Documento 28338

Ya en el año 212 a.C., Arquímedes, en el asedio de la ciudad de Siracusa defendió a la misma del ataque
marítimo de la flota romana, quemando varias naves romanas concentrando sobre ellas la luz del sol mediante
espejos.
Leyenda o realidad la carrera por el aprovechamiento del sol, sin duda no fue tan tardía como su posterior
desarrollo, pues ya Leonardo da Vinci diseño también un espejo parabólico concentrador .
Pese a su tardío desarrollo también se debería resaltar su escasa difusión y conocimiento, proporcional, si se
me permite decirlo, al choque con diversos intereses de grandes compañías. Tanto es así que el conocido
científico Albert Einstein recibió el Premio Nóbel en 1921 por la explicación del fenómeno fotovoltaico y no
por la relatividad espacial, como la inmensa mayoría piensa.
No fue hasta la década de los 70 cuando se empezó a hablar de la energía solar como alternativa factible, eso
sí de una manera parcial y complementaria a las formas tradicionales de obtención de energía. Esto se debió a
la crisis del petróleo y, para los que prefieren confiar en la buena voluntad de la gente, en la creciente
conciencia ecológica que aunque débil empezaba a nacer.
Pese a esto, las razones de quienes defienden una progresiva y creciente utilización de la energía solar son tan
poderosas que, con toda probabilidad, el uso generalizado de esta forma limpia de energía será práctica
habitual en las primeras décadas del siglo XXI.
Sin embargo el debate está servido ¿macrocentrales o pequeñas instalaciones dispersas?.Los organismos
estatales e internacionales, respaldados por las grandes compañías eléctricas, defienden la construcción de
grandes centrales solares como el camino más adecuado para la conversión solar eléctrica; evidentemente la
electricidad generada en corriente alterna sería distribuida a través de una red eléctrica convencional (llegando
de la misma forma que la electricidad que actualmente consumimos).En contraposición muchos científicos,
ecologistas y usuarios en general prefieren una forma autónoma y no centralizada de producción de energía,
defienden uno de los encantos de la energía solar: la luz solar es gratuita.
Hoy por hoy quizás el sistema centralizado sería más adecuado para las grandes ciudades ya que en éstas
escasea el espacio, y se debería tener en cuenta que aunque lo hubiera mucha gente no se pude permitir una
inversión inicial como para instalar un sistema autónomo aunque a la larga el coste resulte menor. Por el
contrario, en aquellos lugares apartados de la red de distribución medio kilómetro o más, las obras que son
necesarias paras que la red distribuidora convencional son más caras que el coste de un completo sistema
fotovoltaico. Por eso la energía fotovoltaica constituye una solución idónea para la electrificación básica de
las viviendas en países poco desarrollados debido a la falta infraestructura. Ecológicamente hablando también
habría que añadir que el impacto medioambiental existente en una central fotovoltaica (destrucción de
vegetación y fauna autóctona, debido a la construcción y posterior daño a cierta fauna como aves, que se
quedan ciegas debida al reflejo de los concentradores), en el caso de las pequeñas instalaciones estos
problemas no se dan.
En centrales fotovoltaicas grandes, como en pequeñas instalaciones autónomas el éxito de las instalaciones
consiste precisamente en la correcta elección de la aplicación adecuada, con la tecnología adecuada en el lugar
precisado. Por el contrario la falta de información por parte del usuario o la escasa profesionalidad de algunos
instaladores, conlleva de forma casi segura a un diseño del sistema con lo que se llega a un fracaso seguro.
Para una correcta instalación de un sistema individual autónomo a rasgos generales se deberán realizar los
cálculos de esta práctica.
Enunciado de la Práctica:
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Se desea realizar los cálculos de diseño de la siguiente instalación:
Instalación para vivienda con 10 puntos de luz de 20W, 4 puntos de luz 100W, 4 tubos fluorescentes, 2 TV en
color, 1 vídeo, 1 equipos de música, 1 ordenador, 3 pequeños aparatos eléctricos de cocina, 1 lavadora
pequeña
600W, 1 frigorífico pequeño (200 W); todos los aparatos funcionan al a 220V. Utilización de la vivienda:
permanente en Madrid.
NOTA :Para la estimación de la potencia de los aparatos en los que no se especifica y de los tiempos de uso
de los aparatos se recomienda utilizar la tabla 1.
Se pide:
1. Realizar el cálculo del diseño (utilice de guía el ejemplo anterior) sin incluir la sección del cable utilizado
en las conexiones, escogiendo adecuadamente alguno de los modelos de los materiales que se definen a
continuación:
Módulos fotovoltaicos. (en la práctica especificados).
Nota: intente que no salga un número exagerado de módulos.
Baterías. (en la práctica especificados).
Nota: intente que no salga un número exagerado de baterías.
Reguladores de carga. (en la práctica especificados).
Nota: los datos que interesan están en negrita, el hecho de que aparezcan más de una tensión significa que esa
tensión de trabajo es seleccionable a esas opciones.
Inversores.( en la práctica especificados).
Nota: los datos que interesan están en negrita, el hecho de que aparezcan más de una tensión significa que esa
tensión de trabajo es seleccionable según el modelo.
2. Especifique a cuanto ascendería la cuenta de los materiales utilizados.
NOTAS SOBRE LA PRÁCTICA:
1. Justifique el modelo elegido en cada caso.
2. Si cree que no hay ningún modelo adecuado según sus cálculos, justifique por que lo cree.
3. Las prácticas pueden realizarse individualmente ó en grupos de hasta 3 personas, se debe entregar
solamente UNA MEMORIA POR GRUPO.
4. Se tiene en cuenta la calidad en la presentación de la práctica.
5. Fecha tope de entrega, el día 7 de Febrero de 2002 (entregar en el momento del examen de la asignatura).
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓN DOMÉSTICA DE E. SOLAR FOTOVOLTAICA, SIN
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CONEXIÓN A RED.
Cálculo de la carga diaria:
a.Hallamos la Ptotal ="PiCA:
Equipo
Bombillas de bajo consumo
Bombillas convencionales
Tubos fluorescentes
Tv en color
Vídeo
Equipo de música
Ordenador
Aparatos pequeños de cocina
Lavadora pequeña
Frigorífico pequeño
Potencia(w)
20
100
15−40
45−100
40−60
25−100
200−300
300−500
600
200
Nº
10
4
4
2
1
1
1
3
1
1
Horas de funcionamiento
0,5−8 (según el uso).
0.5−8 (según el uso)
0,5−8 (según el uso).
2−4.
2−4.
2−4.
1−4.
Según el caso.
1−1,5.
6−12.
Carga diaria (Ah)
3×20×8÷12 =40.
4×100×8÷12=266,66.
4×40×8÷12=106,66.
2×100×4÷12=66,66.
1×60×4÷12=20.
1×100×4÷12=33,33.
1×300×4÷12= 100.
3×500×3÷12= 375.
1×600×1,5÷12=75.
1×200×12÷12=200.
Nota: se a tomado en todos los casos el máximo valor posible, para que la instalación sea eficiente y como Vtr
12 v (tensión nominal aportada por las baterías) . Se ha tomado 3 h como media del uso de pequeños
electrodomésticos de cocina.
Si tenemos en cuenta que: Cd= CCC + CCA / y que todos los electrodomésticos arriba mencionados
funcionan con corriente alterna a 220v/50 hz hay que calcular el inversor adecuado para saber cual es el valor
, para hallar Cd.
Cálculo de la potencia del inversor:
Este ha de ser elegido teniendo en cuenta que ante la posible situación del funcionamiento simultáneo de
todos los electrodomésticos existentes en la casa debe de ser capaz de proporcionar la potencia necesaria:
Pentrada=Psalida ! Psalida. = 0,9×2020 = 1818wh.
220/50hz
Psalida=1818wh
Por tanto si nos fijamos en los inversores de carga disponibles, hay que tener en cuenta que se debe cumplir la
expresión arriba calculada(PTOTAL−CA=2020w, PTOTAL="PiCA):
Pentrada " PTOTAL−CA .
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Pentrada = Psalida
El inversor elegido debería cumplir esto . En mi caso he elegido el modelo S4500/12 ya que si tenemos que
tener en cuenta que ha de cumplir lo anterior sólo tres modelos lo cumplían: SM300(cuyo precio era de
356.000 pts y =0.85), el SM400R (405.000 pts, =0.85) y el que he elegido, evidentemente, su es
mayor(0.9) y su precio es menor (275.000pts).
Teniendo esto en cuenta sabemos que la =0.9 y Vtr= 12v del inversor, y que CCA="Ci, de este modo:
CCA = 40+266,66+106,66 +66,66+20+33,33+100+375+75+200 = 1283,31Ah.
Ahora sabemos que la CCC=0, ya que no hay apwaratos que funcionen con c.c. por tanto en este caso la
Cd=CCA/ por tanto:
Cd= 1283,31/0,9=1425,9 Ah.
Supongamos que quisiéramos saber la C pero en vez de por día (Cd) de un fin de semana; entonces
Cfin_de_semana=(CCA/)×nº_de_días_de_uso/7; Cfin_de_semana=611,1 Ah.
La carga que entreguen los módulos fotovoltaicos(CG) ha de ser igual a la carga diaria; por lo tanto Cd=CG.
Cálculo del nº de módulos:
Generalmente los paneles están colocados así:
Para hallar el nº de módulos en serie deberemos recurrir a la expresión:
Ns =V tr/ Vm.
Para calcular el nº de módulos en paralelo recurriendo a la siguiente:
NP=Cd/(iPM×HSP)
El nº total de módulos:
NT=NS×Np.
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Para elegir el nº de módulos fotovoltaicos apropiado, hay que tener en cuenta que no debe ser un nº excesivo,
por lo que se descartan las que proporcionan una potencia pequeña (recordemos que tenemos que conseguir
una potencia de salida de 2020w), ni un módulo muy grande ya que, pese a no mejorar la instalación, si la
encarecería. Por tanto quedan descartados los primeros y los últimos modelos dados. También se tiene que
tener en cuenta para su colocación (serie o paralelo) que debe proporcionar al final una corriente
Iconsumo="ii=PTOTAL/Vtr, siendo Vtr la tensión nominal de las baterías y PTOTAL=2020.Y que para la
elección adecuada de los módulos hay que tener en cuenta la Iconsumo y la Vtr , para esto debemos saber el
modelo elegido de las baterías, procederemos pues a la elección de las mismas.
Cálculo de la capacidad de las baterías CB (Ah) y el nº de baterías a colocar:
Teniendo en cuenta que la capacidad de las baterías se rige por la siguiente expresión:
CB=Cd×nº_de_días_de_autonomía/Pf
Siendo Pf profundidad de la batería en tanto por uno generalmente es igual a 0,6, y días de autonomía el nº de
días nublados, normalmente se consideran de 5−10 días, previniendo posibles contratiempos climatológicos
supondremos 10. Recordemos que Cd=1425,9 (Ah).
CB=1425,9×10÷0,6=23765 Ah.
También hay que tener en cuenta que CB"Cd/Pf.
Procederemos al cálculo del nº de baterías a colocar y en base al nº y el precio elegiremos el modelo de batería
adecuado, teniendo en cuenta que las capacidades nos vienen dadas:
Nº=CB/Capacidad.
Teniendo en cuenta esto y haciendo los cálculos pertinentes tendremos:
MODELO
7 OPzS
6 OPzS
8 OPzS
CB
490
600
800
Nº NECESITADO
48,5!49
39,6!40
29,7!30
PRECIO TOTAL
10.299.800 pts
9.760.000 pts
10.080.00 pts
En base a esto es obvio que el modelo a elegir será el 6 OpzS. Sus características son:
Capacidad
Modelo
6 OpzS
(Ah)
600
Ancho
(mm)
Largo (mm) Alto (mm)
Tensión
nominal
Pesetas
Euros
208
147
12
244.000
1.466,47
791
Retomando el cálculo del nº de módulos y teniendo en cuenta que ya sabemos su tensión nominal 12v
calcularemos el nº de módulos :
Ns = Vtr/Vm, siendo Vm la tensión nominal del módulo.
Si elegimos un modelo intermedio como puede ser el I−55 (36 células,55 w, 1290×328×34mm, 3´16A 17´ v
<ipM VpM>) de módulos fotovoltaicos:
Ns = 12/12=1;es el valor más común para las viviendas pequeñas.
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NOTA: el valor nominal de la tensión es igual a 12v ya que es para baterías de 12 v, para atajar las caídas de
tensión el módulo proporciona entre 15 y 20 v.
Para calcular el nº de módulos que necesito, necesito saber el HSP en Madrid, y lo calcularemos en el mes de
menos sol que es el mes de Enero:
Suponemos una inclinación de los paneles =latitud de madrid=40,42º»40º.
HSP=I(w/m2)×1hora/1000(w/m2).
HSP= 2,93 h = 10554×1000×1/36÷1000.
NOTA: HSP es un concepto teórico que indica el número de horas de sol estadísticamente hablando en que la
intensidad de radiación es de 1000 w/m2. Se calcula el HSP a partir de los datos estadísticos de Intensidad de
radiación ó de irradiancia para una zona geográfica dada sobre un panel inclinado un ángulo ð
Np=Cd/ipM×HSP. !Np=1425,9/3,16×2,93=154,0048!155 módulos en paralelo.
Como se puede observar el nº de módulos es excesivo por lo que es de suponer que no se ha elegido el modelo
adecuado.
Para que el nº de módulos en paralelo nos salga menor, ya que el nº de módulos en serie por los datos
anteriormente dados siempre va a ser uno, deberemos buscar un modelo tal que la ipM sea mayor; por tanto lo
modelos anteriores quedarían excluidos. Por tanto a mayor ipM menor nº de módulos.
Modelo
I−94
I−100
I−110
I−159
IpM (A)
5,88
5,72
6,34
9,15
Nº necesitado
82,76 !83
85,795 !86
76,75 !77
53,180 !54
Precio (pts)
10.535.688
11.609.140
10.819.270
11.139.660
Para la elección del modelo se tendrá que tener en cuenta tanto el espacio de la casa como el precio a pagar. Si
falta espacio y no importa el dinero se elegirá el modelo I−159, en cambio si lo que sobra es el espacio pero
no el dinero la opción más acertada sería el modelo I−94; de todos modos el modelo que se desaconseja es el
I−100 ya que además de resultar más caro que el modelo I−94 ocupa más espacio.
Por tanto atendiendo a la nota de la práctica se intentará que el nº de módulos sea el menor sin fijarnos en el
precio; por tanto el modelo elegido será el I−159. El diseño esquemáticamente sería así:
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Si se quiere calcular la energía diaria que pueden captar el campo de paneles fotovoltaicos:
EG = VpM×Ns×IpM×Np×HSP=17,4×1×9,15×54×2,93=25190,2062 wh.
Cálculo de las características del regulador de carga:
Teniendo en cuenta esto deberemos proceder a los cálculos de la Imódulos e Iconsumo, ya que necesitamos un
regulador de carga en el que pueda entrar una corriente de entrada igual a Imódulos A y proporcionase un
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máximo de corriente de salida de al menos Iconsumo A. También hay que tener en cuenta que la tensión de
entrada y salida nominales han de ser igual Vtr. De este modo tenemos:
Imódulos=Np×ipM=54×9,15=494,1 A.
Iconsumo="ii=Ptotal/Vtr=2020÷12=168,33 A.
Como evidentemente los reguladores que tenemos no pueden soportar la corriente de entrada ni la de salida,
se deben colocar en paralelo varios reguladores para que la corriente que entre y que salga se reparta por igual
entre ellos de este modo si soportarán la corriente de entrada y salida de cada uno de ellos.
De este modo:
Módelo
DSS
DSD
DSP
SD
Ientrada (A) Isalida (A) Nº necesario
16,47!17
30
30
5,611!6
16,47!17
30
30
5,611!6
9,882!10
50
60
2,8055!3
4,941!5
100
100
1,6833!2
Precio (pts)
246.500
629.000
353.000
190.000
El nº necesario de cada modelo es el superior ya que, el nº de arriba es el nº de reguladores de carga que se
necesitarían para que la corriente de entrada sea la corriente de los módulos , el de abajo es el nº de
reguladores de carga que se necesitarían para que por lo menos la corriente de salida fuera igual a la corriente
que se consume, no causa ninguna deficiencia en el sistema que la corriente de salida que se obtenga sea
mayor de lo calculado sino todo lo contrario haría frente a posibles con sumos mayores.
Por tanto el modelo elegido es el SD ya que no sólo se necesitan menos reguladores de carga sino que resulta
la opción más económica.
ÍNDICE
Introducción................................................................................pág. 1.
Enunciado de la práctica.............................................................pág. 3.
Cálculo de la carga diaria............................................................pág. 3.
Cálculo de la potencia del inversor.............................................pág. 4.
Cálculo del número de módulos fotovoltaicos............................pág. 4.
Cálculo de la capacidad de las baterías CB y el nº a colocar.......pág. 6.
Diseño de la colocación de los módulos......................................pág. 8.
8
Cálculo de las características del regulador de carga..................pág. 9.
BIBLIOGRAFÍA
La energía solar. Aplicaciones practicas.
Censolar, centro de estudios de la energía solar.
1ª Edición, 1993.
Energías alternativas.
José A. Domínguez Gómez.
Editorial Equipo Sirus S.A.
Energías renovables.
Mario Ortega Rodríguez.
Editorial Paraninfo.
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