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Universidad Nacional Autónoma de México
Centro de Investigación en Energía
CURSO DE ESPECIALIZACIÓN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A LA RED
16 al 20 de enero de 2012
Dimensionamiento básico SFV-IR
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Objetivo
Proporcionar los elementos básicos de dimensionamiento y
diseño de la tecnología fotovoltaica aplicada en la
implementación de proyectos de interconexión a la red.
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Sistemas Fotovoltaico
Un sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos que permiten obtener electricidad a un voltaje específico a partir de la energía luminosa del Sol.
CLASIFICACIÓN
Sistemas Autónomos
Sistemas en DC Sistemas en AC
Acoplamiento Directo A. c/Seguidor de potencia A. c/Inversor A. c/Baterías/Controlador
A. c/Bat./Cont./Inversor
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Sistemas interactivos con la red
FV/Baterías/Inversor/Red FV/Inversor/Red
Sistemas Híbridos
Fotovoltaico/Motogenerador Fotovoltaico/eolico Fotovoltaico/Eólico/motogenerador
Sistemas Fotovoltaico
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Tableros de distribución Carga en DC
Sistemas FV’s Autónomos
Arreglo Fotovoltaico
Sistema de Almacenamiento de Energía
Banco de Baterías
comúnmente 12 V
Controlador de Carga
Sol
CARGAS EN CORRIENTE DIRECTA
Electrificación Doméstica Radiocomunicación Televisión educativa, Iluminación básica, etc.
DC
DC
DC
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Arreglo
Fotovoltaico Sol
Generación de
Electricidad en DC
Banco de Baterías
Vn depende del Inversor
Controlador
de Carga
Tableros de
distribución
de carga en AC
Tableros de
distribución
de carga en DC
CARGAS EN CD Y CA
Inverso/Cargadorr
CD/CA
Sistemas FV’s Autónomos
DC
DC
DC
DC
AC
Motogenerador
CA
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Arreglo
Fotovoltaico Sol
Generación de Electricidad
en DC
Vn en DC depende del Inversor
Tableros de
distribución
de carga en CA
CARGAS
Acondicionador de
potencia
INVERSOR CD/CA
Sistemas FV-IR
DC SEN AC
CARGAS EN AC
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Unidades y Términos Comúnes
POTENCIA ELÉCTRICA (P): Producto del voltaje con la corriente. Unidad: Watt; Símbolo: W; equivalencia 1 W= 1Vx 1A
POTENCIA PICO (Pp): En un módulo FV es la potencia máxima generada bajo condiciones estándares de medición.
VOLTAJE NOMINAL (Vn): Es el voltaje de especificación comercial de una carga eléctrica, generador, batería, etc.
ENERGÍA ELÉCTRICA (E): Es la potencia eléctrica consumida, generada ó almacenada en un intervalo de tiempo dado. E=Pxt Si el tiempo se mide en horas (h), la unidad para E es Watt-hora (W-h) en el periodo considerado
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Watt-hora (W-h): Es la cantidad de energía producida o consumida por un equipo eléctrico.
1 kW-h= 1,000 W-h
Amper-hora (A-h): Es la cantidad de energía consumida o producida por un equipo eléectrico a un voltaje nominal dado.
1.2 kW-h = 1,200 W-h = 100 A-h @ 12V = 50 A-h @ 24 V = 25 A-h @ 48 V
La energía consumida o producida en un día puede expresarse de manera indistinta mediante las siguientes unidades:
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IRRADIANCIA: Potencia luminosa incidente en una unidad de área.
Unidad: W/m2
Máximo valor Irradiancia directa= 1,000 W/m2
IRRADIACIÓN: Irradiancia acumulada en un tiempo dado. Unidad: W-h/m2
Energía Solar
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-100
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200
300
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500
600
700
800
900
1000
1100VERANO, DÍA DESPEJADO, LATITUD 15ºN
Global
Directa
Difusa
IRR
AD
IAN
CIA
(
W/m
2)
HORA DEL DÍA
Energía Recibida en un Captador Horizontal
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El concepto de horas-pico como una manera de trabajar
la energía recibida en un captador
Horas de Sol Horas de Sol
8:00 12:00 16:00
1,000 W/ m 2
10:00 14:00
0.0 W/ m 2
HORAS-PICO
8 h-p
4 h-p
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IRR
AD
IAN
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(W
/m2)
HORA DEL DÍA
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IRR
AD
IAN
CIA
(W
/m2)
HORA DEL DÍA
Area bajo la curva
A= 8,000 W-h/m2 Area bajo la curva
A= 4,000 W-h/m2
HORAS PICO HP: Energía disponible del Sol obtenida por la integración de la irradiancia respecto del tiempo y expresado en horas de máxima irradiancia.
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Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio anual
Captador Horizontal
Unidades Horas-Pico
RS(I)= RS(H)/cos (0.87L)
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Fuentes de información
http://www.eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse-grid.cgi?
http://www.heliogis.com
Bases de datos de la NASA en: www.eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse-grid.cgi...
Bases de datos nacionales en: www.heliogis.com...
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El Módulo Fotovoltaico
Características eléctricas bajo condiciones NTC
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Condiciones NOCT: Ta= 20°C; G=800 W/m2; v=1.0 m/s
Condiciones STC: G=1000 W/m2; Tc=25°C; Masa de aire AM1.5
Condiciones paramétricas de caracterización eléctrica en módulos
FV
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Efecto de la Temperatura
En el voltaje: reducción de 2.2 mV/ºC/celda
En la potencia: reducción del 0.35%/ºC
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Tc=Ta+CG
Relación empírica para estimar la Temperatura máxima de operación de las celdas, Tc, en un módulo:
Donde: Ta es la temperatura ambiente C constante a determinar a través de los datos NOCT
del fabricante. Valor por omisión: C=0.025 (°Cm2/W)
G=1,000 W/m2
Efecto de la Temperatura
Rendimiento térmico, Rt, de módulos FV’s
Rt: entre 85% y 90% Valor por omisión Rt=88%
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Método de Watt-hora
Asigna a los módulos FV’s la Potencia que genera el módulo bajo condiciones NOCT normalizada al 100% de la Irradiancia.
Pp= Ec/(RS*Rt* T )
Donde Ec es la energía promedio diaria anual (Wh) T es la eficiencia total T en el uso y manejo de la
energía (T = I* W) siendo I*eficiencia del inversor y W es la eficiencia en el cableado;
RS es el recurso solar promedio diario anual (h pico); Rt es el Rendimiento térmico del módulo.
Métodos de dimensionamiento
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Asigna al SFV un factor de planta FP anualizado entre el 15 y 20% dependiendo de la temperatura ambiente (Valor por omisión 17%=0.17) Pp = Et/(Fp*Hr) Pp= Potencia pico; Et Energía anual entregada por el SFV en kWh Hr número de horas del año (8760)
Método del Factor de Planta
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Método energético
Asigna a la generación de energía del SFV una magnitud dada por la expresión: Et=H*Ae*Nd*E
Et Energía annual entregada por el SFV en kWh H es la irradianción promedio diaria annual; Ae es el área efectiva del arreglo FV Nd número de días al año E eficiencia global: módulo, inversor y cableado N=Ae/Am donde N número total de módulos de área Am Po=N*Pm donde Po es la potencia del AFV, Pm es la potencia del módulo.
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Módulos Fotovoltaicos Conexiones Serie – Paralelo
Conexión Paralelo
AUMENTO DE CORRIENTE
Tres módulos Conectados en paralelo
Diodo de
bloqueo
Diodo de
paso
Conexión Serie
AUMENTA EL VOLTAJE
Tres módulos Conectados en serie
9 amp 12 V 12 V 12 V
12 Volts
12 V
36 V
24 V
12 V
0 V
36 Volts
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Incrementando Potencia
DIAGRAMA ESQUEMATICO DE CONEXION ENTRE MÓDULOS
EN SERIE: LOS VOLTAJES DE CADA MODULO SE SUMAN
EN PARALELO: LA CORRIENTE DE CADA MODULO SE SUMAN
+ -
-
-
-
-
-
-
-
-
+ +
+ + +
+ + +
V = V 1 +V 2 +V 3 + V 4
I 1
I 2
I 3
Diodos de paso
-
-
-
+
+
+
V 1 V 2 V 3 V 4 I 1
I 1 +I 2
I 1 +I 2 + I 3
CONEXIÓN SERIE
CO
NE
XIO
N P
AR
AL
EL
O
Diodo de
Bloqueo
ARREGLO: 4 Módulos en Serie y 3 estructuras
de éstas en paralelo.
Nomenclatura: 4S x 3P
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Sonora Sn. Cristobal Tonalá Unidades
Hrs - Pico 8 3.8 5.5 Al Día
Pot. C/ Módulo 44 44 44 Watts
Energía 352 167.2 242 W - h
Arreglo FV 5 Módulos 220 220 220 Watts
Energía Total 1 760 836 1 210 W - h
Módulo Fotovoltaico
Irradiancia : 1000 W/ m2; AM1.5;
Tm = 25ºC Pp = 55 W
Tm = 62ºC Pp = 44W
Maxima Generación por día (por año) = Rayos perpendiculares a los Módulos
Estimación de la energía generada por un arreglo Fotovoltaico
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Dimensionamiento Fotovoltaico
Procedimiento a través del cual se determina la potencia pico óptima del arreglo FV que generará la energía necesaria para una aplicación específica en cierta localidad.
Así mismo, determinar la capacidad del sistema de acondicionamiento de energía que permita el acoplamiento eléctrico con la red de distribución eléctrica del lugar.
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GEOGRÁFICOS Localización del
sitio, Clima, Conocimiento del
sitio, RECURSO SOLAR
del sitio
Conocimientos Necesarios:
ENERGÉTICOS Tipo de Cargas Tiempo de uso Potencia total Energía total
TECNOLÓGICOS Tipo de módulos Tipo de controladores Tipo de estructuras Tipo de baterías Tipo de inversor
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Criterios Fundamentales para el Dimensionamiento FV
ENERGÍA GENERADA
AL DÍA ENERGÍA TOTAL
CONSUMIDA POR DÍA
CAÍDAS DE VOLTAJE EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
Max 5% DEL
VOLTAJE NOMINAL
SIMPLICIDAD EN EL DISEÑO
DE DISEÑO...
BALANCE ENERGÉTICO
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Método de Dimensionamiento
Energía promedio diaria
Energía promedio mensual
Energía promedio anual
Factor de Planta
Watt-hora con los siguientes métodos:
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Ruta de Dimensionamiento
El que..., El para que..., Y el como...
1º: IDENTIFICACIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS
Cargas CA.
2º. ELABORAR UNA RELACIÓN DE CARGAS EN CA.
3º. IDENTIFICACIÓN DEL VOLTAJE NOMINAL Y SU
POTENCIA DE OPERACIÓN DE LAS CARGAS.
En caso de carecer de información sobre energía consumida (facturas o recibos)
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4º. Identificación de la potencia nominal ó de operación de las cargas.
5º. ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE OPERACIÓN DE CADA CARGA (por día, semana o mes)
6º. CÁLCULO DE LA ENERGÍA ESTIMADA (parcial y total).
Ruta de Dimensionamiento
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Energía promedio diaria
Procedimiento: Determine la energía consumida, Ec, promedio diaria mensual ó
anual. Determine, de las bases de datos, el recurso solar, RS, promedio
diario mensula o anual Elabore una Tabla de datos. Defina el mes de diseño con base en sus propios criterios. Determine la potencia efectiva de operación Pef al dividir la
energía consuminda entre el recurso solar. Determine el factor que debe incrementarse la potencia efectiva
debido a pérdidas por efecto de la temperatura (Rt) Determine la eficiencia total T en el uso y manejo de la energía
(T = I* W) donde I*eficiencia del inversor y W es la eficiencia en el cableado Determine la potencia pico Pp del arreglo fotovoltaico
Pp=Pef/(Rt* T)
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Selección del Inversor
RECOMENDACIONES: a) Seleccione el inversor a usar de acuerdo al criterio: Potencia nominal del inversor, PN(I), debe ser siempre mayor o
igual a la potencia pico del arreglo FV, PP(AFV).
PN(I)PP(AFV) b) Identifique cual es el rango de voltaje de funcionamiento del
inversor en el punto de máxima potencia. c) Identifique cual es el voltaje máximo a circuito abierto que
soporta el inversor y cual es el voltaje mínimo. d) Seleccione el punto medio del rango de voltaje de operación. e) Seleccione un módulo comercial f) Divida el valor del punto medio del rango de voltaje entre el
voltaje Vm del módulo seleccionado para determinar el No. de módulos a conectar en serie.
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a) Determine, de bases de datos, cual podría ser la temperatura mínima del sitio al inicio del día y calcule el voltaje de generación del módulo, tanto a circuito abierto como el Vm.
b) Determine si el voltaje de los módulos en serie esta en el rango de operación del inversor; si es así, …
c) Determine cuantos paneles (ramas en serie) requiere conectar en paralelo para suministrar la potencia pico calculada.
d) Determine el arreglo FV. e) Determine el área. f) Determine la estructura. g) Proceda al diseño eléctrico.
Dimensionamiento
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Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar
Horizontal
Sistemas Fotovoltaicos
Estructuras para Paneles FV
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Sistemas Fotovoltaicos con Seguidor Solar