896119882ℎ 119916119943119959 ) lowast [
1
] 120785 120788
93
119916119943119959119941119946119938 energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar (Whd)
diacuteas de cada mes del antildeo Una vez calculada la energiacutea promedio diaria que el arreglo fotovoltaico debe suministrar se calcula el vector de potencia fotovoltaica calculada de la siguiente forma
119927119943119959119914 = (
119916119943119959119941119946119938
120578119894119899119907100) lowast [
1
119919119956119953119946119940119952 ] 120785 120789
119927119943119959119914 potencia fotovoltaica calculada mes a mes
Debido a que no existe relacioacuten alguna entre el consumo de energiacutea y el recurso solar y son dos paraacutemetros netamente variables es imposible suministrar exactamente el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar mes a mes es por esta razoacuten que se busca un arreglo fotovoltaico que al antildeo suministre en promedio este porcentaje De esta forma el promedio de los
componentes de 119927119943119959119914 seraacute la potencia fotovoltaica necesaria para suministrar el
porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar Asiacute entonces
119875119891119907119862119886119897119888119906119897119886119889119886 = 119901119903119900119898119927119943119959119914 120785 120790
Ya encontrado dicho paraacutemetro se puede encontrar el nuacutemero de paneles solares teniendo en cuenta la potencia especificada por el fabricante de manera anaacuteloga a la ecuacioacuten 225 del anterior capiacutetulo
119873119901119886119899119890119897119890119904 =119875119865119907119888
119875119898119901119901 120785 120791
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles necesarios
119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Debido a que el nuacutemero de paneles de un arreglo fotovoltaico solo podraacute tomar valores enteros usualmente el paraacutemetro 119873119901119886119899119890119897119890119904 de la expresioacuten anterior deberaacute
ser aproximado al entero maacutes proacuteximo superior (solo si la expresioacuten anterior toma un valor no entero) con el fin de que nunca se produzca menor energiacutea de la especificada por el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado anteriormente De esta forma la aproximacioacuten dependeraacute de la
94
potencia en condiciones estaacutendar del moacutedulo a utilizar (STC por sus siglas en ingleacutes) Este nuacutemero de moacutedulos seraacute capaz de suministrar el porcentaje de consumo especificado con el estudio de cargas y con el presupuesto del proyecto con el nuacutemero de paneles especificados se puede conocer la potencia fotovoltaica instalada resultado del producto entre el nuacutemero de paneles y la potencia que cada panel puede suministrar bajo las STC [10] Asiacute entonces la potencia fotovoltaica instalada seraacute
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 = 119875119898119901119901 119873119901119886119899119890119897119890119904 120785 120783120782
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 potencia fotovoltaica instalada 119875119898119901119901 potencia de panel especificada por el fabricante bajo STC
Este paraacutemetro puede dar un indicio de la capacidad que debe tomar el inversor interactivo con la red eleacutectrica debido a que seraacute la potencia que en un instante dado bajo condiciones ambientales adecuadas puede suministrar el arreglo fotovoltaico al consumo Asiacute entonces se debe procurar que
119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 le 119875119868119899119907 120785 120783120783
119875119868119899119907 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Violar la expresioacuten anterior no afectaraacute la esperanza de vida ni el funcionamiento del inversor debido a que la potencia fotovoltaica nominal del inversor especifica cuanta potencia es capaz de transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y a la red si el arreglo fotovoltaico produce maacutes potencia simplemente el inversor no la aprovecharaacute para el consumo Sin embargo se evita en la etapa de disentildeo este tipo de problemas debido a que produce sistemas poco eficientes Una vez especificado la potencia fotovoltaica instalada del arreglo se puede calcular cuanta energiacutea puede producir dicho arreglo mes a mes Para ello se debe evaluar el comportamiento del arreglo fotovoltaico con el vector de Horas Solar Pico como se muestra en la siguiente expresioacuten [10]
120643119943 119946 = 119875119865119907119894119899119904119905119886119897119886119889119886 (120578119894119899119907100) (
1119896119882
1000119882) 119919119956119953119946119940119952 lowast 120785 120783120784
120643119943 119946 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico mes a mes
De esta forma se puede analizar mes a mes la produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico seguacuten el recurso solar disponible La suma de las componentes de
95
este paraacutemetro representaraacute la energiacutea total que se puede producir en un antildeo de operacioacuten del sistema Seguacuten lo anterior se tiene
120585119891119886ntilde119900 = sum 120643119943 119946 120785 120783120785
12
119894=1
120585119891119886ntilde119900 produccioacuten energeacutetica del arreglo fotovoltaico anual
Debido a la aproximacioacuten al entero mayor maacutes proacuteximo especificada en la ecuacioacuten 39 se puede esperar que la produccioacuten energeacutetica anual del sistema fotovoltaico sea mayor a la calculada seguacuten el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar especificado al principio de los caacutelculos Cabe aclarar que entre menor sea el ajuste en dicha expresioacuten menor seraacute la diferencia entre la energiacutea anual que el arreglo fotovoltaico puede producir al estimado por el porcentaje de incidencia del sistema especificado en la ecuacioacuten 313 Con esta informacioacuten teoacuterica se puede dimensionar un sistema fotovoltaico interconectado a red sin respaldo de bateriacuteas cabe resaltar que aprovechar la energiacutea que produce el sistema fotovoltaico dependeraacute de si el perfil de carga se adapta a las horas del diacutea en donde el arreglo fotovoltaico produce energiacutea esto debido a que en un entorno como el de Colombia no trae ninguacuten beneficio econoacutemico inyectar energiacutea a la red por tanto los usuarios que deseen adquirir un sistema fotovoltaico de este tipo deberaacuten tener un mayor consumo de energiacutea en la medida de lo posible en horas de la mantildeana o al medio diacutea y no en la noche como es lo usual solo de esta forma se evitara inyectar mucha energiacutea a la red y se aprovecharaacute la producida por el sistema fotovoltaico
96
Capiacutetulo 4
DESARROLLO DE UN APLICATIVO DE DISENtildeO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS PARA LA EMPRESA COLOMBIAN SOLAR SYSTEMS
SAS
En la actualidad es faacutecil encontrar en su totalidad los elementos necesarios para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico La diversidad de fabricantes especializados en la creacioacuten de elementos para este tipo de generacioacuten origina la posibilidad de encontrar en el mercado diferentes elementos de distinta capacidad caracteriacutesticas eleacutectricas y funciones para abastecer el mercado fotovoltaico que cada antildeo crece la situacioacuten que realmente aqueja al campo de la energiacutea solar es por lo tanto no la dificultad para encontrar la diversidad en los elementos si no la exactitud para la escogencia de uno entre varios El modelamiento de cualquier sistema fotovoltaico estaacute dado por dos paraacutemetros
fundamentales los cuales son carga y recurso solar Para poder comprender la
teoriacutea de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos es necesario entrar en
detalle con el consumo de energiacutea eleacutectrica en el recinto rural o residencial donde
se desea disponer de la generacioacuten a partir de energiacutea solar y adicionalmente
tener valores acertados de radiacioacuten promedio mensual a lo largo del antildeo Un
conjunto de valores acertados de estos dos paraacutemetros fundamentales seraacuten de
gran importancia para un correcto dimensionamiento
Uno de los objetivos especiacuteficos para este proyecto es plantear un aplicativo
capaz de disentildear un sistema fotovoltaico en el sector residencial y rural para el
territorio colombiano con el fin de garantizar mejores disentildeos para la empresa
Colombian Solar Systems Para desarrollarlo se utilizoacute el ambiente graacutefico
proporcionado por Matlab conocido como Guide Matlab y que permite interactuar
con varias interfaz graacuteficas
El aplicativo consta de 16 interfaces graacuteficas que calculan los distintos paraacutemetros
necesarios para el disentildeo de sistemas fotovoltaicos de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada sobre consumo recurso solar y capacidad nominal de los
dispositivos que componen el sistema fotovoltaico Cada interfaz graacutefica
proporciona la informacioacuten necesaria para que el usuario busque de acuerdo a sus
proveedores los componentes que cumplan con las necesidades del sistema sin
embargo una vez escogido el dispositivo y por tanto sus valores nominales el
aplicativo estaacute programado para verificar que los rangos operativos de potencia
tensioacuten y corriente de los dispositivos sean adecuados respecto a los valores
necesarios del sistema fotovoltaico esto con el fin de que en la etapa de disentildeo se
97
busquen los elementos que mejor se adapten a las condiciones del sistema
fotovoltaico
41 DESCRIPCIOacuteN DEL ALGORITMO
El aplicativo posee un algoritmo cuantitativo capaz de interactuar con varias
interfaces graacuteficas guardando la informacioacuten necesaria entre cada una de ellas y
entregando la informacioacuten necesaria al usuario para buscar los dispositivos que
sean maacutes pertinentes El aplicativo inicia con una interfaz graacutefica en donde
pregunta al usuario cuaacutel es el sistema fotovoltaico que desea modelar (sistema
autoacutenomo o sistema interconectado a red) a partir de esta interfaz inicial se
ejecuta el proceso a seguir debido a que son sistemas totalmente distintos Al
final el algoritmo verifica que los datos nominales de los dispositivos sean los
adecuados Cabe aclarar que la certeza de los resultados entregados por el
aplicativo seraacuten proporcionales a la validez de los datos entregados como
entradas tales como recurso solar estudio de cargas y valores nominales de los
dispositivos esta informacioacuten seraacute consultada por el usuario por sus medios de
confianza
A continuacioacuten se presenta el diagrama de flujo del algoritmo desarrollado para el
aplicativo
98
INICIO
Estudio de
cargas
Estudio de consumo y
recurso solar
iquestCONTINUAR
CONTINUAR
Informacioacuten de
carga
Datos de
inversor
Recurso
solar y
estabilidad
CONTINUAR
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Potencia fv
calulada con
peacuterdidas en inv
yo bat
Informacioacuten del panel solar
Potencia fv calculada
Datos de panel solar
Temperatura prom
miacutenima y maacutexima
iquestCONTINUAR
Potencia fv instalada y
configuracioacuten
Escoger opcioacuten
Informacioacuten de tensioacuten
del arreglo
Informacioacuten inversor
interconectado a red
Informacioacuten detallada del
arreglo
CONTINUAR
Tipo de sistemas
fotovoltaicos
NO
SI
NO
SI
SI NO
SI
NO
SI
SI NO
99
Potencia fotovoltaica instalada
iquestCONTINUAR
Informacioacuten sobre bateriacutea
Peacuterdidas
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas Configuracioacuten del banco
de bateriacuteas (sin peacutedidas)
Configuracioacuten del banco de
bateriacuteas (con peacutedidas)
iquestCONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
Tipo de regulador
Corriente maacutexima
de carga
Corriente maacutexima de
carga potencia fv
Escoger
configuracioacuten
Escoger
configuracioacuten
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
PWM
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas VERIFICACIOacuteN
Informacioacuten de
arreglo escogido
Informacioacuten
de regulador
MPPT
CONTINUAR
Potencia fv
calulada sin
peacuterdidas
VERIFICACIOacuteN
FIN
VERIFICACIOacuteN
INFORME
SI
NO
NO SI
NO
SI
MPP
T PW
M
NO
SI
NO
SI
Figura 41 Descripcioacuten del algoritmo utilizado por el
aplicativo
100
42 DESCRIPCIOacuteN Y DESARROLLO DEL APLICATIVO
El diagrama de flujo del algoritmo descrito anteriormente describe el
funcionamiento del aplicativo sin embargo es necesario describir cada interfaz
graacutefica que lo compone y el ambiente graacutefico con el que el usuario va a
interactuar
Al seleccionar el icono que hace el llamado al aplicativo abre la primera interfaz
graacutefica a la que el usuario podraacute acceder Esta permite escoger el tipo de sistema
fotovoltaico que desea desarrollar asiacute el usuario podraacute escoger entre un sistema
aislado o un sistema interconectado a red (sin respaldo de bateriacuteas) Al escoger
una de las dos opciones se empezaraacute con el proceso de dimensionamiento
descrito en el diagrama de flujo del algoritmo
Figura 42 Seleccioacuten de tipo de sistema fotovoltaico
421 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos aislados con aplicativo propuesto
Al seleccionar ldquoSISTEMA AISLADOrdquo el aplicativo hace un llamado a la interfaz
graacutefica descrita en la figura 43 que representa la interfaz que permite al usuario
entregar la informacioacuten pertinente al estudio de cargas explicado en la seccioacuten
221 (Estimacioacuten del consumo y carga) Esta contiene una tabla editable por el
usuario en donde se especifica el nuacutemero de aparatos eleacutectricos que se desea
energizar su potencia nominal y horas de uso al diacutea que se pretende utilizar dicho
grupo de aparatos Una vez especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute
acceder a la siguiente interfaz graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o podraacute acceder a
la interfaz de la figura 42 en cualquier momento escogiendo el iacutecono ldquoATRAacuteSrdquo
101
Figura 43 Estudio de carga de un sistema fotovoltaico autoacutenomo
La figura 44 representa a una interfaz graacutefica que tiene como objetivo informar el
consumo de energiacutea diaria y anual con el fin de que el usuario se entere de
cuanta energiacutea el arreglo fotovoltaico autoacutenomo deberaacute generar al diacutea y al antildeo
Figura 44 Informacioacuten de consumo
Se puede acceder a esta informacioacuten seleccionando ldquoCALCULARrdquo y una vez
especificada dicha informacioacuten el usuario podraacute acceder a la siguiente interfaz
graacutefica escogiendo ldquoSIGUIENTErdquo o si desea hacer alguna modificacioacuten al estudio
de cargas lo podraacute hacer seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo
102
La figura 45 representa la manera coacutemo se modelaraacute el inversor autoacutenomo en el
aplicativo Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se entrega al usuario la informacioacuten acerca
de la carga maacutexima que el sistema fotovoltaico tendraacute que alimentar a una hora
del diacutea esta situacioacuten se presenta cuando se interconectan todas las cargas
descritas en la etapa de estudio de carga (figura 43) El inversor autoacutenomo deberaacute
soportar esta condicioacuten es decir que la capacidad nominal de potencia que el
inversor puede transmitir a las cargas deberaacute de ser mayor que la potencia
maacutexima que estas alcancen Cabe recordar que el inversor autoacutenomo no solo se
escogeraacute de acuerdo a la anterior circunstancia si no a otras caracteriacutesticas
eleacutectricas nominales de las cargas tales como frecuencia tensioacuten tipo de onda y
distorsioacuten armoacutenica total El usuario deberaacute verificar que las caracteriacutesticas
eleacutectricas del inversor cumplan con las caracteriacutesticas nominales de la carga Asiacute
entonces el usuario deberaacute consultar los datos nominales del inversor autoacutenomo
que desea usar y llenar la informacioacuten requerida en los espacios correspondientes
teniendo en cuenta las unidades especificadas en cada espacio hay que tener
presente que la tensioacuten nominal DC del inversor autoacutenomo deberaacute ser la misma
que la tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten del banco de bateriacuteas es
en esta situacioacuten en donde se justifica que el aplicativo verifique las tensiones
nominales del banco de bateriacuteas y el inversor ya que es muy comuacuten que el usuario
olvide dicha circunstancia
Figura 45 Modelamiento del inversor autoacutenomo
103
El usuario podraacute regresar a la interfaz de la informacioacuten de consumo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 46 representa a la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique ciertos factores de estabilidad del sistema fotovoltaico tales como
diacuteas de autonomiacutea (descrito en la seccioacuten 223) tiempo de recuperacioacuten del
sistema (descrito en la seccioacuten 224) horas solar pico promedio del peor mes de
radiacioacuten del antildeo (descrito en la seccioacuten 222) y rango de temperatura
(temperatura promedio miacutenima y maacutexima del antildeo de estudio) Esta informacioacuten
seraacute usada por el algoritmo para determinar la potencia fotovoltaica necesaria para
suplir el consumo el nuacutemero de bateriacuteas necesarias para suministrar energiacutea
durante el nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea y calcular tanto el rango de tensioacuten de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la tensioacuten maacutexima del arreglo en condiciones
de circuito abierto y temperatura baja
Figura 46 Paraacutemetros que definen la estabilidad del sistema fotovoltaico
El usuario podraacute regresar a la interfaz del modelamiento del inversor autoacutenomo
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 47 representa a la interfaz graacutefica que tiene como objetivo calcular el
nuacutemero de paneles necesarios para la aplicacioacuten de acuerdo a la informacioacuten
proporcionada por el usuario en las interfaces anteriores
104
Figura 47 Potencia fotovoltaica calculada o necesaria
En el tablero de ldquoinformacioacutenrdquo se especifica mediante un ldquoradio buttonrdquo si el usuario
desea involucrar en el disentildeo peacuterdidas por parte del inversor yo bateriacuteas Aunque
se recomienda modelar sistemas fotovoltaicos con peacuterdidas debido a que son
modelos maacutes cercanos a la realidad de manera acadeacutemica puede llegar a ser
interesante observar en cuanta potencia fotovoltaica se incrementa el arreglo al
involucrar la eficiencia del inversor yo la eficiencia de las bateriacuteas (usualmente
aceptada en el 80) Cual sea el caso se puede acceder a esta informacioacuten en el
espacio ldquoPotencia fotovoltaica calculadardquo seleccionando en el tablero de
informacioacuten ldquoCALCULARrdquo Este caacutelculo tendraacute en cuenta los diacuteas de recuperacioacuten
del sistema y tiempo de autonomiacutea (explicados en la seccioacuten 22 paraacutemetros
necesarios para el modelamiento de un sistema fotovoltaico autoacutenomo) de
acuerdo a la ecuacioacuten 224
De acuerdo con la ecuacioacuten 225 en la seccioacuten 232 es necesario especificar la
potencia del panel solar que se desea implementar para saber el nuacutemero de
paneles necesarios Esta informacioacuten se debe entregar en el recuadro
denominado ldquoParaacutemetros panel solarrdquo junto con la informacioacuten acerca del panel
especificada en dicho espacio esta informacioacuten seraacute almacenada y usada en las
proacuteximas interfaces graacuteficas
Una vez especificada toda la informacioacuten se podraacute acceder al nuacutemero de paneles
necesarios para el sistema fotovoltaico seleccionando ldquoCALCULARrdquo en el tablero
llamado ldquoCaacutelculo de potencia fotovoltaica y nuacutemero de moacutedulosrdquo
105
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la estabilidad del sistema
autoacutenomo seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 48 representa a la interfaz graacutefica que permite dar a conocer al usuario
cuantas bateriacuteas se necesitan para abastecer de energiacutea a las cargas de acuerdo
al nuacutemero de diacuteas de autonomiacutea dato entregado en la interfaz representada en la
figura 46
Figura 48 Disentildeo del banco de bateriacuteas
El usuario deberaacute consultar las caracteriacutesticas teacutecnicas de la bateriacutea y entregarlas
en los espacios especificados de la interfaz graacutefica tal como capacidad de la
bateriacutea tensioacuten de la bateriacutea (ambos paraacutemetros determinan cuanta capacidad de
almacenamiento en Wh posee la bateriacutea) maacutexima tensioacuten de carga (que depende
netamente del tipo de bateriacutea y su construccioacuten) y liacutemite de descarga maacuteximo (que
determinaraacute la esperanza de vida de la bateriacutea cabe recordar que entre menor
sea este liacutemite mayor tiempo de vida tendraacute el banco de bateriacuteas) una vez
especificada esta informacioacuten el usuario podraacute escoger si desea tener en cuenta
en el caacutelculo las peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas al igual que en el caso de
la potencia fotovoltaica calculada suele ser interesante observar el incremento de
la capacidad de almacenamiento calculada o necesaria teniendo en cuenta
peacuterdidas en el inversor yo las bateriacuteas sin embargo este trabajo recomienda que
siempre se tengan en cuenta las peacuterdidas debido a que se aproximan a un
sistema mucho maacutes real y mejor dimensionado
106
Con la informacioacuten lista el usuario podraacute calcular el nuacutemero de bateriacuteas
necesarias desplazando el ldquopop-up menuacuterdquo correspondiente a la tensioacuten del
sistema este iacutecono permite escoger entre 12V 24V 36V y 48V de acuerdo a la
explicacioacuten dada en la seccioacuten 231 (Dimensionamiento del banco de bateriacuteas)
esta tensioacuten determina la configuracioacuten del banco de bateriacuteas Debido a que es
muy comuacuten que el nuacutemero de bateriacuteas necesarias no sea divisible exactamente
por el nuacutemero de bateriacuteas en serie (dadas por el cociente entre la tensioacuten del
sistema y la tensioacuten de la bateriacutea) es necesario reajustar el nuacutemero de bateriacuteas
lo que conlleva a reajustar nuevamente el liacutemite de descarga maacuteximo debido a
que con el nuacutemero de bateriacuteas reajustado que siempre seraacute mayor al calculado el
banco de bateriacuteas se descargaraacute menos que lo especificado por el usuario Esta
informacioacuten se encuentra en los espacios correspondientes a bateriacuteas en serie
nuacutemero de bateriacuteas seguacuten configuracioacuten y liacutemite de descarga ajustado al arreglo
de bateriacuteas
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la potencia fotovoltaica calculada
o necesaria seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo
seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 49 representa la interfaz que pretende que el usuario escoja el tipo de
regulador de carga que desea para la aplicacioacuten de acuerdo a la teoriacutea explicada
en las secciones 2131 y 2132 (REGULADORES PWM y REGULADORES
MPPT respectivamente)
Figura 49 Seleccioacuten tipo de regulador de carga
107
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del disentildeo del banco de bateriacuteas
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo y podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoREGULADOR PWMrdquo o ldquoREGULADOR CON SEGUIMIENTO MPPTrdquo
4211 Modelamiento de sistema fotovoltaico aislado usando regulador PWM
La figura 410 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
adquiera la informacioacuten necesaria para encontrar un regulador PWM adecuado
para la aplicacioacuten Al seleccionar ldquoCALCULARrdquo se adquiere la informacioacuten acerca
de Corriente maacutexima de la carga y la informacioacuten pertinente a la configuracioacuten del
arreglo fotovoltaico
Figura 410 Regulador PWM
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Corriente maacutexima de la carga es la corriente a la salida del regulador cuando
todas las cargas esteacuten interconectadas los fabricantes de reguladores PWM
deben especificar dicho paraacutemetro y por tanto se debe tener en cuenta por el
usuario
Dicha corriente se calcula de la siguiente forma
119894119898aacute119909119897119900119886119889 =119875119879119860119862
119907119900 120786 120783
119875119879119860119862 potencia maacutexima de demanda
119907119900 tensioacuten del sistema 119894119898119886119909119897119900119886119889 corriente maacutexima de la carga
108
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
Una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a conocer la
informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 del arreglo fotovoltaico corriente de
cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad y corriente mppt en
condiciones STC del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten deberaacute de ser
corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador A
continuacioacuten se explica cada teacutermino
Tensioacuten de operacioacuten del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del nuacutemero de
paneles en serie que el usurario haya escogido en el recuadro de ldquointerconexioacuten
de moacutedulosrdquo y la tensioacuten mpp (119881119898119901) de cada moacutedulo fotovoltaico Cabe resaltar
que esta tensioacuten es calculada bajo las STC (25degc y 1000119882 1198982frasl ) por tanto este
dato no es totalmente real debido a que en algunas aplicaciones discrepan de
dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de la tensioacuten que el arreglo
fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea Se calcula seguacuten la siguiente
expresioacuten
119881119898119901_119886119903119903119886119910 = 119873119901119904119890119903119894119890 119881119898119901 120786 120784
En donde
119881119898119901_119886119903119903119886119910 tensioacuten de operacioacuten o de punto de maacutexima potencia del arreglo
fotovoltaico seguacuten las STC
119873119901119904119890119903119894119890 nuacutemero de paneles en serie escogidos seguacuten configuracioacuten
119881119898119901 tensioacuten del punto maacutexima potencia del panel especificado por el fabricante
Corriente de cortocircuito del arreglo con 25 de factor de seguridad este dato es
funcioacuten del nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la
opcioacuten escogida por el usuario y de la corriente de cortocircuito (119894119888119888) algunos
autores recomiendan aumentar el dato real en un 25 con el fin de que el
regulador de carga pueda soportar esta condicioacuten sin sufrir dantildeos Asiacute entonces el
109
usuario deberaacute escoger un regulador de carga que tenga una capacidad de
corriente mayor o igual a la calculada [10]
Corriente en condiciones STC del arreglo fotovoltaico este dato es funcioacuten del
nuacutemero de cadenas (strings) en paralelo del arreglo fotovoltaico en la opcioacuten
escogida por el usuario y de la corriente de mpp especificada por el fabricante del
moacutedulo Cabe resaltar que esta corriente es calculada bajo las STC (25degC y
1000119882 1198982frasl ) por tanto este dato no es totalmente real debido a que en algunas
aplicaciones discrepan de dichas condiciones sin embargo es un buen indicio de
la corriente que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar en ciertas horas del diacutea
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a capacidad de corriente de
regulador PWM tensioacuten nominal del regulador y tensioacuten maacutexima admisible por el
regulador PWM Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el regulador es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten tipo de regulador de
carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
4212 Verificacioacuten sistema aislado con regulador PWM
La figura 411 representa la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
110
Figura 411 verificacioacuten del sistema aislado con regulador PWM
42121 Verificacioacuten de las tensiones MPP usando regulador PWM
En la interfaz representada en la figura 46 (Paraacutemetros que definen la estabilidad
del sistema fotovoltaico) se encuentran los espacios para que el usuario
especifique la temperatura promedio miacutenima y la temperatura promedio maacutexima
que se encuentra en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar esto con el
fin de que el aplicativo calcule los valores de tensioacuten que resulten importantes para
el dimensionamiento tales como tensioacuten maacutexima 119881119898119901 119898aacute119909 del arreglo fotovoltaico
(calculada con la miacutenima temperatura promedio) tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico (calculada con la maacutexima temperatura promedio) y tensioacuten
maacutexima del arreglo fotovoltaico (calculada en condiciones de circuito abierto y
miacutenima temperatura promedio) Todos estos valores se muestran al usuario una
vez escogido el iacutecono ldquoCALCULARrdquo en la interfaz representada en la figura 411
(los caacutelculos obedecen a las ecuaciones 21 22 y 23)
En el recuadro llamado ldquoVerificacioacuten del regulador PWMrdquo se hacen dos
comparaciones una de ellas es acerca del valor de tensioacuten miacutenima 119881119898119901 119898iacute119899 del
arreglo fotovoltaico y la tensioacuten 119881119898119894119899119887119886119905 en donde el banco de bateriacuteas estaacute
descargado El software PVSol expert recomienda que la tensioacuten de la bateriacutea no
sea menor al 60 de la tensioacuten de maacutexima potencia del arreglo fotovoltaico (119881119898119901)
esto con el fin de evitar que la tensioacuten del arreglo fotovoltaico se aleje mucho de la
tensioacuten de la bateriacutea cabe resaltar que entre mayor sea esta diferencia de
tensiones menor potencia seraacute aprovechada por el sistema fotovoltaico [37 38]
La tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas es funcioacuten del liacutemite de descarga
descrito en la interfaz representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de
111
bateriacuteas) De esta forma es necesario poder calcular la tensioacuten de acuerdo al
liacutemite de descarga Partiendo de la informacioacuten suministrada en la tabla 6 (Estado
de carga de una bateriacutea) se hace una regresioacuten lineal con el fin de poder
encontrar la expresioacuten que involucre la relacioacuten tensioacuten de la bateriacutea vs estado de
descarga de esta forma se tiene lo siguiente
Figura 412 tensioacuten de la bateriacutea VS estado de carga
De la anterior regresioacuten se tiene entonces
119881119898iacute119899119887119886119905 = 0012 119878119900119888 + 116 120786 120785
En donde
119878119900119888 estado de carga de la bateriacutea (State of charge)
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima de la bateriacutea al liacutemite de descarga especificado
El estado de carga de la bateriacutea se puede representar como liacutemite de descarga de
la siguiente manera
119878119900119888 = 100 minus lim 120786 120786
En donde el valor del liacutemite de descarga seraacute el calculado en la interfaz
representada en la figura 48 (Disentildeo del banco de bateriacuteas) con el nombre de
ldquoliacutemite de descarga adjuntado al arreglordquo
Es usual que la mayoriacutea de bateriacuteas de uso solar trabajen a 12V sin embargo
existen bateriacuteas que tiene valores distintos los maacutes usuales son 2V y 6V a pesar
de esto la construccioacuten de la bateriacutea es la misma por tanto se puede adaptar la
Y = 0012X + 116
114
116
118
12
122
124
126
128
13
0 20 40 60 80 100 120
Tensioacuten de la bateria VS Estado de carga
112
anterior relacioacuten dividiendo entre 2 para el caso de bateriacuteas de 6V y entre 6 para el
caso de bateriacuteas de 2V
Para encontrar entonces la tensioacuten miacutenima del banco de bateriacuteas se debe primero
encontrar el nuacutemero de bateriacuteas en serie De la siguiente forma
119873119887119886119905_119904119890119903119894119890 =119881119900
119881119887119886119905 120786 120787
El nuacutemero de bateriacuteas en serie tomaraacute valores enteros siempre y cuando la
bateriacutea tenga tensiones de 12V 6V o 2V En este trabajo se limita el uso de
bateriacuteas con estos tres tipos de tensiones
Una vez encontrado el nuacutemero de bateriacuteas en serie y la tensioacuten miacutenima de la
bateriacutea escogida para la aplicacioacuten se puede encontrar la tensioacuten miacutenima del
banco de bateriacuteas de la siguiente forma
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898119894119899119887119886119905 120786 120788
En donde
119881119898119894119899119887119886119905 tensioacuten miacutenima en funcioacuten del estado de carga de la bateriacutea
Asiacute entonces una vez encontrado el valor de la tensioacuten miacutenima del banco de
bateriacuteas y la tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico el aplicativo verifica los
valores de tensioacuten de la siguiente forma
60 le119881119898iacute119899119887119886119899119888119900 100
119881119898119901 119898iacute119899 120786 120789
En done
119881119898119894119899119887119886119899119888119900 tensioacuten cuando el banco de bateriacuteas esta descargado
119881119898119901 119898119894119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre menos moacutedulos en serie escoger otro panel con menor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de aumentar el nuacutemero de
bateriacuteas en serie
113
La segunda comparacioacuten que se hace en el recuadro ldquoverificacioacuten de las tensiones
MPPrdquo es acerca de la tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico y la
maacutexima tensioacuten del banco de bateriacuteas
La tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas seraacute funcioacuten de la tensioacuten maacutexima de
carga de la bateriacutea y el nuacutemero de bateriacuteas en serie
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar al banco de bateriacuteas la tensioacuten necesaria
para cargarlo este dato seraacute funcioacuten de la tensioacuten de carga ciacuteclica (Cyclic
charging voltaje) especificado por el fabricante de la bateriacutea El usuario debe
especificar este dato en la interfaz representada con la figura 48 (Disentildeo del
banco de bateriacuteas)
Una vez especificado la tensioacuten de carga ciacuteclica el aplicativo podraacute calcular la
tensioacuten maacutexima vista desde el arreglo fotovoltaico para cargar el banco de
bateriacuteas a continuacioacuten se muestra coacutemo
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 = 119873119887119886119905119904119890119903119894119890 119881119898aacute119909119887119886119905 120786 120790
119873119887119886119905119904119890119903119894119890 nuacutemero de bateriacuteas en serie
119881119898119886119909119887119886119905 tensioacuten maacutexima de la bateriacutea
119881119898119886119909119887119886119899119888119900 tensioacuten maacutexima del banco de bateriacuteas
El arreglo fotovoltaico deberaacute suministrar la tensioacuten necesaria para que el banco
de bateriacuteas se cargue de manera satisfactoria por tanto en la etapa de disentildeo del
sistema fotovoltaico se debe garantizar que la tensioacuten maacutexima requerida por el
banco de bateriacuteas no sea mayor a la tensioacuten que puede suministrar el arreglo
fotovoltaico de esta forma el aplicativo deberaacute verificar esta situacioacuten
119881119898aacute119909119887119886119899119888119900 lt 119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 120786 120791
En donde
119881119898119901 119898aacute119909119894119898119900 tensioacuten maacutexima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo temperatura
promedio miacutenima
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten del arreglo fotovoltaico
que involucre maacutes moacutedulos en serie escoger otro panel con mayor tensioacuten o
escoger otro valor de tensioacuten del sistema con el fin de que disminuya el nuacutemero de
bateriacuteas en serie y por tanto la tensioacuten maacutexima de carga del banco
114
42122 Verificacioacuten de la corriente nominal del regulador
El aplicativo propuesto para este trabajo evaluacutea la capacidad de corriente que el
regulador de carga puede transmitir con la corriente de cortocircuito del arreglo
fotovoltaico junto con un factor de seguridad el 25
La corriente de cortocircuito del regulador se calcula seguacuten el nuacutemero de cadenas
en paralelo y la corriente de cortocircuito de cada panel solar De la siguiente
forma
119868119888119888_119886119903119903119886119910 = 119873119904119905119903119894119899119892 119894119888119888 125 120786 120783120782
En donde
119868119888119888_119886119903119903119886119910 corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico
119873119904119905119903119894119899119892 nuacutemero de cadenas en paralelo seguacuten configuracioacuten escogida
119894119888119888 corriente de cortocircuito del moacutedulo escogido
En la etapa de disentildeo del sistema fotovoltaico este valor de corriente deberaacute ser
menor a la capacidad de corriente maacutexima del regulador de carga con el fin de
que no sufra dantildeos graves bajo esta circunstancia Aunque los valores
especificados por el fabricante del panel solar estaacuten dados bajo las STC es muy
comuacuten que las aplicaciones solares discrepen de dichas condiciones en ciertas
horas del diacutea se puede obtener valores mayores a los 1000119882 1198982frasl lo que
aumentaraacute la produccioacuten de corriente eleacutectrica es por esta razoacuten que se supone
un 25 de factor de seguridad con el fin de darle al regulador un mejor
dimensionamiento en condiciones de mucha radiacioacuten solar
Seguacuten lo anterior el aplicativo deberaacute hacer la siguiente verificacioacuten
119868119888119888_119886119903119903119886119910 lt 119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120783
En donde
119868maacutex _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 corriente maacutexima del regulador PWM especificada por el fabricante
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de cadenas del arreglo yo cambiando el regulador PWM por otro con
mayor capacidad de corriente
42123 Verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador
115
En la seccioacuten 4221 se hacen las verificaciones pertinentes a las tensiones de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico para este caso se hace algo muy similar solo
que ya no se tienen en cuenta la tensioacuten de operacioacuten del panel solar si no la
tensioacuten de circuito abierto y junto con la temperatura promedio miacutenima producen la
mayor tensioacuten que el arreglo fotovoltaico pueda alcanzar Asiacute entonces se busca
que el regulador de carga sea capaz de soportar dicha condicioacuten y por tanto en la
etapa de disentildeo se necesita que el aplicativo calcule este dato
Asiacute entonces al aplicar la ecuacioacuten 21 se obtiene el valor de la tensioacuten maacutexima
del arreglo fotovoltaico y en la interfaz descrita en la anterior figura el aplicativo
verificaraacute que dicha tensioacuten no sea mayor a la maacutexima que el regulador de carga
PWM pueda soportar De esta forma se tiene
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 lt 119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 120786 120783120784
119881119898aacute119909 _119903119890119892119906119897119886119889119900119903 tensioacuten maacutexima del regulador de carga especificada por el
fabricante
119881119898aacute119909119886119903119903119890119892119897119900 tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de temperatura baja
promedio
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga los
cambios pertinentes tales como escoger otra configuracioacuten que disminuya el
nuacutemero de paneles en serie del arreglo escogiendo otro panel que tenga menor
tensioacuten de circuito abierto yo cambiando el regulador PWM por otro con mayor
capacidad de tensioacuten
42124 Verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor
El aplicativo propuesto para este trabajo verifica que los valores de tensioacuten DC y
potencia maacutexima del grupo de cargas del sistema fotovoltaico sean adecuados
con los valores del inversor escogido el usuario tendraacute entonces una valoracioacuten
acerca de si el dispositivo se puede usar para la aplicacioacuten a desarrollar o si por el
contrario es necesario cambiarlo
En la interfaz representada en la figura 45 (Modelamiento del inversor autoacutenomo)
se entrega al usuario la informacioacuten acerca de la potencia maacutexima que el conjunto
de cargas alcanzariacutea si todo estuviese interconectado a la vez Este trabajo
propone que el inversor sea capaz de soportar dicha situacioacuten con el fin de que
116
las personas beneficiadas de la instalacioacuten solar no tengan limitantes respecto al
nuacutemero de aparatos eleacutectricos que quieran interconectar para lograr esto el
aplicativo verificaraacute que la potencia del inversor escogido por el usuario pueda
operar bajo dicho evento De esta forma se tiene
119875119879119860119862 lt 119875119894119899119907119890119903119904119900119903 120786 120783120785
119875119879119860119862 potencia maacutexima de la demanda
119875119894119899119907119890119903119904119900119903 potencia nominal del inversor especificada por el fabricante Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y haga el
cambio pertinente del inversor debido a que este no podraacute trabajar bajo esas
circunstancias
La otra verificacioacuten que el aplicativo hace es acerca de la tensioacuten nominal de
entrada al inversor que es de caraacutecter continuo Este valor deberaacute ser igual a la
tensioacuten del sistema que a su vez seraacute la tensioacuten a la que operaraacute el banco de
bateriacuteas De esta forma se tiene que
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 = 1198810 120786 120783120786
119881119863119862 119894119899119907119890119903119904119900119903 tensioacuten nominal a la entrada del inversor
1198810 tensioacuten del sistema
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten y cambie
el inversor por uno que se acople a la tensioacuten escogida del sistema a desarrollar
Con esta comparacioacuten termina el modelamiento de un sistema fotovoltaico aislado
con regulador PWM usando el aplicativo propuesto
4213 Modelamiento del sistema usando regulador MPPT
La figura 413 representa la interfaz para modelar un sistema fotovoltaico con
regulador MPPT para acceder a esta el usuario deberaacute escoger el iacutecono
ldquoREGULADOR MPPTrdquo en la interfaz representada con la figura 49 (Seleccioacuten tipo
de regulador de carga)
117
Figura 413 Regulador MPPT
En esta interfaz se entrega al usuario informacioacuten necesaria para encontrar un
regulador tipo MPPT que se ajuste al arreglo fotovoltaico dicha informacioacuten
aparece cuando el usuario escoge el iacutecono ldquoCALCULARrdquo y se describe a
continuacioacuten
Corriente maacutexima de la carga al igual que con el regulador PWM el regulador
MPPT tiene un valor maacuteximo de corriente a la salida para el cual fue disentildeado por
tanto se busca que el regulador sea capaz de soportar la corriente maacutexima de la
carga calculada con la expresioacuten 41
Potencia fotovoltaica instalada este dato da al usuario un indicio del regulador
MPPT que debe escoger debido a que es la potencia que debe transmitir a las
cargas Se calcula de la siguiente forma
119875119891119907_119894119899119904119905 = 119873119901119886119899119890119897119890119904 119875119898119901119901 120786 120783120787
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada
119873119901119886119899119890119897119890119904 nuacutemero de paneles calculados
119875119898119901119901 potencia del panel en condiciones STC
Configuracioacuten del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten tiene como fin que el
usuario conozca las posibles formas de conexioacuten del nuacutemero de moacutedulos
calculados en la interfaz descrita en la figura 47 (Potencia fotovoltaica calculada o
118
necesaria) dicha seleccioacuten se hace deslizando el ldquopop-up menuacuterdquo ubicado en el
recuadro de ldquointerconexioacuten de moacutedulosrdquo asiacute entonces el usuario podraacute escoger la
opcioacuten que crea pertinente sin embargo en la verificacioacuten del sistema se
corrobora que los niveles de tensioacuten del arreglo sean adecuados para el regulador
de no ser adecuados el usuario deberaacute cambiar la configuracioacuten o escoger otro
regulador
De manera similar a la interfaz que representa al modelamiento del regulador
PWM una vez que el usuario haya escogido la opcioacuten pertinente se daraacute a
conocer la informacioacuten acerca de tensioacuten 119881119898119901 (punto de maacutexima potencia) del
arreglo fotovoltaico y corriente de cortocircuito del arreglo esta informacioacuten deberaacute
de ser corroborada junto con las caracteriacutesticas eleacutectricas nominales del regulador
A continuacioacuten se explica cada teacutermino
Potencia nominal DC del regulador este dato es especificado por el fabricante del
regulador y significa la cantidad de potencia que el regulador MPPT puede
transmitir desde el arreglo fotovoltaico a las cargas y al banco de bateriacuteas En
algunas eacutepocas del antildeo los arreglos fotovoltaicos pueden producir maacutes potencia
de la especificada por el fabricante del regulador este podraacute soportar dicha
situacioacuten pero solo aprovecharaacute la potencia especificada por el fabricante el resto
la desecharaacute
Tensioacuten maacutexima admisible por el regulador como todo dispositivo electroacutenico los
reguladores de carga tipo MPPT poseen un liacutemite de tensioacuten maacutexima este dato es
especificado por el fabricante y depende netamente de su construccioacuten y
componentes operar por encima de dicho liacutemite podraacute dantildear el regulador o reducir
su esperanza de vida Aunque algunos fabricantes de reguladores poseen una
proteccioacuten contra sobretensiones se recomienda instalar protecciones por aparte
tales como DPS (Dispositivo de Proteccioacuten contra Sobretensiones) en la entrada
de regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con el fin de brindarle un mayor
respaldo al regulador
Maacutexima corriente a la entrada del regulador MPPT al igual que en el caso de la
tensioacuten los reguladores de carga MPPT poseen un liacutemite de corriente que
depende netamente de la construccioacuten del dispositivo estos valores son
especificados en las hojas teacutecnicas del regulador facilitadas por el fabricante con
el fin de que el usuario sepa cuanta corriente el arreglo fotovoltaico puede debe
producir para no dantildear el dispositivo Aunque algunos fabricantes de reguladores
poseen una proteccioacuten contra sobre-corrientes se recomienda instalar
protecciones en la entrada del regulador (salida del arreglo fotovoltaico) Esto con
119
el fin de abrir el circuito del sistema cuando se desea hacer un mantenimiento o
reparar el regulador y brindarle un mayor respaldo contra fallas al regulador
Liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor miacutenimo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por debajo de este liacutemite causaraacute que el regulador se apague por tanto se intenta
que la tensioacuten de operacioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico calculada con la
maacutexima temperatura promedio sea mayor a este valor asiacute se garantiza que el
arreglo fotovoltaico opere en el punto de maacutexima potencia en todo momento
Liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el fabricante este
teacutermino especifica el valor maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador operar
por encima de este liacutemite implica que el regulador no rastrearaacute el punto de maacutexima
potencia y si alcanza valores muy elevados pondraacute en riesgo el funcionamiento del
regulador por tanto se intenta que la tensioacuten de operacioacuten maacutexima del arreglo
fotovoltaico que es calculada con la temperatura promedio miacutenima sea menor a
este valor asiacute se garantiza que el arreglo fotovoltaico opere en el punto de
maacutexima potencia y no se ponga en riesgo el funcionamiento del dispositivo
Ya con toda la informacioacuten previamente entregada el usuario deberaacute buscar un
regulador de carga PWM que se adapte a las condiciones del arreglo fotovoltaico
y llenar la informacioacuten en los espacios pertinentes a tensioacuten maacutexima admisible por
el regulador potencia nominal DC del regulador maacutexima corriente a la entrada del
regulador MPPT liacutemite miacutenimo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante y liacutemite maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificado por el
fabricante Estos datos seraacuten evaluados en la interfaz siguiente en donde se
concluiraacute si el inversor es apto o no para la aplicacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de la seleccioacuten de tipo de regulador
de carga seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoVERIFICACIOacuteN DEL SISTEMArdquo
4214 Verificacioacuten sistema aislado con regulador MPPT
La figura 414 representa a la interfaz que tiene como objetivo verificar que los
valores de tensioacuten corriente y potencia del sistema fotovoltaico sean adecuados
para los valores nominales de los dispositivos escogidos Esta comparacioacuten puede
llevarse a cabo seleccionando el iacutecono ldquoCALCULARrdquo si existen valores que no
son adecuados se produce un mensaje en el recuadro de recomendaciones
avisando al usuario que existe un error y la manera de solucionarlo A
continuacioacuten se explicaraacute las comparaciones de valores en cada recuadro de la
interfaz
120
Figura 414 Verificacioacuten del sistema con regulador MPPT
42141 Verificacioacuten de las tensiones MPP con regulador tipo MPPT
De manera similar a la seccioacuten 4221 (Verificacioacuten de las tensiones MPP usando
regulador PWM) el aplicativo calcula las tensiones maacuteximas y miacutenimas en funcioacuten
de la temperatura promedio miacutenima y maacutexima respectivamente la gran diferencia
radica en que la verificacioacuten no se hace respecto a las tensiones de carga y
descarga del banco de bateriacuteas si no respecto a la ventana de tensioacuten de
seguimiento de punto de maacutexima potencia del regulador MPPT que es
especificado por el fabricante De esta manera en la etapa de verificacioacuten del
sistema el aplicativo deberaacute hacer las siguientes comparaciones
119881119898119901 119898iacute119899 gt 119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 120786 120783120788
119881119898119901 119898aacute119909 le 119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 120786 120783120789
En donde
119881119898119901 119898iacute119899 tensioacuten miacutenima del arreglo fotovoltaico bajo miacutenima temperatura
promedio
119881119898119901 119898aacute119909 tensioacuten maacutexima del arreglo fotovoltaico bajo maacutexima temperatura
promedio
119881119904119890119892_119898119901_119898iacute119899 liacutemite de tensioacuten miacutenima de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
121
119881119904119890119892_119898119901_119898aacute119909 liacutemite de tensioacuten maacuteximo de la ventana de tensioacuten del regulador
especificado por el fabricante
Si alguna de las anteriores expresiones no se cumplen en el recuadro de
recomendaciones se hace un comentario con el fin de que el usuario se entere de
dicha situacioacuten y haga los cambios pertinentes tales como escoger otra
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico que ajuste los niveles de tensioacuten del inversor
escoger otro panel con mejor caracteriacutesticas de tensioacuten o escoger otro inversor
cuya ventana de tensioacuten se ajuste a las caracteriacutesticas del arreglo fotovoltaico
42142 Verificacioacuten de la potencia corriente y tensioacuten maacutexima del regulador
MPPT
Seguacuten las caracteriacutesticas constructivas del regulador y sus componentes el
regulador podraacute transmitir cierta cantidad de potencia desde el arreglo fotovoltaico
hacia las cargas por tanto en la etapa de disentildeo se intenta que el regulador tipo
MPPT tenga un liacutemite de potencia tal que sea mayor a la potencia del arreglo
fotovoltaico De esta forma el aplicativo deberaacute verificar lo siguiente
119875119891119907_119894119899119904119905 le 119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 120786 120783120790
En donde
119875119891119907_119894119899119904119905 potencia fotovoltaica instalada (ver expresioacuten 415)
119875119863119862119903119890119892119872119875119875119879 potencia DC a la entrada del regulador de carga tipo MPPT
Si la anterior expresioacuten no se cumple en el recuadro de recomendaciones se hace
un comentario con el fin de que el usuario se entere de dicha situacioacuten Se
recomendaraacute cambiar de regulador por otro con mayor capacidad de potencia con
el fin de aprovechar la potencia generada por el arreglo suponiendo las STC cabe
aclarar que hay eacutepocas del antildeo en donde se puede encontrar una irradiancia
mayor a los 1000119882 1198982frasl por tanto el arreglo fotovoltaico podraacute generar mayor
potencia eleacutectrica que la estipulada por la potencia fotovoltaica calculada bajo las
STC (ver expresioacuten 415) esta situacioacuten no pone en riesgo el regulador de carga
debido a que el regulador solo entregaraacute la potencia nominal y el resto no la
aprovecharaacute generando sistemas fotovoltaicos maacutes ineficientes
Las demaacutes verificaciones de caracteriacutesticas eleacutectricas del regulador MPPT y del
inversor tales como corriente maacutexima del regulador tensioacuten maacutexima del regulador
tensioacuten nominal del inversor y potencia AC del inversor seraacuten iguales a las
realizadas en el caso de las secciones 4222 4223 y 4224 (verificacioacuten de la
122
corriente nominal del regulador verificacioacuten de la tensioacuten maacutexima del regulador y
verificacioacuten de los paraacutemetros del inversor respectivamente)
De esta manera finaliza la descripcioacuten del aplicativo respecto a sistemas
fotovoltaicos aislados o autoacutenomos con esta propuesta se intenta que la empresa
Colombian Solar Systems SAS pueda disentildear sistemas fotovoltaicos de manera
sencilla y raacutepida teniendo en cuenta la teoriacutea respecto a dichos sistemas existente
en el capiacutetulo dos
422 Disentildeo de sistemas fotovoltaicos interconectados a red sin respaldo de
bateriacuteas con aplicativo propuesto
En la interfaz representada en la figura 42 (seleccioacuten de tipo de sistema
fotovoltaico) al seleccionar ldquoSISTEMA INTERCONECTADO A REDrdquo el aplicativo
hace llamado a la interfaz descrita en la figura 415
Figura 415 Paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema interconectado a red
La figura 415 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
especifique la radiacioacuten mensual en cada mes durante un antildeo (paraacutemetro en
kWhm2 explicado en la seccioacuten 222 Recurso solar) el consumo mes a mes proporcionado por la empresa electrificadora correspondiente (paraacutemetro en kWhmes explicado en la seccioacuten 322 Estudio del consumo anual) y el porcentaje de consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar (explicado en la seccioacuten 323) El usuario podraacute entregar estos datos llenando la tabla correspondiente sin embargo suele ser arduo digitar todos estos datos por lo que el aplicativo podraacute importar los datos desde una tabla de Excel para esto el usuario debe seleccionar el ldquoradio buttonrdquo llamado ldquoExportar datos de Excelrdquo una vez seleccionado
123
apareceraacute un botoacuten llamado ldquoAbrir formato para importacioacutenrdquo el cual hace un llamado a un archivo Excel con las siguientes caracteriacutesticas mostradas en la figura 416
Figura 416 Tabla para importar datos de Excel
Las herramientas encargadas de calcular el recurso solar en una superficie inclinada en una zona especiacutefica comuacutenmente tienen la opcioacuten de exportar los datos a una tabla de Excel lo que facilitaraacute que el usuario pueda pegar dichos datos al formato de importacioacuten llamado desde el aplicativo Una vez listos los datos en el formato se debe seleccionar la regioacuten que se desea exportar a Matlab y regresar a la interfaz descrita en la figura 415 en donde aparece un mensaje descrito en la imagen a continuacioacuten
124
Figura 417 Cuadro de diaacutelogo para importar datos de Excel a Matlab
Al seleccionar ldquoOKrdquo aparecen los datos correspondientes en la tabla de la interfaz
representada en la figura 415 (paraacutemetros de consumo y recurso solar sistema
interconectado a red)
Ya con los datos de consumo y recurso solar el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten correspondiente al porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar este dato determinaraacute el tamantildeo del arreglo fotovoltaico y del
inversor y por tanto dependeraacute del presupuesto que se disponga para la
instalacioacuten solar tambieacuten se recomienda que no sea un valor muy grande debido
a que es muy probable que se ldquoempujerdquo energiacutea a la red cabe recordar que en un
entorno como el de Colombia no generaraacute ninguna ventaja econoacutemica bajo esta
situacioacuten
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca seleccioacuten tipo de sistema fotovoltaico
seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 418 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario se
pueda enterar de lo que seraacute el arreglo fotovoltaico para cumplir con el porcentaje
de consumo que se desea suplir con energiacutea solar seguacuten su consumo a lo largo
de un antildeo proporcionado por la empresa prestadora del servicio y del recurso
solar en la zona donde se desea hacer la instalacioacuten solar para esto el usuario
deberaacute escoger en la interfaz graacutefica el botoacuten ldquoCALCULARrdquo Cabe resaltar que el
resultado entregado en este paso es la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
que no siempre seraacute divisible exactamente por la potencia en STC de un panel
fotovoltaico por tanto es necesario que el usuario entregue a continuacioacuten las
125
caracteriacutesticas del panel solar que se desea usar se debe intentar escoger un
moacutedulo tal que al utilizar varios moacutedulos de estos la suma de potencia se aproxime
tanto como sea posible a la potencia fotovoltaica calculada o necesaria
anteriormente calculada de esto dependeraacute que el arreglo fotovoltaico produzca el
porcentaje de consumo que se requiere suplir con energiacutea solar y no un porcentaje
mucho mayor (debido a que el aplicativo estaacute programado para aproximar el
nuacutemero de paneles al entero mayor maacutes cercano)
Figura 418 Caacutelculo de potencia fotovoltaica instalada
Una vez entregada la informacioacuten del panel que se desea utilizar el usuario podraacute
conocer el nuacutemero de paneles que se necesitan para la aplicacioacuten para esto el
usuario debe escoger en el recuadro llamado ldquoPotencia fotovoltaica instaladardquo el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo a continuacioacuten aparece el nuacutemero de moacutedulos necesarios la
potencia fotovoltaica instalada y la posible interconexioacuten de los paneles seguacuten el
nuacutemero de paneles calculado
El aplicativo calcularaacute los valores de tensioacuten miacutenimos y maacuteximos en operacioacuten del
arreglo fotovoltaico seguacuten la configuracioacuten escogida por el usuario Seguacuten las
expresiones 21 22 y 23 (tensioacuten maacutexima del arreglo bajo la influencia de
temperatura baja promedio tensioacuten miacutenima de operacioacuten del arreglo fotovoltaico
bajo la influencia de una temperatura alta promedio y tensioacuten maacutexima de
operacioacuten del arreglo fotovoltaico bajo la influencia de una temperatura baja
promedio respectivamente) el usuario deberaacute consultar los valores de temperatura
promedio miacutenima y maacutexima en la zona en donde se desea hacer la instalacioacuten del
arreglo fotovoltaico esto con el fin de que el aplicativo pueda verificar que los
126
niveles de tensioacuten del arreglo fotovoltaico sean adecuados para el inversor
interactivo con la red escogido por el usuario Por tanto el usuario deberaacute entregar
los datos de temperatura en los espacios pertinentes en la parte inferior de la
interfaz
Una vez entregados los datos de temperatura el usuario podraacute escoger la
configuracioacuten del arreglo fotovoltaico (nuacutemero de paneles en serie y nuacutemero de
cadenas en paralelo) desplegando el ldquopop-up menuacuterdquo en el recuadro de
ldquointerconexioacutenrdquo Una vez seleccionada la opcioacuten aparece el dato de tensioacuten mpp
del arreglo fotovoltaico esta informacioacuten daraacute un indicio del valor de tensioacuten que el
arreglo fotovoltaico podraacute alcanzar en STC y seguacuten el nuacutemero de paneles en serie
especificado en la opcioacuten escogida por el usuario
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca de los paraacutemetros de consumo y
recurso solar del sistema interconectado a red seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute
continuar con el disentildeo seleccionando ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 419 representa la interfaz que pretende que el usuario reciba la
informacioacuten necesaria para que pueda escoger un inversor interactivo con la red
que se adapte al arreglo fotovoltaico para esto el usuario debe seleccionar el
botoacuten ldquoCALCULARrdquo en el recuadro ldquomodelamiento del inversor interactivo con la
redrdquo A continuacioacuten apareceraacute la informacioacuten pertinente a corriente de
cortocircuito del arreglo tensioacuten MPP del arreglo fotovoltaico y potencia
fotovoltaica calculada Dichos conceptos son iguales a los del sistema autoacutenomo
por tanto se calculan seguacuten las expresiones 410 42 y 415 respectivamente
127
Figura 419 Inversor interactivo con la red eleacutectrica
El usuario en primera instancia deberaacute buscar un inversor interactivo con la red
que pueda operar la potencia del arreglo fotovoltaico y se adapte a los valores
nominales de la red (tensioacuten frecuencia y fase en el caso de un inversor trifaacutesico)
una vez encontrado un inversor candidato el usuario deberaacute entregar la
informacioacuten pertinente a dicho inversor en los espacios ubicados en la parte
inferior de la interfaz Debido a que el inversor interactivo con la red tiene
caracteriacutesticas similares al regulador con seguimiento MPP los conceptos
pertinentes a potencia nominal del inversor tensioacuten maacutexima admisible por el
inversor corriente maacutexima a la entrada del inversor eficiencia del inversor y liacutemite
miacutenimo y maacuteximo de tensioacuten de seguimiento especificada por el fabricante seraacuten
los mismos a los utilizados en la seccioacuten 4213 (modelamiento del sistema
usando regulador mppt)
El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del caacutelculo de potencia fotovoltaica
instalada seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con el disentildeo seleccionando
ldquoSIGUIENTErdquo
La figura 420 representa la interfaz que tiene como objetivo que el usuario
identifique posibles errores del inversor candidato (escogido en la interfaz
representada en la figura 419 inversor interactivo con la red eleacutectrica) el
aplicativo se encarga de hacer sugerencias en el disentildeo del sistema de acuerdo al
error encontrado en el caacutelculo Debido a que este tipo de inversores tiene
caracteriacutesticas similares al de un regulador con seguimiento mpp de un sistema
autoacutenomo las verificaciones realizadas en la seccioacuten 4214 (verificacioacuten sistema
aislado con regulador mppt) seraacuten las mismas que para este caso
128
Figura 420 Verificacioacuten de sistema interconectado a red
Adicional a la verificacioacuten de sistema fotovoltaico interactivo con la red el
aplicativo calcula un informe en donde resume el comportamiento del sistema mes
a mes El usuario podraacute regresar a la interfaz acerca del inversor interactivo con la
red eleacutectrica seleccionando ldquoATRAacuteSrdquo o podraacute continuar con la interfaz acerca del
informe del sistema interconectado a red seleccionando ldquoINFORMErdquo
La figura 421 representa la interfaz que muestra el comportamiento de un sistema
fotovoltaico interconectado a red a lo largo del antildeo El diagrama de barras
muestra la demanda de energiacutea y la energiacutea que el sistema fotovoltaico produce
mes a mes de acuerdo a la potencia fotovoltaica instalada que en este caso es de
15kW la variacioacuten de la produccioacuten energeacutetica por parte del sistema fotovoltaico
dependeraacute de la variacioacuten del recurso solar mes a mes en la zona donde se
requiere de la instalacioacuten en este caso se usoacute la informacioacuten proporcionada por el
software PVSol para un plano inclinado a 10deg acimut 0deg y los datos de medicioacuten
hechas en la estacioacuten del Aeropuerto Matecantildea La primera fila de la tabla
muestra el paraacutemetro 119919119956119953119946119940119952 (Vector horas solar pico a lo largo del antildeo en hd)
que resume el comportamiento del recurso solar en el antildeo de estudio dicha tabla
tambieacuten contiene informacioacuten acerca de la demanda de energiacutea eleacutectrica
especificada como en la seccioacuten 322 la generacioacuten de energiacutea por parte del
arreglo bajo el recurso solar especificada como 120643119943 119946 en la seccioacuten 331 y
porcentaje de energiacutea que el sistema fotovoltaico produce con respecto a la
demanda especificado en la seccioacuten 323 Esto con el fin de que el usuario pueda
observar en una misma interfaz la influencia del recurso solar con la generacioacuten de
129
energiacutea del sistema fotovoltaico y el comportamiento de lo que seraacute el arreglo
fotovoltaico
Figura 421 Informe sistema fotovoltaico interconectado a red
Esta interfaz termina con el resumen anual de la produccioacuten energeacutetica del sistema el consumo de energiacutea anual y el porcentaje que el sistema fotovoltaico produciraacute al final del antildeo en funcioacuten del tamantildeo del arreglo fotovoltaico del recurso solar y de la eficiencia del inversor interactivo con la red De esta forma se pretende aplicar la teoriacutea acerca de sistemas fotovoltaicos vista
en los anteriores 3 capiacutetulos en un aplicativo para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos propuesta presentada para la empresa Colombian Solar Systems
SAS a manera de praacutectica conducente a trabajo de grado A continuacioacuten se
presenta la comparacioacuten respecto a dos metodologiacuteas de disentildeo la primera
mediante el aplicativo propuesto en este capiacutetulo y la segunda con la simulacioacuten
desarrollada por el software PVSol expert
130
Capiacutetulo 5
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En este capiacutetulo se pretende exponer y comparar los resultados obtenidos por la
metodologiacutea planteada para el aplicativo propuesto para disentildeo de sistemas
fotovoltaicos y la metodologiacutea de simulacioacuten mediante software comercial
PVSOLreg
Para corroborar la viabilidad de los disentildeos del aplicativo se propuso comparar sus
resultados con los obtenidos por otra metodologiacutea para este caso se utilizoacute la
simulacioacuten en un software especializado PVSOLreg Se propuso desarrollar 4
sistemas fotovoltaicos aislados y 3 sistemas fotovoltaicos interconectados a red
todos desarrollados en territorio colombiano y adquiridos bajo la experiencia de la
empresa Colombian Solar Systems SAS Con esta comparacioacuten se pretende
verificar si los disentildeos obtenidos por el aplicativo son resultados similares o si por
el contrario son muy alejados a los obtenidos por el software cabe resaltar que al
encontrar resultados similares no se garantiza un disentildeo enteramente confiable
sin embargo se puede dar un excelente indicio de un sistema fotovoltaico que esteacute
cercano a suministrar el 100 de la demanda si por el contrario se encuentran
resultados con un amplio margen de error se motiva el estudio para buscar una
metodologiacutea que tenga en cuenta nuevas teoriacuteas y nuevos estudios Sin embargo
para abordar claramente dicha comparacioacuten es necesario hacer una descripcioacuten
acerca de la metodologiacutea sobre disentildeo de sistemas fotovoltaicos con el software
PVSOLreg
51 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LA METODOLOGIacuteA DE SIMULACIOacuteN DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON SOFTWARE PVSOLreg
El software PVSOLreg ofrece a los ingenieros y arquitectos una metodologiacutea faacutecil de
usar disentildeada para la praacutectica real tanto para el dimensionamiento como para el
disentildeo la simulacioacuten dinaacutemica y la evaluacioacuten de rendimientos para instalaciones
de energiacutea solar fotovoltaica Estaacute disentildeado tanto para sistemas conectados a red
con inyeccioacuten total asiacute como para sistemas con inyeccioacuten del excedente a la red
El software PVSOLreg puede simular el almacenamiento de energiacutea en sistemas
con bateriacuteas e importar perfiles de carga medidos en pasos de 15 minutos y 1
minuto Ademaacutes puede calcular las peacuterdidas en las cadenas y las peacuterdidas por el
cableado ACDC por inversor Tambieacuten incluye la herramienta de visualizacioacuten en
3D y un caacutelculo detallado de las sombras en instalaciones conectadas a la red con
131
los moacutedulos tanto paralelos como integrados en la cubierta asiacute como sistemas
montados en tejado y en aacutereas libres
Estas son algunas caracteriacutesticas destacadas del software
Acceso a los datos climaacuteticos de maacutes de 8000 lugares en el mundo
Archivo completo con maacutes de 13000 moacutedulos y 3100 inversores
Caacutelculo graacutefico del nuacutemero de moacutedulos en el tejado con configuracioacuten de
varios tipos de tejado
Detallado caacutelculo de sombras con simulacioacuten 3D
Estas caracteriacutesticas sumadas con una experiencia de 20 antildeos en la simulacioacuten
de sistemas fotovoltaicos hace de esta una herramienta importante y por esta
razoacuten se propone usarla como referencia para comparar los resultados del disentildeo
generados por el aplicativo propuesto en el capiacutetulo 4
A continuacioacuten se dan las descripciones generales de los sistemas autoacutenomos
base con los que se haraacute la comparacioacuten
52 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTOacuteNOMOS BASE
Los sistemas fotovoltaicos piloto utilizados en este trabajo han sido aportados por
una base de datos propia de la empresa Colombian Solar Systems SAS esta
contiene peticiones de usuarios para soluciones energeacuteticas con sistemas
fotovoltaicos en distintos lugares del paiacutes
A continuacioacuten se presenta las caracteriacutesticas de demanda recurso solar y
estabilidad para cada piloto
521 Piloto sistema aislado 1
La primera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
132
Nuacutemero
de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de
la carga
6 12 4 Bombillos led
2 120 4 Televisor
2 180 6 Portaacutetil
1 200 1 Impresora
1 15 24 Modem
1 180 10 Nevera
Tabla 51 Datos de consumo del piloto 1
Los datos expuestos en la tabla 51 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
Figura 51 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
171971422 13148
1067 952 8949 9823 11232118021346712939
15553
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 30deg y acimut 0deg
133
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
Horas
solar pico
Enero 171972 555
Febrero 142198 508
Marzo 131477 424
Abril 106698 356
Mayo 95201 307
Junio 89485 298
Julio 98228 317
Agosto 112321 362
Septiembre 118016 393
Octubre 134671 434
Noviembre 129391 431
Diciembre 155527 502
Tabla 52 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea sistema fotovoltaico propuesta 1
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 298 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
134
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 298
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 53 Datos de estabilidad para la propuesta 1
522 PILOTO SISTEMA AISLADO 2
La propuesta dos tiene como objetivo resaltar la importancia del recurso solar en
el lugar donde se desea hacer la instalacioacuten al igual que analizar la importancia de
ajustar a valores adecuados la inclinacioacuten del arreglo de esta forma se planteoacute las
mismas condiciones de la propuesta 1 (tabla 51 Datos de consumo de la
propuesta 1) pero con el recurso solar obtenido en la estacioacuten climatoloacutegica del
aeropuerto en la Isla de San Andreacutes y ajustando la inclinacioacuten a un valor cercano a
la latitud El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se expondraacute a
continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la simulacioacuten
Figura 52 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto en la isla de San
Andreacutes seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 15deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la Irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
1684718425 204617784
13987136571332714115160591538113019
15325
050
100150200250
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 15degy acimut 0deg
135
MES IRRADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16847 543
Febrero 18425 658
Marzo 2046 66
Abril 17784 593
Mayo 13987 451
Junio 13657 455
Julio 13327 43
Agosto 14115 455
Septiembre 16059 535
Octubre 15381 496
Noviembre 13019 434
Diciembre 15325 494
Tabla 54 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
en la isla de San Andreacutes sistema fotovoltaico propuesta 2
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 43 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
136
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 43
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 55 Datos de estabilidad para la propuesta 2
523 PILOTO SISTEMA AISLADO 3
La tercera propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea ubicado en la ciudad de Pereira en el
departamento de Risaralda El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 60 2 Purificador de
agua
1 30 4 Equipo de
sonido
1 80 5 Televisor
1 10 3 Circuito de carga
para celular
6 9 5 Bombillos led
1 80 12 Nevera
Tabla 56 Datos de consumo de la propuesta 3
Los datos expuestos en la tabla 56 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea
con una inclinacioacuten de 10deg
137
Figura 53 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto Matecantildea seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 16417 53
Febrero 14159 506
Marzo 13941 45
Abril 11912 397
Mayo 11229 362
Junio 10858 362
Julio 11813 381
Agosto 12913 417
Septiembre 12807 427
Octubre 13706 442
1641714159 13941
11912 11229 10858 11813 12913 12807 13706 1272314889
0
50
100
150
200
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie nclinada 10deg y acimut 0deg
138
Noviembre 12723 424
Diciembre 14889 48
Tabla 57 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Matecantildea con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 3
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 362
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 12
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 58 Datos de estabilidad para la propuesta 3
524 Piloto Sistema Aislado 4
La cuarta propuesta fue una solicitud para un sector cercano a la estacioacuten
climatoloacutegica del aeropuerto Perales ubicado en la ciudad de Ibagueacute en el
departamento de Tolima el usuario solicita una solucioacuten para iluminar un sendero
peatonal con iluminacioacuten led y un sistema fotovoltaico el ensamble de todo el
sistema se realizaraacute en un poste por lo que el sistema fotovoltaico deberaacute ser
pequentildeo y liviano El recurso solar se exportoacute del software PVSOLreg y se
expondraacute a continuacioacuten junto con toda la informacioacuten necesaria para la
simulacioacuten
Nuacutemero de
elementos
Potencia
unitaria
Horas de
uso
promedio
Nombre de la
carga
1 100 12 Iluminaria Led
Tabla 59 Datos de consumo propuesta 4
139
Los datos expuestos en la tabla 59 son el resultado del estudio de cargas para
sistemas autoacutenomos expuesto en la seccioacuten 221 (Estimacioacuten del consumo y
carga) estos datos en general son proporcionados por el cliente dependiendo de
la certeza que se tenga con estos datos el sistema fotovoltaico suministraraacute total o
parcialmente este consumo A continuacioacuten se muestra el recurso solar adquirido
por el software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica del aeropuerto Perales
con una inclinacioacuten de 10deg
Figura 54 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto perales seguacuten
software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
Seguacuten el criterio de disentildeo propuesto para este trabajo de grado se busca la hora
solar pico promedio del mes de menor radiacioacuten promedio diaria para esto se
necesita el cociente entre la irradiacioacuten mes a mes y el nuacutemero de diacuteas de cada
mes tal y como se explicoacute en la seccioacuten 222 (Recurso solar)
A continuacioacuten se resume el resultado de las horas solar pico para este caso
MES RADIACIOacuteN
kWh119950120784
HORAS
SOLAR
PICO
Enero 14149 456
Febrero 11943 427
Marzo 12779 412
Abril 10328 344
Mayo 10725 346
1414911943 12779
10328 1072512195
10867 992811646 12202 12507 12695
0
50
100
150
RA
DIA
CIOacute
N
Irradiacioacuten sobre superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
140
Junio 12195 407
Julio 10867 351
Agosto 9928 32
Septiembre 11646 388
Octubre 12202 394
Noviembre 12507 417
Diciembre 12695 41
Tabla 510 Datos de radiacioacuten solar y Horas solar pico en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto
Perales con una inclinacioacuten de 10deg y acimut 0deg para sistema fotovoltaico propuesta 4
Para garantizar igualdad de condiciones en ambas metodologiacuteas se debe
garantizar que ambas operen bajo el mismo criterio de disentildeo por tanto se debe
proporcionar el dato de horas solar pico para el aplicativo de acuerdo al mes de
menor radiacioacuten del antildeo y programar el software para que tambieacuten opere de
acuerdo a este criterio esto es posible en el software al modificar el ldquopop-up
menuacuterdquo a la opcioacuten ldquoworst monthrdquo ubicado en la ventana llamada
ldquoDimensionamiento de sistemas autoacutenomosrdquo en el recuadro de criterios de
dimensionamiento Asiacute entonces se tiene para este caso 362 hd para el mes de
Junio
A continuacioacuten se resume las condiciones de estabilidad para esta aplicacioacuten
PARAacuteMETRO VALOR
Horas solar pico promedio del mes con menor radiacioacuten solar (hd) 32
Tiempo de recuperacioacuten del sistema (d) 15
Diacuteas de autonomiacutea (d) 2 Tabla 511 Datos de estabilidad para la propuesta 4
Ya con los datos de recurso solar tiempo de recuperacioacuten del sistema y diacuteas de
autonomiacutea se puede desarrollar el disentildeo del sistema fotovoltaico que constaraacute
del caacutelculo de la potencia fotovoltaica necesaria y de la capacidad del banco de
bateriacuteas debido a que a partir de estos dos datos se calcula el nuacutemero de
moacutedulos y de bateriacuteas dependiendo de la capacidad de potencia y capacidad de
almacenamiento respectivamente
53 RESULTADOS SISTEMA AUTOacuteNOMO
Los resultados de las anteriores propuestas para sistemas aislados se presentan
como la potencia fotovoltaica calculada y la capacidad necesaria del banco de
141
bateriacuteas con estos dos paraacutemetros el usuario podraacute calcular el nuacutemero de paneles
y bateriacuteas dependiendo de la potencia del panel que se desea usar y de la
capacidad de almacenamiento de la bateriacutea en particular respectivamente
(expresiones 225 y 212) Para el caacutelculo se supone una eficiencia del inversor del
90 y una eficiencia de la bateriacutea del 80 estos valores son usualmente
acogidos para disentildeos de sistemas fotovoltaicos [10]
A continuacioacuten se presentan los resultados de la simulacioacuten en el software
PVSOLreg y con el aplicativo propuesto para este trabajo
Resultados Piloto 1
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
2620 W 4807 Ah
Aplicativo 26703 W 534 Ah Tabla 512 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 1 para 21053kWhantildeo
Para este disentildeo descrito en la tabla 512 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900)
de 48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 2
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
1818 W 4807 Ah
Aplicativo 17389 W 534 Ah Tabla 513 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 2 para 21053kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 513 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
48V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 3
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
731 W 4757 Ah
Aplicativo 7289 W 5864 Ah Tabla 514 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 3 para 6935kWhantildeo
142
Para el disentildeo descrito en la tabla 514 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
Resultados Piloto 4
Metodologiacutea de disentildeo
Potencia fotovoltaica calculada
Capacidad del banco de
bateriacuteas en Ah
PVSOLreg expert
495 200 Ah
Aplicativo 48611 2777 Ah Tabla 515 Resultados de disentildeo sistema fotovoltaico propuesta 4 para 438kWhantildeo
Para el disentildeo descrito en la tabla 515 se adoptoacute una tensioacuten del sistema (119881119900) de
24V y un liacutemite de descarga del banco de bateriacuteas (119897iacute119898) del 50
54 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A RED
Las consultas por usuarios a la empresa Colombian Solar Systems SAS acerca
de este tipo de sistemas son menores que para el caso del sistemas fotovoltaicos
aislados sin embargo la base de datos que proporciona esta empresa puede
suministrar varias propuestas que se estudiaraacuten en esta seccioacuten
541 Piloto sistema interconectado a red 1
Esta propuesta fue solicitada por un usuario que necesitaba disminuir el consumo
de energiacutea eleacutectrica por parte de la electrificadora encargada en un eco hotel de
su propiedad por tanto acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 8220
Febrero 6120
Marzo 6960
Abril 8340
143
Mayo 6600
Junio 6660
Julio 6540
Agosto 7560
Septiembre 7320
Octubre 7800
Noviembre 9060
Diciembre 7800
Tabla 516 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 1 con 88980
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para el lugar exacto donde se
desea hacer la instalacioacuten solar A continuacioacuten se ilustra la interfaz graacutefica con la
que un usuario deberaacute interactuar para seleccionar el recurso solar en un lugar
exacto
Figura 55 Interfaz software PVSOL para seleccionar recurso solar en un lugar especiacutefico
144
Figura 56 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten seguacuten software PVSOLreg para
una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg en latitud 478deg y longitud -7569deg
En esta propuesta se plantea un 10 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
542 Piloto sistema interconectado a red 2
Esta propuesta fue solicitada por un grupo de usuarios que requieren alimentar
parte de su consumo con energiacutea solar en una zona residencial en la ciudad de
Bogotaacute por tanto se acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para
solicitar un estudio de este caso A continuacioacuten se presenta el consumo de
energiacutea eleacutectrica en el antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 823912
Febrero 744176
Marzo 823912
Abril 765136
Mayo 790644
Junio 76422
Julio 79926
Agosto 79926
1753 15272 15053 13025 12342 11971 12925 14025 1392 14819 13835 16002
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
145
Septiembre 77348
Octubre 793868
Noviembre 76826
Diciembre 793868
Tabla 517 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 2 con 9439996
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg para la estacioacuten climatoloacutegica
ubicada en el aeropuerto El Dorado en la ciudad de Bogotaacute La siguiente tabla
ilustra los datos obtenidos seguacuten el software PVSOLreg
Figura 57 Radiacioacuten solar obtenida en la estacioacuten climatoloacutegica del Aeropuerto El Dorado en la
ciudad de Bogotaacute seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 0deg
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
543 Piloto sistema interconectado a red 3
Esta propuesta fue solicitada por un usuario en la ciudad de Pasto para una
residencia el usuario busca disminuir el consumo de energiacutea por parte de la
electrificadora encargada y servir de referente para los demaacutes usuarios en la
unidad residencial haciacutea el autoconsumo con energiacuteas renovables por tanto se
acudioacute a la empresa Colombian Solar Systems SAS para solicitar un estudio de
un sistema fotovoltaico interconectado a la red Cabe resaltar que entre los
requerimientos del usuario estaacute el uso de una superficie inclinada a 10ordm y
orientacioacuten Norte (acimut 180ordm) para la instalacioacuten del arreglo fotovoltaico
1640914048 13989
11946 11222 10765 1178 12819 12832 13638 1279614967
050
100150200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 10degACIMUT 0deg
146
A continuacioacuten se presenta el consumo de energiacutea eleacutectrica en un antildeo de estudio
Mes Consumo
kWhmes
Enero 205978
Febrero 186044
Marzo 205978
Abril 191284
Mayo 197661
Junio 191055
Julio 199815
Agosto 199815
Septiembre 19337
Octubre 198467
Noviembre 192065
Diciembre 198467
Tabla 518 Consumo de energiacutea eleacutectrica propuesta sistema interconectado a red 3 con 2360
kWhantildeo
El recurso solar fue exportado del software PVSOLreg bajo el meacutetodo de
interpolacioacuten debido a la ausencia de una estacioacuten climatoloacutegica con nexo a la
base de datos de MeteoSyn (programa encargado de estudios sobre recurso solar
para software PVSOLreg) La siguiente tabla ilustra los datos obtenidos seguacuten el
software PVSOLreg
147
Figura 58 Radiacioacuten solar obtenida bajo meacutetodo de interpolacioacuten para la ciudad de Pasto
(Narintildeo) seguacuten software PVSOLreg para una superficie inclinada 10deg y acimut 180deg (hacia el norte)
En esta propuesta se plantea un 30 de porcentaje de consumo anual que se
desea suplir con energiacutea solar y un 90 de eficiencia en el inversor
A continuacioacuten se muestra las caracteriacutesticas de la siguiente propuesta para
sistemas interconectados a red
55 RESULTADOS PILOTOS SISTEMAS INTERCONECTADOS A RED
Para sistemas interconectados a la red el software PVSOLreg analiza el nuacutemero de
paneles que el usuario quiera implementar pero no consulta el porcentaje de
consumo anual que se desea suplir con energiacutea solar por parte del arreglo
fotovoltaico cabe recordar que este uacuteltimo es un paraacutemetro fundamental para el
dimensionamiento del arreglo fotovoltaico por parte del aplicativo propuesto por
este trabajo asiacute entonces se analizoacute en primera instancia cada propuesta con el
aplicativo teniendo en cuenta el porcentaje de consumo anual que se desea suplir
con energiacutea solar por parte del arreglo fotovoltaico para cada propuesta para asiacute
calcular un nuacutemero de paneles necesario que seraacute usado por el software
PVSOLreg Esto con el fin de que ambas metodologiacuteas calculen la energiacutea que un
sistema fotovoltaico podraacute suministrar a lo largo del antildeo del estudio
Dicha comparacioacuten ayudaraacute a verificar si el arreglo fotovoltaico calculado por el
aplicativo produce valores de energiacutea al antildeo similares o muy alejados a los
calculados por el software PVSOLreg cabe resaltar que el software calcula la
energiacutea que el arreglo produce cada diacutea del antildeo de acuerdo a la irradiacioacuten
exportada del recurso solar en el lugar donde se desea implementar el arreglo
fotovoltaico esto hace que sea una metodologiacutea adecuada para la comparacioacuten
A continuacioacuten se muestran los resultados para cada propuesta
551 Resultados sistema interconectado a red piloto 1
12384 10757 12208 12019 1265814763 13517 13448 13364 1283 11727 10961
0
50
100
150
200
RA
DIA
COacute
N
RADIACIOacuteN SUPERFICIE INCLINADA 15degACIMUT 180deg
148
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 516 y
el recurso solar expuesto en la figura 56 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 59 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 1
La tabla 519 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 1
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 1
Consumo anual 88980kWh
Porcentaje de energiacutea (dato inicial) 10
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 17072kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 24
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 9034kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 8235kWh
Tabla 519 Resultados propuesta 1 para sistema interconectado a red
149
552 Resultados sistema interconectado a red piloto 2
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 517 y
el recurso solar expuesto en la figura 57 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 510 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 2
La tabla 520 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 2
Consumo anual 9440kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 1572 kWhm2
Potencia del panel 245W
Nuacutemero de paneles 9
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 311987kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 2912kWh
Tabla 520 Resultados propuesta 2 para sistema interconectado a red
150
553 Resultados sistema interconectado a red piloto 3
La evaluacioacuten en el aplicativo para el perfil de consumo expuesto en la tabla 518 y
el recurso solar expuesto en la figura 58 arrojoacute los siguientes resultados
Figura 511 Resumen de comportamiento sistema fotovoltaico interconectado a red propuesta 3
La tabla 521 resume las caracteriacutesticas con las que se llevoacute a cabo el estudio y
los datos de energiacutea que produce el sistema fotovoltaico para la propuesta 2
seguacuten ambas metodologiacuteas
PROPUESTA 3
Consumo anual 2360kWh
Porcentaje de energiacutea 30
Eficiencia del inversor 90
Radiacioacuten anual 15066 kWhm2
Potencia del panel 180W
Nuacutemero de paneles 3
Energiacutea anual producida seguacuten aplicativo 732kWh
Energiacutea anual producida seguacuten software 671kWh
Tabla 521 Resultados propuesta 3 para sistema interconectado a red
151
56 CONCLUSIONES
Basado en el trabajo de realizado y resultados obtenidos se concluye que
La potencia fotovoltaica calculada para los pilotos correspondientes a sistemas
aislados para ambas metodologiacuteas es similar maacutes no igual esto es debido a que
las metodologiacuteas usan distintas maneras para calcular un arreglo fotovoltaico Sin
embargo los resultados obtenidos no superan un rango de error mayor al 5 lo
que da un indicio de un disentildeo acertado del arreglo fotovoltaico
La capacidad del banco de bateriacuteas para las propuestas de sistemas aislados
involucran unas diferencias considerables para ambas metodologiacuteas es tal el caso
de obtener errores superiores al 11 Cabe resaltar que la simulacioacuten del banco
de bateriacuteas mediante el aplicativo para las cuatro propuestas fueron calculados
teniendo en cuenta perdidas en el inversor y en las bateriacuteas (10 y 20
respectivamente) sin embargo al no tener en cuenta dichas peacuterdidas la capacidad
del banco calculada por el aplicativo para cada uno de los casos es la misma que
la calculada por el software PVSOLreg lo que podriacutea significar que el software
PVSOLreg no tiene en cuenta dichas peacuterdidas a la hora de dimensionar un banco
de bateriacuteas Acoger esta premisa significariacutea ir en contra a lo propuesto por este
trabajo que es siempre tener en cuenta las peacuterdidas de los dispositivos con el fin
de preservar la esperanza de vida de las bateriacuteas y cumplir con el tiempo de
autonomiacutea especificado por el usuario para la aplicacioacuten
Para el caso de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red la diferencia de
produccioacuten de energiacutea bajo un antildeo de estudio calculada por ambas metodologiacuteas
no es mayor al 10 siendo para todos los casos la energiacutea calculada por el
software menor a la calculada por el aplicativo Esto puede significar que el
software tiene en cuenta otras peacuterdidas que el aplicativo no sin embargo las
diferencias no son significativas
152
57 RECOMENDACIONES
Con este trabajo se pretende plantear una metodologiacutea de disentildeo de sistemas
fotovoltaicos mediante el entorno graacutefico de Matlab sin embargo se podriacutea motivar
para trabajos futuros el estudio para desarrollar esta misma metodologiacutea en otros
ambientes graacuteficos con el fin de que el aplicativo sea maacutes portable
Un trabajo complementario a este podriacutea estar basado en la medicioacuten del recurso
solar para un lugar en especiacutefico durante todo un antildeo Esto con el fin de verificar
que tan confiables son las herramientas disponibles para el caacutelculo de radiacioacuten
solar en un lugar en especiacutefico
Para trabajos futuros relacionados con el tema se propone un estudio detallado
sobre el consumo de un usuario en especiacutefico de tal forma que se analice la curva
de potencia en cada hora del diacutea durante un tiempo en especiacutefico esto junto con
un estudio de medicioacuten de irradiacioacuten solar diario podraacuten entregar los datos
suficientes para calcular la energiacutea que se aprovecharaacute de un sistema fotovoltaico
y la que se inyecta a la red esto con el fin de concluir si un arreglo fotovoltaico es
viable para un usuario en especiacutefico Podriacutea motivarse auacuten maacutes el estudio si se
tratara de una entidad que preste un servicio importante a la comunidad como por
ejemplo hospitales colegios universidades aeropuertos etc
Para un trabajo relacionado con el tema se propone estudiar el recurso en un lugar
en especiacutefico de manera detallada con el fin de hacer un estudio probabiliacutestico que
determine un buen valor de los paraacutemetros tiempo de recuperacioacuten del sistema y
diacuteas de autonomiacutea esto con el fin de plantear una metodologiacutea que permita
calcular sistemas fotovoltaicos maacutes confiables
153
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