DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

El propósito de dimensionar un sistema fotovoltaico, es para que, de acuerdo a las necesidades de cada vivienda, se adquiera el número ideal de módulos fotovoltaicos y baterías para satisfacer las necesidades eléctricas del hogar.

CUADRO DE CARGAS

Con el fin de delimitar el proyecto se debe estimar la carga demandada por la vivienda que se plantea electrificar, sin embargo, esto datos pueden variar con base a las necesidades de los usuarios, para eso, debemos realizar, lo que llamamos “cuadro de cargas” para calcular el consumo eléctrico de la casa a electrificar.

El cuadro de cargas consta de 6 columnas, en el siguiente orden “Aparato”, “Cantidad (de aparatos)”, “Potencia Watts (Potencia de cada aparato)” expresado en Watts (W), “Potencia total (resultado de multiplicar Cantidad*Potencia” expresado también en Watts, “horas de uso (por aparato)”, y “Energía requerida (resultado de multiplicar Potencia total * horas de uso)” expresado en Watts Hora (Wh).

Nos interesa conocer el máximo consumo instantáneo, por eso, sumaremos los valores de la columna “Potencia Total”. Nos interesa conocer la DEMANDA por lo que sumaremos también los valores de la columna “Energía requerida”, ya que son datos que utilizaremos más adelante en el dimensionamiento del sistema.

Cuadro de cargas

CÁLCULO DEL NÚMERO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Para el cálculo de los paneles solares, aplicaremos un porcentaje de 20% (por pérdidas del sistema y el factor variable de irradiación) a la DEMANDA obtenida en el cuadro de cargas. Entonces, haremos la siguiente operación:

DEMANDA= 6561.25 Wh * 1.20 = 7,873.5

Teniendo la demanda y la insolación mínima anual calculamos los watts pico que se necesitan para satisfacer la demanda, y en base a esto poder determinar el número de paneles de acuerdo a las horas pico que generan.

Para este punto, debemos determinar el voltaje de nuestro sistema 12 V ó 24 V, con ayuda de la siguiente tabla, que nos dice, que si nuestro sistema es menor de 1,500 W su voltaje deberá ser de 12 V, por el contrario, si es de una potencia mayor a 1,500 W, su voltaje será de 24 V. Ya que la potencia de nuestro sistema es de 1,574.7 Wp, su tensión nominal será de 24 V.

Una vez determinada la tensión nominal del sistema, elegiremos el módulo fotovoltaico que más se adecúe a nuestras necesidades, apoyándonos de la siguiente tabla. Como este sistema será de 24 V, seleccionare el módulo de 300 W de la columna de 24 V.

Entendemos que, para satisfacer las necesidades eléctricas de esta vivienda, necesitaremos 6 módulos de 300 W.

CÁLCULO DEL BANCO DE BATERÍAS

El tercer paso será calcular el banco de baterías, lo cual permitirá tener energía en la noche y días de poca radiación solar. Para esto utilizaremos 3 datos fundamentales; La demanda, el voltaje del sistema (en este caso de 24 V) y los días de autonomía que baterías pretendemos dar a la instalación eléctrica (dependiendo de la importancia y condiciones del lugar).

  • Consumo energético: 7873.5 Wh
  • Voltaje del sistema: 24 V
  • Días de autonomía: 1
  • 50% de descarga profunda

Entendemos que 656.125 Ah es la capacidad necesaria para almacenar la energía producida durante el día y brindar sin problemas 1 día de autonomía a la vivienda. Ahora, calculemos el número de baterías a utilizar. Con ayuda de la siguiente tabla, elegiremos la batería que más se adecúe a nuestro sistema. Como puedes observar en la tabla, hay baterías de 2, 6, 8 y 12 V, pero no de 24 V, como nuestro sistema.

Normalmente, el número de baterías a utilizar se calcula dividiendo la capacidad de almacenamiento de energía necesaria (Ah) entre la capacidad de la batería seleccionada. Pero como no existen baterías de 24 V compatibles con la tensión nominal de nuestro sistema, conectaremos 6 baterías de 12 V y 225 Ah, en serie y en paralelo, para obtener 24 V y 675 Ah, tal y como se muestra en el siguiente diagrama.

CÁLCULO DEL CONTROLADOR DE CARGA

El cuarto paso será la selección del regulador de carga, cuya función es proteger las baterías de una sobrecarga. Los criterios de selección son;

-Tensión nominal compatible (24 V)

-Corriente de corto circuito ISC (Para este ejemplo la corriente de corto circuito del panel de 300 watts es 8.02 A) Ver ficha técnica o panel solar.

Multiplicamos, ISC por el número de módulos para calcular la capacidad del controlador.

(8.02 Amp) (6 módulos) = 48.12 Amp                     

Seleccionamos el controlador de 60 Amp.

CÁLCULO DEL INVERSOR

El quinto paso será el cálculo del inversor, esto para convertir la corriente continua de las baterías en corriente alterna que es con la que funcionan la mayoría de los equipos eléctricos. Para esto consideraremos el máximo consumo instantáneo (indicado en el cuadro de cargas como “Potencia Total”) aplicando un factor de diversidad del 20%.

(4245) (1.20) = 5,094 W

Con ayuda de la tabla, podemos seleccionar el inversor, en este caso, seleccionaremos un inversor de 6,000 W a 24 V.

CÁLCULO DE CALIBRE DE CONDUCTORES

MÓDULO – CONTROLADOR DE CARGAS

Una vez seleccionado los paneles fotovoltaicos que utilizaremos en nuestro sistema, podremos determinar el calibre del conductor que se utilizara, para esto es necesario saber la corriente de corto circuito “Isc” en este caso de  8.02 A.

Lo primero que debemos hacer es calcular la Intensidad de corriente que pasará por el conductor, para eso, multiplicaremos la ISC por el número de módulos por dos veces 1.25 ( el primer factor 1.25 debido a que se trata de una carga continua, y el segundo debido al factor calor)

I=(Isc) (# módulos) (1.25) (1.25)

I=(8.02) (6) (1.25) (1.25)= 75.18 A

Ahora que conocemos la intensidad de corriente, podríamos ir directo a la tabla de ampacidades permitidas por calibre de conductor, de la NOM-001-SEDE-2012, pero para más precisión, calcularemos la sección transversal del conductor, utilizando la siguiente fórmula.

Dónde:

S= Sección Transversal

L= Longitud del conductor

I= Intensidad de corriente

K= conductividad del material (en el caso del cobre es 56)

C= caída de tensión (0.03*tensión nominal)

CONTROLADOR – BATERÍAS

Para calcular el tramo de conductor que va del controlador a las baterías, utilizaremos la misma Intensidad de corriente que calculamos en el paso anterior, y calcularemos la sección transversal.

BATERÍAS – INVERSOR

Lo primero es calcular la Intensidad de corriente, para eso, debemos dividir la potencia del inversor, entre el voltaje del sistema y el resultado multiplicarlo por 1.25 (no se aplica dos veces, porque en teoría esta parte del sistema ya no se encuentra expuesta directamente en la intemperie, se aplica un solo factor debido a que se trata de una carga continua).

I= [ (Potencia del inversor) / (Voltaje del sistema)] (1.25)

I= [(6,000 W) / (24 V) ] (1.25) = 390.62 A

Ahora, calculemos la sección transversal del conductor.

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