CALCULO INSTALACION FOTOVOLTAICA
Veremos varios ejemplos para el dimensionado y cálculos necesarios para la correcta elección de todos
los componentes de una "Instalación Solar Fotovoltaica Aislada de la
Red
Eléctrica".
Aislada de la Red Eléctrica significa que toda la energía que consumimos en nuestra vivienda, local, casa, etc es la generada por nuestra instalación fotovoltaica.
Pero antes de empezar, queremos recomendarte este fantástico libro con el podrás calcular y diseñar todo tipo de instalaciones fotovoltaicas, así como aprender el funcionamiento de todos los componentes que las forman:
Libro Instalaciones Fotovoltaicas
Indice de Contenidos
- Datos Iniciales
- Orientación e Inclinación de los Paneles
- Orientación
- Inclinación
- Ángulo Máximo y Mínimo
- Consumo de los Receptores
- Consumo Real
- Prevision de Potencia
- Elección de la Tensión
- Calcular el Número de Paneles
- Horas de Sol Pico (HSP)
- Paneles Fin de Semana o Diario
- Potencia del Generador Fotovoltaico
- Conexión Placas Fotovoltaicas
- Distancia entre Fila de Paneles
- Cálculo de la Bateria
- Cálculo del Regulador
- Cálculo del Inversor
- Cálculo de la Sección de los Conductores
- Terminales Para Conectar los Paneles
- Ejemplo 2 en Video
- Otros Ejemplos de Cálculos
Lo primero que te dejamos es un resúmen de todos los datos necesario que tenemos que llegar a calcular o dimensionar:
Ahora empecemos con el ejemplo:
Datos
Para la Primera Instalación los datos iniciales serían:
Aislada de la red, situada en Madrid (latitud 40,42º) y para todo el año.
Para alimentar los receptores que veremos más adelante en el apartado de consumos.
Orientación e Inclinación de los Paneles
Orientación de los Paneles
La orientación óptima de los módulos fotovoltaicos es siempre mirando al Sur, pero en algún caso y segun la aplicación PVGIS es mejor desviarlo un poco, como luego veremos.
OJO si la instalación estuviera en el hemisferio Sur, la orientación óptima sería el Norte.
Este ángulo se llama acimut o azimut y se representa por la letra α.
Una desviación de este ángulo de hasta 15º respecto a la orientación óptima hace disminuir muy poco la radiación solar captada por nuestros paneles, por lo que no habría problema que no fuera exactamente de 0º.
Pero ¡¡¡OJO!!!, deben evitarse desviaciones superiores a este valor, y en caso de ser mayores tendremos que realizar los cálculos por pérdidas por orientación e inclinación y comprobar que están dentro de los límites permitidos.
En nuestro caso colocamos los paneles en direccion Sur es decir:
Acimut = 0º
Ya sabemos la orientación, veamos la inclinación.
Inclinación de los Paneles
Si utilizamos la aplicación web de PVGIS nos determina un ángulo óptimo de 31,58º
𝛃 óptimo = 31,58º
Recuerda que PVGIs se basa en datos recogidos del último año, incluso de varios años, para determinar el ángulo y azimut óptimos.
Para ver este método y otros visita: Cálculo Inclinación Paneles Solares.
También podríamos elegir el ángulo òptimo recomendado por el IDAE para todo el año que sería latitud menos 10º y sería de 30,42º,la diferencia no se notaría en nada prácticamente.
En caso de no colocar nuestros módulos o paneles fotovotoltaicos con la orientación e inclinación optima deberemos calcular las pérdidas producidas, para comprobar que no se superan las permitidas por el el IDAE.
Si quieres saber cómo se calculan las pérdidas por no colocarlos con la inclinación óptima visita: Pérdidas en Fotovoltaica
Además, también debemos de comprobar que el ángulo elegido está dentro de los límites que marca el IDAE.
Para estos casos es oblilgatorio, para los otros recomendables, comprobar que nuestro ángulo de inclinación est´ña dentro de los límites que nos marca el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía).
Se calculan los límites de inclinación aceptables en función de la diferencia entre la latitud del lugar en cuestión y la de 41°, de acuerdo a las siguientes fórmulas:
Inclinación máxima = Inclinación máxima para 41° – (41° – latitud).
Inclinación mínima = Inclinación mínima para 41° – (41° – latitud), siendo 0° su valor mínimo.
Sabiendo que:
Inclinación máxima para 41º= 60°
Inclinación mínima para 41º= 7°
Para nuestra instalación, que tiene una latitud de 40,42º sería:
Inclinación máxima = 60° – (41° – 40,42°) = 59,42°
Inclinación mínima = 7 ° – (41° – 40,42°) = 6,42°
Siempre que salga un número negativo se considera inclinación mínima la horizontal, es decir 0º.
En nuestro caso los módulos fotovoltaicos deben tener un ángulo de inclinación menor de 59,42 y mayor de 6,42º.
Com o la inclinación elegida era de 31,58º estaría dentro de los límites.
Consumo de los Receptores
Este puede ser el paso más complicado, pero también el más importante a la hora de diseñar nuestra instalación fotovoltaica aislada.
Hacer una buena estimación de la potencia y del consumo es esencial para dimensionar correctamente la instalación y no tener problemas de suministro.
La recomendación es comprar todos los electrodomésticos de la mayor eficiencia energética, a ser posible A+++, ya que el consumo será menor y todos los elementos de la instalación serán más baratos.
Nota: Consumo es lo mismo que energía y se expresa en wh/dia y Carga es lo mismo que potencia.
Energia = Consumo
Potencia = Carga
Previsión de Energía consumida = Previsión de Consumo en wh/dia (vatios hora al día)
Previsión de Carga = Previsión de Potencia en w (vatios)
Para hacer el cálculo del consumo estimado en wh al día (wh/dia) tenemos varias opciones.
Nosotros en este ejemplo utilizaremos la que consideramos la mejor.
Si quieres ver las otras opciones visita: Consumos y Potencia en Fotovoltaica
Si conocemos los electrodomésticos que se usarán en la vivienda exactamente se sumarán los consumos diarios de cada uno de los electrodomésticos (receptores).
Estos consumos suelen venir en las etiquetas de los aparatos.
Si no sabemos los consumos, pero sabemos la potencia de cada electrodomésticos, los consumos de cada uno se calcula multiplicando la potencia de cada receptor por el número de horas que se estima estará conectado a la instalación en un día.
La suma de todos estos consumos será el consumo total de los receptores, en muchos libros se llama "Consumo Teórico".
Veamos como calculamos el consumo estimado de nuestra instalación:
- Bombillas o lámparas en corriente contínua: 8 unidades x 10 vatios (100%) x 4 horas al día = 320 Wh/diario
Nota: algunas instalaciones utilizan lámparas de corriente contínua conectadas directamente a la salida de cc del regulador.
Cuando el generador fotovoltaico está generando energía la utiliza directamente del propio generador y por la noche cogería la energía de las baterias por medio del regulador.
Ventajas: menos energía y potencia en corriente alterna y por lo tanto menor será el inversor necesario y menores las pérdidas en el propio inversor.
Incovenientes: los electrodomésticos en corriente continua, e incluso la iluminación suelen ser más caros que los de corriente alterna.
Nosotros ponemos la iluminación en corriente continua para que al cálculo sea mas amplio, aunque no suele ser el caso.
- Nevera o refrigerador: 12 h/día x 200 W = 2.400 Wh/diario.
La nevera o refrigerador solo consume cuando trabaja el compresor para mantener la temperatura en el interior, sobretodo cuando abrimos y cerramos la puerta.
El compresor es el que tiene una potencia de 200w.
Podemos considerar que solo trabajará la mitad del tiempo (50% = 12h), que es nuestro caso.
La lavadora conseguimos el consumo gracias a su etiqueta ecológica que ponia que consumía 547,5Kw/año:
547,5 x 1.000 = 547.500 wh/año
547.500 / 365 dias el año= 1.500 wh al día.
- Lavadora: 1.500wh al día
- Microondas: 900w x 0,5h = 450 Wh/diario
- Pequeños electrodoméstico: 500w x 0,2 = 100 wh al día
Nosotros agrupamos los pequeós electrodomésticos, pero podríamos ir uno por uno, teniendo en cuenta que hay algunos receptores que no se utilizan todos los días, por ejemplo una plancha.
Imagina que utilizamos la plancha de 600w, 2 horas al día durante 3 días a la semana:
Pplanchaprevista = 300 x 2 x 3/7 = 257wh/dia.
¿Por qué ponemos 3/7?
Pues porque si fuera utilizada todos los días sería 7/7, como solo son 3 días es 3/7.
Si no sabes o no tienes posibilidad de saber las potencias reales de los electrodomésticos aquí te dejamos una tabla que te puede ayudar para hacer la previsión de potencia.
Siguiendo con nuestro caso, si sumamos los consumos, incluyendo la plancha, tenemos:
Total consumo Receptores en corriente contínua: 320 Wh/diario
Total consumo receptores en corriente alterna: 2.400 + 1.500 + 450 + 100 + 257= 4.707 wh al día.
Consumo Total de Receptores o Teórico = 320 + 4.707 wh a día = 5.027 wh/dia
Consumo Real
El consumo calculado anteriormente es el consumo de los receptores después del inversor.
El problema es que los propios equipos del generador fotovoltaico, el regulador, las baterías y el inversor, tambien consumen energía en su funcionamiento y en ellos se producen pérdidas entre su entrada y su salida.
Por ejemplo, el rendimiento del inversor suele ser del 95%, lo que significa que pierde un 5% de la energía desde que entra por el inversor hasta que sale.
Esto quiere decir que deberemos de generar más energía en los módulos fotovoltaicos para que nos llegue la energía necesaria que consumen los receptores.
Energía Generada Real = Energía Receptores + Consumo y pérdidas en los aparatos de la instalacion.
El consumo real se puede calcular de varias formas.
Nosotros como siempre, utilizamos la que consideramos la mejor.
La utilizada por nosotros es mediante la siguiente fórmula:
En nuestro el consumo Real sería:
Lmd = { 320 + (4707/0,9)}/ (0,95 x 1) = 5.842 wh/dia
Puedes ver que la diferencia entre el anterior 5027wh/dia y esta última puede ser grande.
En nuestro caso más de 800wh/día de diferencia.
OJO otra forma de realizar este calculo es mediante el Performance Ratio o Rendimiento Energético de la Instalación (PR).
Energía solar recibida VS energía entrega a la red
En resumidas cuentas es el porcentaje de pérdidas totales en la instalación
Según PVGIS se estima un 14% de pérdidas totales en una instalación fotovoltaica conectada a red, un poco más en las aisladas porque llevan más componentes.
Nota el rendimiento sería = 100 -14 = 86% (0,86)
En nuestro caso seria:
Potencia total necesaria teórica = 320 + 4707 = 5.027wh/dia
Potencia que debería generar el generador fotovoltaico para darnos esa teórica = 5.027/0,86 = 5.845wh/dia
Ya ves que no es mucha la diferencia entre una y otra calculadas.
Incluso hay otro método para calcular la energía real, es mediante el llamado "Rendimiento Global de la Instalación" R.
Es algo parecido a calcular todas las pérdidas, pero de otra forma diferente, mnediante los llamados factores de pérdidas.
En nuestro caso mas adelente veremos que hemos elegido una profundiad de descarga de 0,6 para 3 días de autonomía para baterias estacionarias.
Para baterías de Litio la profundidad de descrga será del 80% para 3 días de autonomía.
R sería = (0,7) x (1 - 0,025) = 0,7 x 0,975 = 0,68
La energía necesaria real sería = Eteorica/R = 5.027/0,68 = 7.392wh/dia
Aqui si que aumentan bastantes las necesidades energéticas porque los valores de R suelen ser pequeños, pero a mi concretamente me parece excesivo.
Nosotros nos quedamos con la de 5.842wh/dia.
Si quieres ver todas las formas posibles visita: Calculo del Consumo Real en Fotovoltaica
Calculo Previsión de Potencia
Ahora que ya tenemos calculado los consumos tenemos que hacer una previsión de la potencia instalada.
Recuerda: Carga = Potencia
Esto es necesario para conocer si la instalación necesitará Proyecto de un Ingeniero, o simplemente una Memoria Técnica de Diseño (MTD) de un Técnico electricista.
Según el REBT-ITC-10, todas las instalaciones generadoras, incluidas la fotovoltaicas, mayores de 10Kw de potencia necesitan Proyecto. Las de menor potencia prevista solo MTD.
REBT = Reglamento Electrotécnico de Baja Tension.
Además nos hará falta para la elección de alguno de los componentes de la instalación, así como para colocar el IGA y el Diferencial de Luz del cuadro general de protección de la vivienda en corriente alterna.
También hay varias formas de calcular la potencia prevista en la instalación.
Como siempre, nosotros utilizaremos la que más se utiliza, pero si quieres ver todas las otras formas posibles visita: Calculo de la Potencia Prevista en Fotovoltaica.
Para calcular la potencia prevista tenemos que sumar la potencia de cada uno de los receptores de la instalación en vatios (w) y multiplicar esta suma por un factor de simultaneidad, ya que no siempre están conectados todos a la vez.
Se suele utilizar 0,8 o 0,7 como factor de simultaneidad.
Si no sabes o no tienes posibilidad de saber las potencias reales de los electrodomésticos, utiliza la tabla de potencias que vimos anteriormente.
Nosotros mediante la tabla anterior de consumos ya sacamos las potencias.
Potencia Prevista en continua = 80w
Potencia Prevista en alterna = 2.380w
Este dato, el de la potencia, lo podemos usar por ejemplo para poner un PIA y un Diferencial de protección de la instalación, o para otros cálculos, como luego veremos.
A partir de ahora haremos los cálculos fotovoltaicos para la instalación, con los datos sacados de esta tabla.
Recordamos que los resultados obtenidos son los siguientes:
- Potencia Prevista: 2.380 w ==> No necesita proyecto
- Consumo Diario = 5.842 Wh/día.
Continuamos con el siguiente paso.
Elección de la Tensión de la instalación
Normalmente se utilizan las siguientes tensiones en función de la potencia de la vivienda:
Para nuestro caso elegiremos una tensión de trabajo de 48V, ya que la potencia es de 2.380w.
Esta será la tensión de las baterías y demás componentes de la instalación y la de uso de los aparatos que conectemos en corriente contínua.
En nuestro caso tenemos las lámparas en corriente contínua que deberán ser a 48V.
Recuerda que la tensión del generador fotovoltaico a máxima potencia (Vmp, o Wo, o Pmpp) siempre debe ser un poco mayor tensión que la de las baterías.
Esto debe ser siempre así porque la corriente siempre debe circular de los paneles a las baterías, y nunca al revés.
Recuerda: la corriente eléctrica siempre circula del sitio de mayor tensión al de menor.
Normalmente esta tensión se llama Tension de Trabajo, y esa si que es igual a la de las baterias o sistema, en nuestro caso 48V.
Eso sí, podemos poner 2, 3, 4... paneles en serie para aumentar la tensión del generador fotovoltaico hasta llegar a 48V
Recuerda: Tensión en serie = V1 + V2 + V3....
En nuestro caso elegimos paneles para uso en instalaciones a 24V con una potencia a máxima potencia o de pico de 330w y necesitaremos poner 2 paneles en serie en cada rama para obtener los 48V.
Puedes saber más en el siguiente enlace: Paneles Solares Características.
Nuestros paneles elegidos son los siguiente:
Recuerda Wp =Pmpp = potencia a máxima potencia = Impp x Vmpp; donde Impp y Vmpp son la intensidad a máxima potencia la tensión a máxima potencia.
Todos los datos que se proporcionan en los paneles son cuando a estos les llega una irradiancia (potencia solar) de 1.000w/m2 (condiciones estándar de medida = STC).
Si quieres saber más sobre estos conceptos visita: Irradiancia e irradiación.
Con los datos de nuestros paneles vamos a calcular la energía que nos proporcionará diaria cada uno de ellos.
Sabiendo la energía que nos proporciona un solo panel, solo tendremos que dividir entre la que necesitamos en total que es el consumo diario calculado anteriormente.
Un modulo o panel solar puede producir una energía diaria:
Epanel = Impp x Vmpp x HSP x 0,9 = wh/dia
Donde Impp y Vmpp son la intensidad y la tensión máxima (a máxima potencia), HSP son las horas de sol pico que depende de la zona donde se coloquen los paneles y que obtendremos de forma online, como mas adelante veremos.
El 0,9 es el rendimiento de trabajo del panel que suele ser entre el 85% y el 90% (0,9)).
El rendimiento nos determina la cantidad de energía producida por el panel después de las pérdidas, por ejemplo, por estar sucio o con polvo.
La mayoría de las veces solo nos viene especificado la potencia a máxima potencia o pico del panel, en lugar de la energía diaria del panel, pero no es problema, ya que Impp x Vmpp, es precisamente la Wp, Pmpp o Pmp (potencia pico o Pmpp potencia a máxima potencia, que son los mismo).
Podemos expresar la fórmula de la energía porporcionada por un panel en función de la potencia del panel:
Epanel = Pmpp x HSP x 0,9 = Wp x HSP x 0,9 = wh/dia
En nuestro caso que tenemos paneles de 330Wp, sería:
Epanel = 330 x HSP x 0,9.
HSP = Horas de Sol Pico.Horas de Sol Pico
¿Qué son las horas de sol pico o HSP?
Se puede definir como el número de horas en que disponemos de una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2 equivalentes a las irradiancias reales que hay durante todo el dia.
Recuerda que 1.000w/m2 es la irradiancia para la que se obtienen todas las características de los paneles, incluido la potencia pico (condiciones estándar de medida = STC).
Si tenemos un lugar que tiene 3 HSP, quiere decir que la irradiancia de todo un dia es equivalente a 3 horas a 1.000w/m2.
Es como si solo tuvieramos solo las HSP a 1.000w/m2 durante 1 dia y el resto de horas no hubiera Sol.
Si la potencia que tiene un panel, por ejemplo 330w, cuando hay una irradiancia de 1.000w/m2 es su Pmp, entonces la energía total (potencia x tiempo) que produciría un panel en un día en función de las HSP sería:
Energía producida por un módulo en un día: Pmp x HSP
Para calcular el valor de HPS se debe dividir el valor de la irradiación incidente (energía solar) entre el valor de la potencia de irradiancia en condiciones estándar de medida (STC), pues es en esas condiciones donde se cumplen las características eléctricas de los módulos fotovoltaicos.
Recuerda que si dividimos energía/potencia = Tiempo = wh / w = horas, por eso se llaman horas de sol pico.
Gdm se llama a la Irradiación en wh/m2 al día obtenida de la media de los días del mes.
HSP = Gdm/1.000
Ese valor de irradiancia en condiciones estándar de medida es de 1000 w/m2, por eso se divide entre 1.000.
Por ejemplo, si tenemos una irradiación de 3.800 Wh/m2, para pasarla a HSP, se divide entre 1.000W/m2, con lo que obtenemos 3.8 HPS.
¡¡¡OJO!!! si la irradiación viene en Kwh/m2 ese valor sería ya igual a las HSP, ya que habría que multiplicar por 1000 para pasarlo a vatios y luego dividirlo entre 1.000 para pasarlo a HSP
Si el valor de la irradiación viene expresado en KJ/m2 tenemos que convertirlo a Kwh/m2 dividiendo entre 3.600.
Imagina que queremos saber la irradiación para una inclinación de 50º, en el mes de Enero en Madrid (tabla de más abajo)
Irradiación según tabla = 11.014KJ/m2
Irradiación = 11.014 / 3.600 =3,059 Kwh/m2
Las HSP en ese mes serían 3,059
Es decir, si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día se obtienen las HSP.
Para calcular las HSP se mira la tabla de radiaciones en wh/m2, y se elige el dato del mes más desfavorable para la inclinación de los paneles que vamos a colocar, que normalmente suele ser diciembre o enero en el hemisferio norte.
Con ese dato lo que hacemos es dividirlo entre la irradiancia en condiciones normales que es 1000w/m2.
Recuerda que si calculamos nuestro generador para que nos suministre la energía necesaria en el mes con la irradiación más desfavorable, significa que el resto de meses, que son mejores, siempre tendremos el suministro necesario.
Vamos a dejar un ejemplo en el que los datos de irradiación vengan en KJ/m2 al día, que suele ser lo más normal.
Para nuestro caso de 3,58º elegimos la de 35º y nos dice que la irradiación en Enero es de 10.224 Kj/m2
Si la pasamos a Kwh dividiendo entre 3.600 tenemos que:
10.224/3600 = 2,84 Kwh/m2 es decir 2,84 HSP
Pero recuerda que la forma más fácil y fiable de obtener las HSP de una determinada ubicación es mediante la web PVGIS gratuita y lo puedes ver en el siguiente video: Calcular HSP
Nos sale en enero una irradianción solar mensual en el peor mes, que será Noviembre y para el 2020 de un valor de 103,25Kwh/m2
Como noviembre tiene 30 diás, si dividimos.
HSP = 103,25/30 = 3,44 horas de sol pico
Puedes comprobar que hay diferencia.
Nosotros elegimos esta última
Ahora que tenemos nustras HSP calculemos cuanto energía producirá cada uno de nuestros paneles al día.
Epanel = 330 x 3,44 x 0,9 = 924,56 = 1.021 wh/dia (redondeando)
Esta es la energía que nos proporciona 1 solo panel al día.
Pero..¿Cuánta energía necesitamos generar al día para nuestra instalación?
La energía real calculada anteriormente, es decir 5.842wh al día
Para calcular el número de paneles sería la energía total que necesitamos (consumo), entre la energía que nos genera un panel.
Npaneles = Energía total diaria necesaria / Energía diaria de un panel = Consumo diario /Epanel
Nº de paneles necesarios = 5.842wh / 1.021 wh = 5,7 paneles
Normalmente se redondea a uno más, pero como en nuestro caso tienen que ser pares el número de paneles, por estar en ramas de 2 en serie, redondeamos a 6 paneles.
Estos 6 paneles serían para una instalación de uso diario, es decir suministrarnos los 5.842wh los 7 días de la semana.
Para calcular el número de paneles necesarios necesitamos diferenciar entre instalaciones cuyo uso será para toda la semana, o lo que es lo mismo de uso diario (7 días) o instalaciones cuyo uso solo sea de fin de semana (2 o 3 días).
Cuando la instalación es para uso de fin de semana la fórmula cambia, ya que se necesitarán menos módulos o paneles solares, debído a que tenemos toda la semana para cargar las baterías y solo 2 o 3 días para descargarlas.
Resumiendo, nos quedarían las siguientes fórmulas:
Para uso diario (toda la semana):
Numero de paneles (uso diario) = (consumo diario a suministrar) / (HSP x rendimiento de trabajo x potencia pico del módulo)
Para Instalación de Fin de Semana (2 días):
Numero de paneles (fin de semana) = (2/7) x [(consumo diario) / (HSP x rendimiento de trabajo potencia pico del módulo)]
Si queremos 3 días será por 3/7.
Recordemos cada término de la fórmula a que se refiere.
- Consumo diario: el calculado anteriormente.
- HSP = horas de sol pico
- Rendimiento de trabajo = Perdidas por estar sucios los paneles o por su posible deterioro. Se suele utilizar 0,8 (entre 0,7 y 0,8)
- Potencia máxima o pico (Pmax), medida en vatios pico (Wp): es la potencia máxima que puede suministrar el panel, es el punto donde el producto intensidad y tensión es máxima (de pico), bajo unas condiciones estándar de medida (para irradiancia de 1000w/m2).
Ahora hagamos el calculo para nuestro ejemplo:
Np(findesemana)= (2/7) x [( 5.842) / (3,44 x 0,9 x 330)] = 1,63 Redondeando necesitamos 2 módulos o paneles solares fotovoltaicos.
Si el calculo fuese de uso diario sería:
Np(usodiario) = (5.842) / (3,44 x 0,9 x 330 )= 5,72 redondeamos a 6 paneles, como ya dijimos antes.
Puedes comprobar como la instalación de uso diario necesita más paneles solares.
Generador Solar = 6 x 330Wp = 1.980 Wp totales
Recuerda que esto es la potencia a máxima potencia o pico del generador con todas los módulos fotovoltaicos.
Para saber más: Paneles Solares.
Podríamos haber elegido paneles de 48V, pero no es el caso.
Si queremos una instalación que trabaje a 48V, como es el caso, tenemos que realizar una asociación en serie de grupos de dos placas para que se sumen las tensiones y nos den 48V.
Recuerda que las placas en serie se suman las tensiones y en las placas en paralelo se suman las intensidades.
Las asociaciones en serie se llaman string.
Veamos un ejemplo: 2 grupos en serie (strings) con dos ramas en paralelo.
La intensidad total de la instalación será la suma de la intensidad de cada rama.
Si un panel tiene una Intensidad a máxima potencia (Impp) de 8,85A, por cada rama circula esta intensidad (como máximo), pero en el conjunto de la instalación, a la salida de todos los paneles, será de 8,85 x 2 = 17,7A.
Recuerda nuestros paneles:
Para nuestro ejemplo colocaríamos 3 ramas en paralelo, con 2 paneles en serie en cada rama.
Para el calculo de las intensidades de cortocircuito (Isc) sería lo mismo, sumando las Isc de cada una de las ramas en paralelo.
En nuestros paneles coinciden las Isc con las Imp, luego sería lo mismo.
Nosotros tenemos 3 ramas en paralelo por lo que según las características para esa conexión:
Isc-total = Imp-total = 8,85 x 3 = 26,55 A
VmpTotal= 37,3 x 2 = 74,6V
VocTotal = 46,1 x 2 = 92, 2V
VdeTrabajo Total = 24 x 2 = 48V
Distancia Entre Paneles
Cuando tenemos varios paneles es posible que tengamos que hacer varias filas de paneles.
Es importante calcular la distancia mínima entre una fila y otra de paneles para que no se produzcan sombras entre ellos.
En nuestro caso necesitaremos 8 paneles de los que haremos 2 filas de 4 paneles cada uno.
La distancia entre las filas se calcula de la siguiente forma:
La distancia será superior al valor obtenido con la siguiente fórmula:
d = h / tangente (61°– Φ)
d = distancia mínima entre 2 filas
h= distancia entre la parte baja de una fila y la parte alta de la siguiente.
Φ = latitud
Esta fórmula también es válida para la distancia entre una fila de módulos y un obstáculo, y por supuesto para no tener pérdidas.
Nuestros paneles están inclinados 31,58º y tienen una altura de 196cm y una anchuro de 99 cm (ver caracteristicas de los paneles más arriba)
Luego la h de la fórmula en nuestro caso es de 31,35
Latitud de nuestra instalación era Φ = 40,42
tangente de (61-40,42) = tangente (20,58) = - 6.21
d = 31,36 / -6,21 = 5, 04cm
OJO la distancia "d" de 5.04cm será desde la vertical del primer panel al principio del segundo (ver imagen de arriba)
Algunas veces la expresión de la fórmula 1/tan (61°– latitud) se conoce cómo un coeficiente adimensional denominado k.
La fórmula quedará:
d = h x K
Y nos pueden dar el valor de K o sacarlo de alguná gráfica.
Para este último caso, si quieres aprender hacerlo visita: Distancia entre Filas de Paneles Fotovoltaicos.
Calculo de Baterías
La capacidad de las baterías viene expresada en los AmperiosHora que pueden almacenar, excepto las baterias de Litio que ya vienen directamente en Kwh.
Otro dato importante es establecer los días de autonomía, es decir, los días en que la instalación puede funcionar solo con la energía almacenada en las baterías.
Para instalaciones de uso de fin de semana se suele poner 2 días, para las instalaciones de uso diario (todos los días) se suelen poner 2, 3 o 4 días de autonomía, pero este dato depende de la instalación y de las exigencias del cliente.
Baterias de Litio
Estas baterías vienen con los Kwh de capacidad de almacenamiento, por lo que para su cálculo solo tendremos que dividir la capacidad total que necesitamos diario (consumo diario) entre la capacidad de cada batería elegida para la instalación.
Por ejemplo, si elegimos una batería de litio como la de la figura:
Resulta que tiene una capacidad de 4.900wh, pero puedo ampliarla simplemente apilando una igual sobre otra y conseguiré el doble, triple, etc dependiendo de la cantidad de baterías apiladas.
Si pongo 2, tendré una capacidad total de 4.900 x = 9.800wh = 9,8Kwh
En nuestro caso, si queremos 3 días de autonomía deberá tener una capacidad de:
Capacidad batería = 5.842wh x 3 dias = 17.526wh/dia
Normalmente se pone una profundidad de descarga del 80%, aunque pueden descargarse por completo.
C = 17.526 / 0,8 = 21.907wh/dia
Dividiendo entre la capacidad de cada una tenemos:
21.907/4.900 = 4,47 número de baterías, es decir necesitamos 5 baterías de 4.900wh
Capacidad total de nuestra batería = 5 x 4.900 = 24.500wh/dia
¡OJO! Hay que mirar bien la ficha técnica de la batería porque a veces la energía que viene en el catálogo es la energía total, pero no es la energía útil real.
Por ejemplo, imagina que fuera la energía total de 4,9Kwh pero que la energía útil o utilizable fuera 4,6Kwh.
En el caso anterior habría que sustituir 4,9Kwh por 4,6Kwh.
Baterías Estacionarias
Todavía quedan muchas instalaciones antiguas con baterías de gel, y en algunos casos se siguen utilizando en instalaciones nuevas, por eso veremos cómo se calcula para estos casos.
En las instalaciones fotovoltaicas se utilizan las baterías estacionarias OPzV (gel) u OpzS (ácido) y suelen venderse en vasos independientes de 2V y suelen durar más de 15 a 25 años.
Tenemos que conectar vasos en serie hasta que nos den los voltios totales de salida, en nuestro caso 48V = 12 vasos.
La capacidad de todos los vasos en serie es igual al de un solo vaso.
En las baterías en serie solo se suman las tensiones.
OJO ¡¡¡Nunca conectar las baterías en paralelo!!!.
Teóricamente se sumarían las capacidades, pero en la práctica conectarlas en paralelo reduce drásticamente la vida de las baterías, y siendo la parte más cara de la ISFTV (instalación solar fotovoltaica) esto nunca interesa.
En paralelo solo se puede hacer con las baterias de Litio.
Si al consumo diario (wh) lo dividimos entre la tensión de trabajo (V), tendríamos Amperioshora/dia, la unidad de capacidad de las baterías.
wh = V x I x h
wh/V = VxIxh/V = I x h = amperios hora
Recuerda: consumo diario = wh = V x I x h; si esta unidad la dividimos entre la tensión; nos queda I x h o lo que es lo mismo Amperios x hora al día.
Con una batería de estos amperioshora tendríamos energía almacenada en la batería para 1 día de consumo.
Si queremos almacenar energía para más días tendremos que multiplicar por el número de días.
Pero hay que tener otro factor en cuenta muy importante, llamado profundidad de descarga (DOD, o Pd).
La Profundidad de descarga o DOD es el tanto por ciento máximo del total de la batería que se puede descargar en un ciclo completo (carga y descarga).
En una ISFTV nunca deberá descargarse más del 80% del total de la batería, ya que en caso contrario se reduciría mucho el tiempo de vida la batería.
Suele ponerse entre un 50% y un 80% de DOD (nosotros elegiremos 0,6).
En las de Litio se puede poner casi el 100%, pero mejor 80% o 90%.
Para saber más: Baterías para Fotovoltaica.
Conclusión: Los AmperiosHoras o Capacidad de la Batería o baterías necesarias dependerá del número de días de autonomía que tiene que tener (2 fin de semana o 4 uso diario), del DOD (profundidad de descarga, normalmente entre 0,5 y 0,8) y de la tensión de trabajo (12V,24V,36V...).
La fórmula para su calculo es la siguiente:
Nota: en muchos libros no verás el 1.15, si quieres puedes no ponerlo.
Entendiendo el consumo diario como el consumo total calculado anteriormente (el 100%).
En nuestro caso:
Consumo diario: 5.842 wh/dia
Días de Autonomía: como es de uso diario 4 días.
Profundidad de Descarga de la Batería: el 60% = 0,6 para poner en la fórmula.
Tensión: 48V
Entonces la capacidad de la batería sería:
Capacidad de acumulación = [(5,842 x 4) / (0,6 x 48)] x 1,15= 811,38 x 1,15 = 933 Ah (c100) elegiremos la más cercana a esta capacidad que se venda.
El valor c100 indica que la capacidad de la batería será la suministrada por ciclos de carga de 100 h, que es la frecuencia de carga normalmente establecida en electrificación rural.
Para saber más: Baterías para Paneles Solares.
Baterias en Paralelo
Ya dijimos que en la vida real nunca se ponen en paralelo, pero verás algún libro (muchos) que las pone en paralelo.
El número de baterias en paralelo lo utilizan de la siguiente manera:
Número de Baterías en paralelo = Capacidad Total Necesaria / Capacidad de 1 batería.
Imagina que tenemos baterías de capacidad de 100 Ah, en nuestro caso necesitaríamos poner:
933Ah/100 = 9, 33 = 10 baterías en paralelo.
Pero OJO nunca se hace en las instalaciones reales, solo si no nos quedara otro remedio.
Tiene que ser capaz de regular potencias iguales a las de suministro máximo que en un momento determinado proceda de los paneles (carga), y la máxima que demanden los receptores o electrodomésticos (descarga), en caso contrario se quemaría.
Para que aguante la corriente procedente del generador fotovoltaica (de entrada), lo que se suele hacer es cumplir con las recomendación del IDAE, que dice que deben ser capaces de aguantar un 25% más de la intensidad de cortocircuito delgenerador fotovoltaico.
En resúmen, se multiplica la Isc total por 1,25, siendo el 1,25 un factor de seguridad para evitar daños ocasionales enel regulador.
Recuerda que era Isc-total del generador = 26,52A = Isc de un panel x Nº de paneles en paralelo.
Intensidad de Carga del Regulador = 1,25 x 26,52(amperios) = 33,15A
Necesitamos un regulador de 48V con una intensidad de carga mayor de 33,15A y MPPT (con seguidor del punto de máxima potencia).
Se recomienda (yo creo que es imprescindible) poner un magnetotérmico o fusibles en la caja de conexiones de los paneles en cc con capacidad de corte igual a la intensidad total de cortocircuito del generador fotovoltaico.
Este magnetotérmico, además de otras funciones, protegería el regulador de sobrecargas.
Para saber más: Regulador de Carga Solar.
Deberiamos elegir un regulador con una intensidad mayor que fuera la siguiente a esta normalizada, en nuestro caso sería un regulador con una corriente de entrada de 50A.
Otra forma de calcularlo es dividiendo la potencia máxima de cada panel por el número de paneles en total y esto dividirlo entre la tensión.
Recuerda que Potencia/Tensión = Intensidad.
De esta forma sería:
Intensidad regulador = (330w x 6 paneles)/48 = 41,25A
Con los 2 métodos nos valdría el elegido, Ientrada = 50A.
Otro dato que suele venir en los reguladores es la tensión máxima de circuito abierto permitida (Vccmáx) del regulador, que puede consultarse en la ficha de características técnicas proporcionada por el fabricante.
Debe ser mayor que la tensión a circuito abierto total del generador al que se conecta, que en nuestro caso si nos fijamos en la placa de características de los paneles elegidos sería:
VocTotal = 92,2V
OJO ahora vamos a calcular la corriente de salida, pero esto solo sería necesario si conectaramos el regulador directamente al inversor, cosa que nunca debe hacerse.
El regulador tendrá una Intensidad de entrada máxima de 50A que suministran los paneles, y saldrán hacia la batería como máximo 50A, ya que nunca nos pedirá intensidad el inversor, solo la batería y esta es la máxima que la podemos suministrar.
En mucho libros se calcula la Intensidad de salida, nosotros te dejamos cómo sería, pero repito, no se utuliza nunca.
Para la corriente de salida, debemos utilizar las cargas en corriente contínua más las de alterna.
Isalida-regulador = [Pcc + (pca/rendimiento inversor)]
Recuerda que: Potencia / V = Intensidad
A esta fórmula también se le suele poner el 1,25
Isalida-regulador = 1,25 x [Pcc + (pca/rendimiento inversor)]
En nuestro caso tenemos en cc lámparas con una potencia de 80w y una potencia instalada en alterna de 3.400w con un rendimiento del inversor del 90% (0,9)
Isalida-regulador = 1, 25 [80 + (3.400/0,9)] / 48 = 100,46A
Intensidad de Consumo: 100A
Normalmente a la hora de comprar un regulador, en la placa de características del regulador viene la intensidad máxima que soporta a la entrada o intensidad máxima de carga, que es la máxima que puede recibir de los paneles y la intensidad máxima de consumo, la máxima que puede suministrar a la instalación.
Suelen coincidir las dos, aunque en algunos caso no es así.
De todas formas, repetimos que este último cálculo nunca debe hacerse porque nunca se conectar el regulador directamente al inversor.
Recordamos las 2 condiciones:
- Isc-total del generador = 1,25 x Isc x Nº de paneles en paralelo
Isc = intensidad cortocircuito de 1 panel
- Tensión máxima del Regulador > Tensión máxima a circuito abierto del generador fotovoltaico
Y recordamos algo muy importante: No se deben conectar nunca las placas solares antes de conectar las baterías al regulador.
Si el regulador de carga no puede entregar la corriente que obtiene de los paneles solares, el regulador no será capaz de disipar toda la corriente sobrante en forma de calor, y se quemará el regulador.
En algunas instalaciones se opta por poner varios reguladores en paralelo más pequeños.
Para calcular el número de reguladores sería:
Otra opción es poner varios reguladores en paralelo.
Número de reguladores en paralelo= I total reguladores / I de un regulador
¡¡¡OJO!!! los bornes de cc del regulador se suelen conectar aparatos de cc para usar como cargador o las lámparas como es nuestro caso, no para conectar el inversor.
De esta forma podemos utilizar la energía generada para conectar los receptores habituales en c.a. como lámparas, tv, electrodomésticos, etc.
Además en nuestro caso conectaremos el inversor a las baterías.
Debemos elegir un inversor cuya potencia nominal sea igual a la potencia que debe suministrar a las cargas que se van a conectar al inversor en alterna, y además, que tenga la misma tensión de entrada y salida que la instalación.
Cuando hicimos la tabla de consumos y potencia, la potencia instalada en alterna era de 3.400w (sin factor de simultaneidad), es decir la suma del total de las potencias de los receptores de la instalación.
OJO potencia instalada, que es la total, no la potencia prevista.
Solo en el caso de que nuestra instalación tenga muchos receptores, se puede poner un factor de simultaneidad igual al de la potencia prevista, aunque yo no lo recomiendo
En nuestro caso utilizamos la instalada que era de 3.400w y con tensión de entrada a 48V y tensión de salida a 230V.
Algo muy importante en el inversor es tener en cuenta que al enchufar electrodomésticos con motores, estos suelen tener picos de corrientes elevados en los arranques.
Esto puede producir que se queme el inversor.
Para evitar esto se suele sobredimensionar multiplicando por 1,25 la potencia de los receptores (un 25% mas de la potencia prevista).
Aplicamos la sobredimensión = 3.400 x 1,25 = 4.250 w.
Para nuestro ejemplo lo más lógico sería un inverso o convertidor de 5.000w de potencia nominal, con una tensión de entrada de 48V y de salida a 230V y 50Hz de frecuencia.
Por supuesto de onda senoidal (corriente alterna).
Nota Importante: Poner siempre unos fusibles o magnetotérmico entre la batería y el inversor para protegerlo.
La intensidad de estos fusibles seria igual a la potencia del inversor dividida entre la tensión.
En nuestro caso: 5.000w/48V = 104A.
Mejor que se queme un fusible que no el inversor en caso de un pico de corriente elevado.
Recuarda: el inversor debe ser:
Potencia inversor = 1.25 x Potencia Total receptores en alterna
En muchos libros verás x 1.10 o 1,20.
Para saber más: Inversor Fotovoltaico.
Todos los conductores deben cumplir 2 condiciones:
2ª) No superar la intensidad máxima admisible según el REBT.
La intensidad máxima que aguanta la sección del cable tiene que ser mayor que la intensidad máxima que podrá circular por el.
El reglamento REBT publica unas tablas donde especifica la intensidad máxima admisible de un conductor en función del tipo de instalación y del tipo de aislante utilizado para que el conductor no se caliente en exceso durante su uso.
Esto se suele llamar condición térmica.
1ª) No superar la máxima caída de tensión permitida entre 2 puntos de una instalación.
En el caso de una instalación fotovoltaica según la recomendaciones del IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía) serán diferentes para cada tramo de la instalación, siendo:
La fórmula para el cálculo de la sección, para que cumpla la caída de tensión máxima es:
Fíjate como el valor de la conductividad que debemos poner depende del tipo de aislante que tenga el cable (PVC o XLPE) y la temperatura que se exige según sea de cobre o de aluminio.
En nuestro caso que es de PVC y de Cobre el valor que usaremos será de 48.
El 2 de la fórmula sale de que la distancia total de los conductores, ya que es el doble de la de distancia entre aparatos (ida y vuelta)
Además de las 2 condiciones anteriores debemos tener en cuenta lo siguiente:
- Según recomendaciones IDAE, las mínimas secciones de cables en cada una de las líneas, deberían ser al menos:
- 2,5 mm2 del generador al regulador.
- 4 mm2 del regulador a las baterías.
- Según IDAE Cuando las tensiones nominales en continua sean superiores a 48 V, la estructura del generador y los marcos metálicos de los módulos estarán conectados a una toma de tierra, que será la misma que la del resto de la instalación.
Como previamente hemos diseñado nuestra instalación tenemos que conocer las tensiones, las intensidades y las longitudes en cada tramo de la instalación.
Aqui haremos los cálculos, pero si quieres aprender hacerlos paso a paso visita: Seccion Conductores en Fotovoltaica
Los datos de nuestra instalación son:
- Las distancias en las diferentes partes en las que dividiremos la instalación son:
- La caja de conexiones lleva un interruptor magnetotérmico, que luego veremos cómo se calcula.
- Para nuestro instalación utilizamos paneles de 330Wmp (potencia a máxima potencia) y con una intensidad de cortocircuito Isc de 8,85A.
- Utilizamos los siguientes paneles:
Además colocaríamos 4 ramas en paralelo con 2 paneles fotovoltaicos en serie de 24V cada uno en cada rama (string) para conseguir los 48V de la instalación.
En total tenemos 6 paneles con 3 ramos en paralelo
Con esta instalación el generador sería de 48V y con una Isc total de 8,85 x 3 = 26,55A.
El magnetotérmico
En nuestro caso la Isc y la Intensidad a máxima potencia coinciden.
Intensidad a máxima potencia total 8,85 x 3 = 26,55A
OJO no siempre coinciden la Isc y la Imp del panel.
Para las calculos de secciónes siempre usaremos la Isc.
Potencia Nominal o a máxima potencia del generador 330 x 6 = 1.980w.
- La instalación de los receptores, en el calculo de la previsión de potencia, tenemos una potencia instalada de 3.400w pero sobredimensonada para el inversor multiplicando por 1,25 nos sale de 4.250w y una Energía o Consumo previsto de 5.027wh/día (para el calculo de secciones este último dato no nos será necesario).
Recordar que pusimos un inversor de 5.000w.
- Vamos a utilizar en toda la instalación cable tipo PV ZZ-F, de cobre, unipolares, con aislamiento de PVC, fabricado especialmente para instalaciones fotovoltaicas y que cumple con todas las normativas exigidas.
Aqui puedes ver todas las características de este tipo de cable. Cable PV ZZ-F el color de los cables en la parte de corriente contínua será rojo para el positivo y negro para el negativo.
- Instalación a 48V en corriente continua y 230V en corriente alterna.
- Caída de tensión del 1% de 48V = 48 x1/100 = 0,48V.
Caída de tensión del 3% para 48V = 48 x 3/100 = 1,44V.
Caída de tensión del 3% para 230V = 6,9V.
Ahora vamos empezar con los cálculos.
Dividiremos la instalación en partes para calcular las diferentes secciones.
Parte desde los paneles hasta la caja de conexiones de continua
Este tramo de cableado comprende la conexión desde la salida de los módulos fotovoltaico conectados en serie (string), considerando el más alejado, hasta la entrada a la caja de conexiones.
Si te fijas en el esquema, la instalación consta de varios string (conexiones en serie de paneles).
Cada String es de 2 paneles para obtener una tensión de 48V, ya que cada panel trabaja a 24V (en serie se suman las tensiones).
Además la intensidad de cada rama o string, es la misma que la de un solo panel, ya que en serie las intensidades son las mismas.
La máxima intensidad que podría circular por el cable es la intensidad de cortocircuito Isc de un solo panel.
Los paneles elegidos tienen una Isc de 8.85A.
Luego Intensidad máxima por los cables desde los Paneles hasta la Caja conexiones = 8,85A.
Caída de tensión máxima permitida según REBT del 3% de 48V = 1,44V.
Se podría hacer con la intensidad a máxima potencia, pero es mejor con el caso más desfavorable, es decir siempre con la Isc.
Por los cables de esta parte circulará una intensidad máxima de 8,85A desde la salida de un string hasta la caja de conexiones y están instalados al aire (no enterrados) por lo que colocamos los cables sobre pared de madera o prefabricada con aislamiento de PVC.
Según el REBT en su ITC 019 estaríamos hablando de una instalación “Tipo C”, y al ser dos terminales (2X PVC), estaríamos en el caso de “columna 7”.
Bajando por esta columna encontramos que la siguiente intensidad a soportar superior a los 8,85A sería la primera que encontramos de 16A cuya sección para cumplir la condición térmica o de máxima intensidad es de 1,5mm2.
Quiere decir que con esta sección aguantaría la intensidad que circulará por el (8,85) sin que se caliente, ya que esta sección aguantaría sin calentarse hasta 16A.
Nosostros aumentamos un poco la sección y elegimos de 2,5mm2 que es la que recomienda mínimo del generador al regulador el IDAE.
Pasamos a la segunda condición, caída de tensión máxima permitida que es del 3%. Aplicando la fórmula:
S = (2 x 2m x 8,85A) / (1,44 x 48) = 35,4/69,2 = 0,5mm2 ==> quiere decir que para esta sección la caída máxima que tendrá será de 1,44V desde el string más alejado, para el resto será menor.
Como esta sección es menor de la anterior, cogeremos la de 2,5mm.
Con una sección de cable entre los paneles y la caja de conexiones de 2,5mm2 cumplimos las 2 condiciones.
Pasemos al siguiente tramo
Parte de la caja conexiones al regulador
En la caja de conexiones se debe colocar un magnetotérmico a la salida de los paneles que corte todos los paneles solares (todos los string unidos en paralelo).
Este magnetotermico es útil para varias cosas.
Primero, si le llega más intensidad al regulador de la calculada por algún motivo como cortocircuito, podemos quemar el regulador, si tenemos el Magnetotérmico, esto no pasará porque saltará.
También es útil en caso de tener que quitar la batería para poder desconectar las placas para antes y no quemar el regulador al no tener donde descargar la energía procedente de los paneles.
Además este Magneto facilita y da seguridad a las operaciones de mantenimientos y reparación de averías.
A partir de un voltaje de trabajo de 48 V, donde ya se generan intensidades peligrosas para el ser humano, la instalación de un interruptor magnetotérmico de CC debería ser, entre otras medidas de protección, considerada obligatoria.
Si conocemos la Intensidad de corte de este magnetotérmico, esa será la máxima que circulará por los cables que van hasta el regulador y la que tendremos en cuenta para el calculo de su sección y del regulador.
Recuerda que para una intensidad mayor saltará.
Pero veamos como calcular la intensidad para elegir este magnetotérmico.
En lugar de magnetotérmico podemos utilizar fusibles, son más baratos, pero no se rearman tan fácilmente, aunque si la instalación está bien dimensionada no suelen dar problemas.
Una vez llegan a la caja de conexiones cada una de las ramas de los paneles independientemente, aquí es donde se unen en paralelo mediante bornas de conexión.
A Partir de aquí la intensidad total será la suma de todas las intensidades de cada una de las ramas.
En nuestro caso tenemos 3 ramas, por lo que la Isc total será, Isct = 8,88 x 3 = 26,55A.
Lo lógico es que si por ejemplo, el regulador es de 50A, la protección y los conductores sean para esa misma intensidad.
Por eso la que normalmente utilizamos es la Intensidad de Carga del Regulador que ya calculamos y era de 50A.
Recordamos:
Intensidad de Carga del Regulador 33,15A
Con esa Icarga elegimos un magnetotérmico de 50A.
La Intensidad máxima entre la caja de conexiones y el regulador será de ese valor= 50A.
Recuerda que también puedes poner fusibles y elegir un regulador de 50A de intensidad de carga, o colocar varios en paralelo, dividiendo las ramas entre el número de reguladores.
Conclusión: Nunca pasará más de 50A por los cables, ya que saltaría el magnetotérmico.
¿Podría darnos los paneles 50A en algún momento en lugar de 33,15A?
La respuesta es que si, si las condiciones son muy buenas para los paneles, como explicaremos a continuación.
¿Por qué usamos la Isc en lugar de la Intensidad a máxima potencia (Imp)?
En muchos libros he podido comprobar que utilizan la intensidad a máxima potencia para los cálculos y creo que es un error.
La explicación es sencilla.
La intensidad máxima potencia de un panel es para unas condiciones llamadas estándar, a 25ºC y 1.000w/m2 de irradiancia.
Los paneles en algún momento podrían estar sometidos a condiciones incluso mejores que las estándar, en cuyo caso proporcionarían más intensidad de la intensidad a máxima potencia (ver curvas V-I de un panel fotovoltaico en Paneles Fotovoltaicos).
Si lo hubiéramos calculado para la Imp estaríamos perdiendo energía generada porque cortaría el magneto.
Es verdad que la Isc también es para condiciones estándar, pero al ser más o menos un 10% de la Imp, el dimensionado es mucho eficiente antes de que salte el magnetotérmico.
Recuerda además que el regulador tenía una intensidad de entrada de 50A en nuestro ejemplo.
Nota: los reguladores suelen llevar su propia protección (suele ser un fusible), aún así es recomendable poner el magnetotérmico por las razones anteriores.
Hecho estas aclaraciones, sigamos con nuestros cálculos.
OJO este tramo los cables van enterrados, con lo que la Instrucción del Reglamento que debemos utilizar es la ITC-07 para líneas subterráneas de baja tensión.
Para cumplir el criterio de la intensidad máxima vamos a la ITC-007 y en la tabla tenemos que para PVC de cobre unipolares la intensidad siguiente a 50A es de 63A y cuya sección sale de 6mm2.
Veamos ahora la sección para cumplir el criterio de la caída de tensión.
Caída de tensión máxima el 3% hasta el regulador, con lo sigue siendo el 3% de 48V = 1,44V.
Intensidad máxima 50A.
Aplicando la fórmula tenemos:
S = (2 x 3m x 50A) / (1,44 x 48) = 300 /69,2 = 4,33mm2 ==> esta claro que con la sección de 6mm2 cumplimos las 2 condiciones.
Sección del Cable desde la Caja de Conexiones al Regulador de 6mm2
OJO si tenemos 2 reguladores, tendremos que calcular la sección para cada tramo a cada regulador, con la intensidad de entrada de cada regulador.
Parte de la Salida del Regulador a la Batería
En esta parte se calcula para la misma intensidad que la anterior, ya que es la máxima que puede salir del regulador hasta las baterías, y solo si tenemos 1 regulador.
OJO si tenemos 2 reguladores, tendremos que sumar las intensidades de salida de los 2 reguladores, que es la máxima que puede salir dirección baterías.
Nota: no se utiliza la I de salida calculada para el regulador mediante la potencia de los receptores porque esto solo sería si conectaramos el regulador al inversor directamente, y esto no se debe hacer nunca.
Esta parte de la instalación no suelen ser cables enterrados como desde la caja al regulador, por lo que se utilizará la tabla de la ITC 019 para la sección por la intensidad máxima admisible.
Según tabla ITC 019 si ponemos los cables con conductores aislados en tubos en montaje superficial o empotrados en obra "Tipos B1" y 2X PVC tenemos que la siguiente intensidad mayor a 50A es justo de 50A, igual que la nuestra.
Para esa intensidad la sección para que cumpla la condición térmica de máxima intensidad es de 10mm2.
Veamos ahora la sección para cumplir máxima caída de tensión, que este caso será del 1% de 48V, es decir 0,48V como máximo. Aplicando la fórmula:
S = (2 x 0,5m x 50A) / (0,48 x 48) = 50/23,04 = 2,17mm2
==> esta claro que si ponemos una sección de 10mm2 cumplirá con las 2 condiciones.
Sección Cables desde el Regulador a la Batería de 10mm2
Parte Batería al Inversor
La corriente que circulará por estos conductores será la que le demande el inversor, es decir la que demanden las cargas, pero en corriente contínua.
OJO en esta parte hemos sobredimensionado la potencia prevista para tener en cuenta los picos de arranque de los motores de la instalación.
Recuerda que en nuestra instalación la potencia prevista era de 3.400w, pero se sobredimensiona a 4.250w y el inversor es de 5.000w.
En esta parte la intensidad se calcula dividiendo la potencia del inversor entre la tensión.
Imáxima = 5.000/48V = 104,16A.
Entre la batería y el inversor es recomendable (yo diría obligatorio) poner un magnetotérmico de protección, de igual o parecida intensidad a la calculada anteriormente.
También puede ser un fusible.
Para este ejemplo hemos decidido poner fusibles de protección a la salida de la batería de 105A.
Recuerda que esta será la intensidad que usaremos en los cálculos, la de los fusibles de protección, ya que nunca pasará más de esa cantidad.
Cuidado el elemento de protección usado no sea de una intensidad mucho mayor a la máxima del inversor ya que se podría quemar y no cumplir para lo que se puso.
Normalmente los inversores tienen un porcentaje que aguantan de intensidad mayor a la máxima para la que están diseñados.
Si el cable esta instalado como del regulador a la batería, en la tabla de la ITC 019 tenemos que para 105A la siguiente es de 125A y una sección de 50mm2
Según la caída máxima de tensión del 1% (0,48V) aplicando la fórmula para corriente continua tenemos:
S = (2 x 1m x 105A) / (0,48 x 48) = 210/23,04 = 9,11mm2
==> esta claro que si ponemos una sección de 50mm2 cumplirá con las 2 condiciones.
Sección Cable desde la Batería al Inversor de 50mm2
Estas 2 partes, regulador-batería y batería-inversor suelen ser las de mayor sección de los cables por lo que se recomienda que sea el cable lo más corto posible.
Parte Inversor Instalación de Alterna
A la salida del inversor hasta el cuadro de protección de la vivienda o entrada a la instalación en alterna tenemos una intensidad de 5.000w230V = 21,7A.
Si el cable va colocado como en los anteriores casos B1 en 2xPVC, tenemos que la tabla de la ITC 019 la intensidad buscada más cercana a 21,7A es de 27A y sale una sección de 4mm2.
OJO aquí los cables ya no serán rojo y negro, serán azul y negro que son los colores para la fase y el neutro de la instalación en alterna.
Veamos la caída de tensión máxima admisible.
Aquí es del 3%, pero de 230V, es decir 6,9V.
Apliquemos la fórmula:
S = (2 x 2m x 21,7A) / (6,9 x 48) = 86,8/331,2 = 0,26mm2
==> esta claro que si ponemos una sección de 4mm2 cumplirá con las 2 condiciones.
Además recuerda que no se recomienda poner conductores menores de 4mm2 en la parte de corriente alterna.
Sección Cables (fase y Neutro) a la Salida del Inversor hasta la Instalación en alterna de 4mm2
Aqui tienes las diferentes secciones calculadas de nuestra instalación de ejemplo:
Nota Final
Si te has dado cuenta, la que realmente nos determina la sección en este tipo de instalaciones es la intensidad máxima admisible para no sufrir calentamiento excesivo los conductores, ya que al ser las distancias muy cortas el criterio de la máxima caída de tensión siempre suelen darnos secciones muy pequeñas.
Ahora hay muchos inversores que llevan incluido el regulador con la instalación de unión de estos 2 componentes unidas en su interior.
En estos casos no habrá que calcular la sección de la batería al regulador, solo la de la batería al inversor.
Terminales Para Conectar los Paneles
Una vez que tenemos la sección de los cables tendremos que elegir los
terminales para unir los cables a nuestros paneles.
Estos terminales deben ser estanco, es decir protegidos contra el agua, la humedad y también contra desconexiones accidentales. Los más utilizados son los llamados Terminales "TYCO" y los MC3 o MC4.
Para saber más sobre conectores y terminales: Conectores Eléctricos.
Para finalizar, decirte que en internet tenemos una página calculadora online de la instalación que podemos usar, aunque lo más recomendable es calcular la instalación nosotros tal y como vimos.
Aquí te dejamos el enlace al Calculador Online Instalación Fotovoltaica.
Instalación en Latitud 37º para todo el año, con un consumo estimado de 5.000wh/dia, con tensión a 48V y 3 días de autonomía.
Datos de Costes de Otras soluciones posibles
En este instlación nos falta el dimensionado del regulador y del inversor.
Si quieres aprender todos los componentes de una instalación fotovoltaica, su cálculo y diseño te recomendamos el siguiente fantástico libro:
Libro Instalaciones Fotovoltaicas
Escrito y Publicado por: Ernesto Rodriguez; Profesor IES Amurga Sistemas Electrotécnicos y Automáticos (España).
email: areatecnologia arroba areatecnologia.com
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© Se permite la total o parcial reproducción del contenido, siempre y cuando se reconozca y se enlace a este artículo como la fuente de información utilizada.
Aislada de la Red Eléctrica significa que toda la energía que consumimos en nuestra vivienda, local, casa, etc es la generada por nuestra instalación fotovoltaica.
Pero antes de empezar, queremos recomendarte este fantástico libro con el podrás calcular y diseñar todo tipo de instalaciones fotovoltaicas, así como aprender el funcionamiento de todos los componentes que las forman:
Libro Instalaciones Fotovoltaicas
Indice de Contenidos
- Datos Iniciales
- Orientación e Inclinación de los Paneles
- Orientación
- Inclinación
- Ángulo Máximo y Mínimo
- Consumo de los Receptores
- Consumo Real
- Prevision de Potencia
- Elección de la Tensión
- Calcular el Número de Paneles
- Horas de Sol Pico (HSP)
- Paneles Fin de Semana o Diario
- Potencia del Generador Fotovoltaico
- Conexión Placas Fotovoltaicas
- Distancia entre Fila de Paneles
- Cálculo de la Bateria
- Cálculo del Regulador
- Cálculo del Inversor
- Cálculo de la Sección de los Conductores
- Terminales Para Conectar los Paneles
- Ejemplo 2 en Video
- Otros Ejemplos de Cálculos
Lo primero que te dejamos es un resúmen de todos los datos necesario que tenemos que llegar a calcular o dimensionar:
Ahora empecemos con el ejemplo:
Datos
Para la Primera Instalación los datos iniciales serían:
Aislada de la red, situada en Madrid (latitud 40,42º) y para todo el año.
Para alimentar los receptores que veremos más adelante en el apartado de consumos.
Orientación e Inclinación de los Paneles
Orientación de los Paneles
La orientación óptima de los módulos fotovoltaicos es siempre mirando al Sur, pero en algún caso y segun la aplicación PVGIS es mejor desviarlo un poco, como luego veremos.
OJO si la instalación estuviera en el hemisferio Sur, la orientación óptima sería el Norte.
Este ángulo se llama acimut o azimut y se representa por la letra α.
Una desviación de este ángulo de hasta 15º respecto a la orientación óptima hace disminuir muy poco la radiación solar captada por nuestros paneles, por lo que no habría problema que no fuera exactamente de 0º.
Pero ¡¡¡OJO!!!, deben evitarse desviaciones superiores a este valor, y en caso de ser mayores tendremos que realizar los cálculos por pérdidas por orientación e inclinación y comprobar que están dentro de los límites permitidos.
En nuestro caso colocamos los paneles en direccion Sur es decir:
Acimut = 0º
Ya sabemos la orientación, veamos la inclinación.
Inclinación de los Paneles
Si utilizamos la aplicación web de PVGIS nos determina un ángulo óptimo de 31,58º
𝛃 óptimo = 31,58º
Recuerda que PVGIs se basa en datos recogidos del último año, incluso de varios años, para determinar el ángulo y azimut óptimos.
Para ver este método y otros visita: Cálculo Inclinación Paneles Solares.
También podríamos elegir el ángulo òptimo recomendado por el IDAE para todo el año que sería latitud menos 10º y sería de 30,42º,la diferencia no se notaría en nada prácticamente.
En caso de no colocar nuestros módulos o paneles fotovotoltaicos con la orientación e inclinación optima deberemos calcular las pérdidas producidas, para comprobar que no se superan las permitidas por el el IDAE.
Si quieres saber cómo se calculan las pérdidas por no colocarlos con la inclinación óptima visita: Pérdidas en Fotovoltaica
Además, también debemos de comprobar que el ángulo elegido está dentro de los límites que marca el IDAE.
Ángulo Máximo y Mínimo Permitido
Hay veces que no podemos o no queremos poner el ángulo óptimo de inclinación.Para estos casos es oblilgatorio, para los otros recomendables, comprobar que nuestro ángulo de inclinación est´ña dentro de los límites que nos marca el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía).
Se calculan los límites de inclinación aceptables en función de la diferencia entre la latitud del lugar en cuestión y la de 41°, de acuerdo a las siguientes fórmulas:
Inclinación máxima = Inclinación máxima para 41° – (41° – latitud).
Inclinación mínima = Inclinación mínima para 41° – (41° – latitud), siendo 0° su valor mínimo.
Sabiendo que:
Inclinación máxima para 41º= 60°
Inclinación mínima para 41º= 7°
Para nuestra instalación, que tiene una latitud de 40,42º sería:
Inclinación máxima = 60° – (41° – 40,42°) = 59,42°
Inclinación mínima = 7 ° – (41° – 40,42°) = 6,42°
Siempre que salga un número negativo se considera inclinación mínima la horizontal, es decir 0º.
En nuestro caso los módulos fotovoltaicos deben tener un ángulo de inclinación menor de 59,42 y mayor de 6,42º.
Com o la inclinación elegida era de 31,58º estaría dentro de los límites.
Consumo de los Receptores
Este puede ser el paso más complicado, pero también el más importante a la hora de diseñar nuestra instalación fotovoltaica aislada.
Hacer una buena estimación de la potencia y del consumo es esencial para dimensionar correctamente la instalación y no tener problemas de suministro.
La recomendación es comprar todos los electrodomésticos de la mayor eficiencia energética, a ser posible A+++, ya que el consumo será menor y todos los elementos de la instalación serán más baratos.
Nota: Consumo es lo mismo que energía y se expresa en wh/dia y Carga es lo mismo que potencia.
Energia = Consumo
Potencia = Carga
Previsión de Energía consumida = Previsión de Consumo en wh/dia (vatios hora al día)
Previsión de Carga = Previsión de Potencia en w (vatios)
Para hacer el cálculo del consumo estimado en wh al día (wh/dia) tenemos varias opciones.
Nosotros en este ejemplo utilizaremos la que consideramos la mejor.
Si quieres ver las otras opciones visita: Consumos y Potencia en Fotovoltaica
Si conocemos los electrodomésticos que se usarán en la vivienda exactamente se sumarán los consumos diarios de cada uno de los electrodomésticos (receptores).
Estos consumos suelen venir en las etiquetas de los aparatos.
Si no sabemos los consumos, pero sabemos la potencia de cada electrodomésticos, los consumos de cada uno se calcula multiplicando la potencia de cada receptor por el número de horas que se estima estará conectado a la instalación en un día.
La suma de todos estos consumos será el consumo total de los receptores, en muchos libros se llama "Consumo Teórico".
Veamos como calculamos el consumo estimado de nuestra instalación:
- Bombillas o lámparas en corriente contínua: 8 unidades x 10 vatios (100%) x 4 horas al día = 320 Wh/diario
Nota: algunas instalaciones utilizan lámparas de corriente contínua conectadas directamente a la salida de cc del regulador.
Cuando el generador fotovoltaico está generando energía la utiliza directamente del propio generador y por la noche cogería la energía de las baterias por medio del regulador.
Ventajas: menos energía y potencia en corriente alterna y por lo tanto menor será el inversor necesario y menores las pérdidas en el propio inversor.
Incovenientes: los electrodomésticos en corriente continua, e incluso la iluminación suelen ser más caros que los de corriente alterna.
Nosotros ponemos la iluminación en corriente continua para que al cálculo sea mas amplio, aunque no suele ser el caso.
- Nevera o refrigerador: 12 h/día x 200 W = 2.400 Wh/diario.
La nevera o refrigerador solo consume cuando trabaja el compresor para mantener la temperatura en el interior, sobretodo cuando abrimos y cerramos la puerta.
El compresor es el que tiene una potencia de 200w.
Podemos considerar que solo trabajará la mitad del tiempo (50% = 12h), que es nuestro caso.
La lavadora conseguimos el consumo gracias a su etiqueta ecológica que ponia que consumía 547,5Kw/año:
547,5 x 1.000 = 547.500 wh/año
547.500 / 365 dias el año= 1.500 wh al día.
- Lavadora: 1.500wh al día
- Microondas: 900w x 0,5h = 450 Wh/diario
- Pequeños electrodoméstico: 500w x 0,2 = 100 wh al día
Nosotros agrupamos los pequeós electrodomésticos, pero podríamos ir uno por uno, teniendo en cuenta que hay algunos receptores que no se utilizan todos los días, por ejemplo una plancha.
Imagina que utilizamos la plancha de 600w, 2 horas al día durante 3 días a la semana:
Pplanchaprevista = 300 x 2 x 3/7 = 257wh/dia.
¿Por qué ponemos 3/7?
Pues porque si fuera utilizada todos los días sería 7/7, como solo son 3 días es 3/7.
Si no sabes o no tienes posibilidad de saber las potencias reales de los electrodomésticos aquí te dejamos una tabla que te puede ayudar para hacer la previsión de potencia.
Siguiendo con nuestro caso, si sumamos los consumos, incluyendo la plancha, tenemos:
Total consumo Receptores en corriente contínua: 320 Wh/diario
Total consumo receptores en corriente alterna: 2.400 + 1.500 + 450 + 100 + 257= 4.707 wh al día.
Consumo Total de Receptores o Teórico = 320 + 4.707 wh a día = 5.027 wh/dia
Consumo Real
El consumo calculado anteriormente es el consumo de los receptores después del inversor.
El problema es que los propios equipos del generador fotovoltaico, el regulador, las baterías y el inversor, tambien consumen energía en su funcionamiento y en ellos se producen pérdidas entre su entrada y su salida.
Por ejemplo, el rendimiento del inversor suele ser del 95%, lo que significa que pierde un 5% de la energía desde que entra por el inversor hasta que sale.
Esto quiere decir que deberemos de generar más energía en los módulos fotovoltaicos para que nos llegue la energía necesaria que consumen los receptores.
Energía Generada Real = Energía Receptores + Consumo y pérdidas en los aparatos de la instalacion.
El consumo real se puede calcular de varias formas.
Nosotros como siempre, utilizamos la que consideramos la mejor.
La utilizada por nosotros es mediante la siguiente fórmula:
En nuestro el consumo Real sería:
Lmd = { 320 + (4707/0,9)}/ (0,95 x 1) = 5.842 wh/dia
Puedes ver que la diferencia entre el anterior 5027wh/dia y esta última puede ser grande.
En nuestro caso más de 800wh/día de diferencia.
OJO otra forma de realizar este calculo es mediante el Performance Ratio o Rendimiento Energético de la Instalación (PR).
Energía solar recibida VS energía entrega a la red
En resumidas cuentas es el porcentaje de pérdidas totales en la instalación
Según PVGIS se estima un 14% de pérdidas totales en una instalación fotovoltaica conectada a red, un poco más en las aisladas porque llevan más componentes.
Nota el rendimiento sería = 100 -14 = 86% (0,86)
En nuestro caso seria:
Potencia total necesaria teórica = 320 + 4707 = 5.027wh/dia
Potencia que debería generar el generador fotovoltaico para darnos esa teórica = 5.027/0,86 = 5.845wh/dia
Ya ves que no es mucha la diferencia entre una y otra calculadas.
Incluso hay otro método para calcular la energía real, es mediante el llamado "Rendimiento Global de la Instalación" R.
Es algo parecido a calcular todas las pérdidas, pero de otra forma diferente, mnediante los llamados factores de pérdidas.
En nuestro caso mas adelente veremos que hemos elegido una profundiad de descarga de 0,6 para 3 días de autonomía para baterias estacionarias.
Para baterías de Litio la profundidad de descrga será del 80% para 3 días de autonomía.
R sería = (0,7) x (1 - 0,025) = 0,7 x 0,975 = 0,68
La energía necesaria real sería = Eteorica/R = 5.027/0,68 = 7.392wh/dia
Aqui si que aumentan bastantes las necesidades energéticas porque los valores de R suelen ser pequeños, pero a mi concretamente me parece excesivo.
Nosotros nos quedamos con la de 5.842wh/dia.
Si quieres ver todas las formas posibles visita: Calculo del Consumo Real en Fotovoltaica
Calculo Previsión de Potencia
Ahora que ya tenemos calculado los consumos tenemos que hacer una previsión de la potencia instalada.
Recuerda: Carga = Potencia
Esto es necesario para conocer si la instalación necesitará Proyecto de un Ingeniero, o simplemente una Memoria Técnica de Diseño (MTD) de un Técnico electricista.
Según el REBT-ITC-10, todas las instalaciones generadoras, incluidas la fotovoltaicas, mayores de 10Kw de potencia necesitan Proyecto. Las de menor potencia prevista solo MTD.
REBT = Reglamento Electrotécnico de Baja Tension.
Además nos hará falta para la elección de alguno de los componentes de la instalación, así como para colocar el IGA y el Diferencial de Luz del cuadro general de protección de la vivienda en corriente alterna.
También hay varias formas de calcular la potencia prevista en la instalación.
Como siempre, nosotros utilizaremos la que más se utiliza, pero si quieres ver todas las otras formas posibles visita: Calculo de la Potencia Prevista en Fotovoltaica.
Para calcular la potencia prevista tenemos que sumar la potencia de cada uno de los receptores de la instalación en vatios (w) y multiplicar esta suma por un factor de simultaneidad, ya que no siempre están conectados todos a la vez.
Se suele utilizar 0,8 o 0,7 como factor de simultaneidad.
Si no sabes o no tienes posibilidad de saber las potencias reales de los electrodomésticos, utiliza la tabla de potencias que vimos anteriormente.
Nosotros mediante la tabla anterior de consumos ya sacamos las potencias.
Potencia Prevista en continua = 80w
Potencia Prevista en alterna = 2.380w
Este dato, el de la potencia, lo podemos usar por ejemplo para poner un PIA y un Diferencial de protección de la instalación, o para otros cálculos, como luego veremos.
A partir de ahora haremos los cálculos fotovoltaicos para la instalación, con los datos sacados de esta tabla.
Recordamos que los resultados obtenidos son los siguientes:
- Potencia Prevista: 2.380 w ==> No necesita proyecto
- Consumo Diario = 5.842 Wh/día.
Continuamos con el siguiente paso.
Elección de la Tensión de la instalación
Normalmente se utilizan las siguientes tensiones en función de la potencia de la vivienda:
Para nuestro caso elegiremos una tensión de trabajo de 48V, ya que la potencia es de 2.380w.
Esta será la tensión de las baterías y demás componentes de la instalación y la de uso de los aparatos que conectemos en corriente contínua.
En nuestro caso tenemos las lámparas en corriente contínua que deberán ser a 48V.
Calcular el Número de Paneles Necesarios
Ahora que ya sabemos la tensión de trabajo elegiremos los paneles para nuestra instalación y los unirtemos eléctricamente su instalación para que la tensión del generador fotovoltaico sea a 48V.Recuerda que la tensión del generador fotovoltaico a máxima potencia (Vmp, o Wo, o Pmpp) siempre debe ser un poco mayor tensión que la de las baterías.
Esto debe ser siempre así porque la corriente siempre debe circular de los paneles a las baterías, y nunca al revés.
Recuerda: la corriente eléctrica siempre circula del sitio de mayor tensión al de menor.
Normalmente esta tensión se llama Tension de Trabajo, y esa si que es igual a la de las baterias o sistema, en nuestro caso 48V.
Eso sí, podemos poner 2, 3, 4... paneles en serie para aumentar la tensión del generador fotovoltaico hasta llegar a 48V
Recuerda: Tensión en serie = V1 + V2 + V3....
En nuestro caso elegimos paneles para uso en instalaciones a 24V con una potencia a máxima potencia o de pico de 330w y necesitaremos poner 2 paneles en serie en cada rama para obtener los 48V.
Puedes saber más en el siguiente enlace: Paneles Solares Características.
Nuestros paneles elegidos son los siguiente:
Recuerda Wp =Pmpp = potencia a máxima potencia = Impp x Vmpp; donde Impp y Vmpp son la intensidad a máxima potencia la tensión a máxima potencia.
Todos los datos que se proporcionan en los paneles son cuando a estos les llega una irradiancia (potencia solar) de 1.000w/m2 (condiciones estándar de medida = STC).
Si quieres saber más sobre estos conceptos visita: Irradiancia e irradiación.
Con los datos de nuestros paneles vamos a calcular la energía que nos proporcionará diaria cada uno de ellos.
Sabiendo la energía que nos proporciona un solo panel, solo tendremos que dividir entre la que necesitamos en total que es el consumo diario calculado anteriormente.
Un modulo o panel solar puede producir una energía diaria:
Epanel = Impp x Vmpp x HSP x 0,9 = wh/dia
Donde Impp y Vmpp son la intensidad y la tensión máxima (a máxima potencia), HSP son las horas de sol pico que depende de la zona donde se coloquen los paneles y que obtendremos de forma online, como mas adelante veremos.
El 0,9 es el rendimiento de trabajo del panel que suele ser entre el 85% y el 90% (0,9)).
El rendimiento nos determina la cantidad de energía producida por el panel después de las pérdidas, por ejemplo, por estar sucio o con polvo.
La mayoría de las veces solo nos viene especificado la potencia a máxima potencia o pico del panel, en lugar de la energía diaria del panel, pero no es problema, ya que Impp x Vmpp, es precisamente la Wp, Pmpp o Pmp (potencia pico o Pmpp potencia a máxima potencia, que son los mismo).
Podemos expresar la fórmula de la energía porporcionada por un panel en función de la potencia del panel:
Epanel = Pmpp x HSP x 0,9 = Wp x HSP x 0,9 = wh/dia
En nuestro caso que tenemos paneles de 330Wp, sería:
Epanel = 330 x HSP x 0,9.
HSP = Horas de Sol Pico.
Horas de Sol Pico
¿Qué son las horas de sol pico o HSP?Se puede definir como el número de horas en que disponemos de una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2 equivalentes a las irradiancias reales que hay durante todo el dia.
Recuerda que 1.000w/m2 es la irradiancia para la que se obtienen todas las características de los paneles, incluido la potencia pico (condiciones estándar de medida = STC).
Si tenemos un lugar que tiene 3 HSP, quiere decir que la irradiancia de todo un dia es equivalente a 3 horas a 1.000w/m2.
Es como si solo tuvieramos solo las HSP a 1.000w/m2 durante 1 dia y el resto de horas no hubiera Sol.
Si la potencia que tiene un panel, por ejemplo 330w, cuando hay una irradiancia de 1.000w/m2 es su Pmp, entonces la energía total (potencia x tiempo) que produciría un panel en un día en función de las HSP sería:
Energía producida por un módulo en un día: Pmp x HSP
Para calcular el valor de HPS se debe dividir el valor de la irradiación incidente (energía solar) entre el valor de la potencia de irradiancia en condiciones estándar de medida (STC), pues es en esas condiciones donde se cumplen las características eléctricas de los módulos fotovoltaicos.
Recuerda que si dividimos energía/potencia = Tiempo = wh / w = horas, por eso se llaman horas de sol pico.
Gdm se llama a la Irradiación en wh/m2 al día obtenida de la media de los días del mes.
HSP = Gdm/1.000
Ese valor de irradiancia en condiciones estándar de medida es de 1000 w/m2, por eso se divide entre 1.000.
Por ejemplo, si tenemos una irradiación de 3.800 Wh/m2, para pasarla a HSP, se divide entre 1.000W/m2, con lo que obtenemos 3.8 HPS.
¡¡¡OJO!!! si la irradiación viene en Kwh/m2 ese valor sería ya igual a las HSP, ya que habría que multiplicar por 1000 para pasarlo a vatios y luego dividirlo entre 1.000 para pasarlo a HSP
Si el valor de la irradiación viene expresado en KJ/m2 tenemos que convertirlo a Kwh/m2 dividiendo entre 3.600.
Imagina que queremos saber la irradiación para una inclinación de 50º, en el mes de Enero en Madrid (tabla de más abajo)
Irradiación según tabla = 11.014KJ/m2
Irradiación = 11.014 / 3.600 =3,059 Kwh/m2
Las HSP en ese mes serían 3,059
Es decir, si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día se obtienen las HSP.
Para calcular las HSP se mira la tabla de radiaciones en wh/m2, y se elige el dato del mes más desfavorable para la inclinación de los paneles que vamos a colocar, que normalmente suele ser diciembre o enero en el hemisferio norte.
Con ese dato lo que hacemos es dividirlo entre la irradiancia en condiciones normales que es 1000w/m2.
Recuerda que si calculamos nuestro generador para que nos suministre la energía necesaria en el mes con la irradiación más desfavorable, significa que el resto de meses, que son mejores, siempre tendremos el suministro necesario.
Vamos a dejar un ejemplo en el que los datos de irradiación vengan en KJ/m2 al día, que suele ser lo más normal.
Para nuestro caso de 3,58º elegimos la de 35º y nos dice que la irradiación en Enero es de 10.224 Kj/m2
Si la pasamos a Kwh dividiendo entre 3.600 tenemos que:
10.224/3600 = 2,84 Kwh/m2 es decir 2,84 HSP
Pero recuerda que la forma más fácil y fiable de obtener las HSP de una determinada ubicación es mediante la web PVGIS gratuita y lo puedes ver en el siguiente video: Calcular HSP
Nos sale en enero una irradianción solar mensual en el peor mes, que será Noviembre y para el 2020 de un valor de 103,25Kwh/m2
Como noviembre tiene 30 diás, si dividimos.
HSP = 103,25/30 = 3,44 horas de sol pico
Puedes comprobar que hay diferencia.
Nosotros elegimos esta última
Ahora que tenemos nustras HSP calculemos cuanto energía producirá cada uno de nuestros paneles al día.
Epanel = 330 x 3,44 x 0,9 = 924,56 = 1.021 wh/dia (redondeando)
Esta es la energía que nos proporciona 1 solo panel al día.
Pero..¿Cuánta energía necesitamos generar al día para nuestra instalación?
La energía real calculada anteriormente, es decir 5.842wh al día
Para calcular el número de paneles sería la energía total que necesitamos (consumo), entre la energía que nos genera un panel.
Npaneles = Energía total diaria necesaria / Energía diaria de un panel = Consumo diario /Epanel
Nº de paneles necesarios = 5.842wh / 1.021 wh = 5,7 paneles
Normalmente se redondea a uno más, pero como en nuestro caso tienen que ser pares el número de paneles, por estar en ramas de 2 en serie, redondeamos a 6 paneles.
Estos 6 paneles serían para una instalación de uso diario, es decir suministrarnos los 5.842wh los 7 días de la semana.
Calculo del Nº Paneles Para Diario o de Fin de Semana
Muchas instalaciones fotovoltaicas aisladas solo se usan en fin de semana.Para calcular el número de paneles necesarios necesitamos diferenciar entre instalaciones cuyo uso será para toda la semana, o lo que es lo mismo de uso diario (7 días) o instalaciones cuyo uso solo sea de fin de semana (2 o 3 días).
Cuando la instalación es para uso de fin de semana la fórmula cambia, ya que se necesitarán menos módulos o paneles solares, debído a que tenemos toda la semana para cargar las baterías y solo 2 o 3 días para descargarlas.
Resumiendo, nos quedarían las siguientes fórmulas:
Para uso diario (toda la semana):
Numero de paneles (uso diario) = (consumo diario a suministrar) / (HSP x rendimiento de trabajo x potencia pico del módulo)
Para Instalación de Fin de Semana (2 días):
Numero de paneles (fin de semana) = (2/7) x [(consumo diario) / (HSP x rendimiento de trabajo potencia pico del módulo)]
Si queremos 3 días será por 3/7.
Recordemos cada término de la fórmula a que se refiere.
- Consumo diario: el calculado anteriormente.
- HSP = horas de sol pico
- Rendimiento de trabajo = Perdidas por estar sucios los paneles o por su posible deterioro. Se suele utilizar 0,8 (entre 0,7 y 0,8)
- Potencia máxima o pico (Pmax), medida en vatios pico (Wp): es la potencia máxima que puede suministrar el panel, es el punto donde el producto intensidad y tensión es máxima (de pico), bajo unas condiciones estándar de medida (para irradiancia de 1000w/m2).
Ahora hagamos el calculo para nuestro ejemplo:
Np(findesemana)= (2/7) x [( 5.842) / (3,44 x 0,9 x 330)] = 1,63 Redondeando necesitamos 2 módulos o paneles solares fotovoltaicos.
Si el calculo fuese de uso diario sería:
Np(usodiario) = (5.842) / (3,44 x 0,9 x 330 )= 5,72 redondeamos a 6 paneles, como ya dijimos antes.
Puedes comprobar como la instalación de uso diario necesita más paneles solares.
Potencia Del Generador Fotovoltaico
Con los módulos elegidos de 330 Watios pico (Wp), obtendremos una instalación solar de uso diario similar a un generador de:Generador Solar = 6 x 330Wp = 1.980 Wp totales
Recuerda que esto es la potencia a máxima potencia o pico del generador con todas los módulos fotovoltaicos.
Para saber más: Paneles Solares.
Conexión de las Placas Solares Fotovoltaicas
¡OJO!, Los módulos elegidos trabajan a 24V en lugar de 48V, que es la tensión de nuestra instalación.Podríamos haber elegido paneles de 48V, pero no es el caso.
Si queremos una instalación que trabaje a 48V, como es el caso, tenemos que realizar una asociación en serie de grupos de dos placas para que se sumen las tensiones y nos den 48V.
Recuerda que las placas en serie se suman las tensiones y en las placas en paralelo se suman las intensidades.
Las asociaciones en serie se llaman string.
Veamos un ejemplo: 2 grupos en serie (strings) con dos ramas en paralelo.
La intensidad total de la instalación será la suma de la intensidad de cada rama.
Si un panel tiene una Intensidad a máxima potencia (Impp) de 8,85A, por cada rama circula esta intensidad (como máximo), pero en el conjunto de la instalación, a la salida de todos los paneles, será de 8,85 x 2 = 17,7A.
Recuerda nuestros paneles:
Para nuestro ejemplo colocaríamos 3 ramas en paralelo, con 2 paneles en serie en cada rama.
Para el calculo de las intensidades de cortocircuito (Isc) sería lo mismo, sumando las Isc de cada una de las ramas en paralelo.
En nuestros paneles coinciden las Isc con las Imp, luego sería lo mismo.
Nosotros tenemos 3 ramas en paralelo por lo que según las características para esa conexión:
Isc-total = Imp-total = 8,85 x 3 = 26,55 A
VmpTotal= 37,3 x 2 = 74,6V
VocTotal = 46,1 x 2 = 92, 2V
VdeTrabajo Total = 24 x 2 = 48V
Distancia Entre Paneles
Cuando tenemos varios paneles es posible que tengamos que hacer varias filas de paneles.
Es importante calcular la distancia mínima entre una fila y otra de paneles para que no se produzcan sombras entre ellos.
En nuestro caso necesitaremos 8 paneles de los que haremos 2 filas de 4 paneles cada uno.
La distancia entre las filas se calcula de la siguiente forma:
La distancia será superior al valor obtenido con la siguiente fórmula:
d = h / tangente (61°– Φ)
d = distancia mínima entre 2 filas
h= distancia entre la parte baja de una fila y la parte alta de la siguiente.
Φ = latitud
Esta fórmula también es válida para la distancia entre una fila de módulos y un obstáculo, y por supuesto para no tener pérdidas.
Nuestros paneles están inclinados 31,58º y tienen una altura de 196cm y una anchuro de 99 cm (ver caracteristicas de los paneles más arriba)
Luego la h de la fórmula en nuestro caso es de 31,35
Latitud de nuestra instalación era Φ = 40,42
tangente de (61-40,42) = tangente (20,58) = - 6.21
d = 31,36 / -6,21 = 5, 04cm
OJO la distancia "d" de 5.04cm será desde la vertical del primer panel al principio del segundo (ver imagen de arriba)
Algunas veces la expresión de la fórmula 1/tan (61°– latitud) se conoce cómo un coeficiente adimensional denominado k.
La fórmula quedará:
d = h x K
Y nos pueden dar el valor de K o sacarlo de alguná gráfica.
Para este último caso, si quieres aprender hacerlo visita: Distancia entre Filas de Paneles Fotovoltaicos.
Calculo de Baterías
La capacidad de las baterías viene expresada en los AmperiosHora que pueden almacenar, excepto las baterias de Litio que ya vienen directamente en Kwh.
Otro dato importante es establecer los días de autonomía, es decir, los días en que la instalación puede funcionar solo con la energía almacenada en las baterías.
Para instalaciones de uso de fin de semana se suele poner 2 días, para las instalaciones de uso diario (todos los días) se suelen poner 2, 3 o 4 días de autonomía, pero este dato depende de la instalación y de las exigencias del cliente.
Baterias de Litio
Estas baterías vienen con los Kwh de capacidad de almacenamiento, por lo que para su cálculo solo tendremos que dividir la capacidad total que necesitamos diario (consumo diario) entre la capacidad de cada batería elegida para la instalación.
Por ejemplo, si elegimos una batería de litio como la de la figura:
Resulta que tiene una capacidad de 4.900wh, pero puedo ampliarla simplemente apilando una igual sobre otra y conseguiré el doble, triple, etc dependiendo de la cantidad de baterías apiladas.
Si pongo 2, tendré una capacidad total de 4.900 x = 9.800wh = 9,8Kwh
En nuestro caso, si queremos 3 días de autonomía deberá tener una capacidad de:
Capacidad batería = 5.842wh x 3 dias = 17.526wh/dia
Normalmente se pone una profundidad de descarga del 80%, aunque pueden descargarse por completo.
C = 17.526 / 0,8 = 21.907wh/dia
Dividiendo entre la capacidad de cada una tenemos:
21.907/4.900 = 4,47 número de baterías, es decir necesitamos 5 baterías de 4.900wh
Capacidad total de nuestra batería = 5 x 4.900 = 24.500wh/dia
¡OJO! Hay que mirar bien la ficha técnica de la batería porque a veces la energía que viene en el catálogo es la energía total, pero no es la energía útil real.
Por ejemplo, imagina que fuera la energía total de 4,9Kwh pero que la energía útil o utilizable fuera 4,6Kwh.
En el caso anterior habría que sustituir 4,9Kwh por 4,6Kwh.
Baterías Estacionarias
Todavía quedan muchas instalaciones antiguas con baterías de gel, y en algunos casos se siguen utilizando en instalaciones nuevas, por eso veremos cómo se calcula para estos casos.
En las instalaciones fotovoltaicas se utilizan las baterías estacionarias OPzV (gel) u OpzS (ácido) y suelen venderse en vasos independientes de 2V y suelen durar más de 15 a 25 años.
Tenemos que conectar vasos en serie hasta que nos den los voltios totales de salida, en nuestro caso 48V = 12 vasos.
La capacidad de todos los vasos en serie es igual al de un solo vaso.
En las baterías en serie solo se suman las tensiones.
OJO ¡¡¡Nunca conectar las baterías en paralelo!!!.
Teóricamente se sumarían las capacidades, pero en la práctica conectarlas en paralelo reduce drásticamente la vida de las baterías, y siendo la parte más cara de la ISFTV (instalación solar fotovoltaica) esto nunca interesa.
En paralelo solo se puede hacer con las baterias de Litio.
Si al consumo diario (wh) lo dividimos entre la tensión de trabajo (V), tendríamos Amperioshora/dia, la unidad de capacidad de las baterías.
wh = V x I x h
wh/V = VxIxh/V = I x h = amperios hora
Recuerda: consumo diario = wh = V x I x h; si esta unidad la dividimos entre la tensión; nos queda I x h o lo que es lo mismo Amperios x hora al día.
Con una batería de estos amperioshora tendríamos energía almacenada en la batería para 1 día de consumo.
Si queremos almacenar energía para más días tendremos que multiplicar por el número de días.
Pero hay que tener otro factor en cuenta muy importante, llamado profundidad de descarga (DOD, o Pd).
La Profundidad de descarga o DOD es el tanto por ciento máximo del total de la batería que se puede descargar en un ciclo completo (carga y descarga).
En una ISFTV nunca deberá descargarse más del 80% del total de la batería, ya que en caso contrario se reduciría mucho el tiempo de vida la batería.
Suele ponerse entre un 50% y un 80% de DOD (nosotros elegiremos 0,6).
En las de Litio se puede poner casi el 100%, pero mejor 80% o 90%.
Para saber más: Baterías para Fotovoltaica.
Conclusión: Los AmperiosHoras o Capacidad de la Batería o baterías necesarias dependerá del número de días de autonomía que tiene que tener (2 fin de semana o 4 uso diario), del DOD (profundidad de descarga, normalmente entre 0,5 y 0,8) y de la tensión de trabajo (12V,24V,36V...).
La fórmula para su calculo es la siguiente:
Nota: en muchos libros no verás el 1.15, si quieres puedes no ponerlo.
Entendiendo el consumo diario como el consumo total calculado anteriormente (el 100%).
En nuestro caso:
Consumo diario: 5.842 wh/dia
Días de Autonomía: como es de uso diario 4 días.
Profundidad de Descarga de la Batería: el 60% = 0,6 para poner en la fórmula.
Tensión: 48V
Entonces la capacidad de la batería sería:
Capacidad de acumulación = [(5,842 x 4) / (0,6 x 48)] x 1,15= 811,38 x 1,15 = 933 Ah (c100) elegiremos la más cercana a esta capacidad que se venda.
El valor c100 indica que la capacidad de la batería será la suministrada por ciclos de carga de 100 h, que es la frecuencia de carga normalmente establecida en electrificación rural.
Para saber más: Baterías para Paneles Solares.
Baterias en Paralelo
Ya dijimos que en la vida real nunca se ponen en paralelo, pero verás algún libro (muchos) que las pone en paralelo.
El número de baterias en paralelo lo utilizan de la siguiente manera:
Número de Baterías en paralelo = Capacidad Total Necesaria / Capacidad de 1 batería.
Imagina que tenemos baterías de capacidad de 100 Ah, en nuestro caso necesitaríamos poner:
933Ah/100 = 9, 33 = 10 baterías en paralelo.
Pero OJO nunca se hace en las instalaciones reales, solo si no nos quedara otro remedio.
Calculo del Regulador de Carga
Este elemento controlará la carga de la batería ya que el inversor lo colocamos a la salida de la batería.Tiene que ser capaz de regular potencias iguales a las de suministro máximo que en un momento determinado proceda de los paneles (carga), y la máxima que demanden los receptores o electrodomésticos (descarga), en caso contrario se quemaría.
Para que aguante la corriente procedente del generador fotovoltaica (de entrada), lo que se suele hacer es cumplir con las recomendación del IDAE, que dice que deben ser capaces de aguantar un 25% más de la intensidad de cortocircuito delgenerador fotovoltaico.
En resúmen, se multiplica la Isc total por 1,25, siendo el 1,25 un factor de seguridad para evitar daños ocasionales enel regulador.
Recuerda que era Isc-total del generador = 26,52A = Isc de un panel x Nº de paneles en paralelo.
Intensidad de Carga del Regulador = 1,25 x 26,52(amperios) = 33,15A
Necesitamos un regulador de 48V con una intensidad de carga mayor de 33,15A y MPPT (con seguidor del punto de máxima potencia).
Se recomienda (yo creo que es imprescindible) poner un magnetotérmico o fusibles en la caja de conexiones de los paneles en cc con capacidad de corte igual a la intensidad total de cortocircuito del generador fotovoltaico.
Este magnetotérmico, además de otras funciones, protegería el regulador de sobrecargas.
Para saber más: Regulador de Carga Solar.
Deberiamos elegir un regulador con una intensidad mayor que fuera la siguiente a esta normalizada, en nuestro caso sería un regulador con una corriente de entrada de 50A.
Otra forma de calcularlo es dividiendo la potencia máxima de cada panel por el número de paneles en total y esto dividirlo entre la tensión.
Recuerda que Potencia/Tensión = Intensidad.
De esta forma sería:
Intensidad regulador = (330w x 6 paneles)/48 = 41,25A
Con los 2 métodos nos valdría el elegido, Ientrada = 50A.
Otro dato que suele venir en los reguladores es la tensión máxima de circuito abierto permitida (Vccmáx) del regulador, que puede consultarse en la ficha de características técnicas proporcionada por el fabricante.
Debe ser mayor que la tensión a circuito abierto total del generador al que se conecta, que en nuestro caso si nos fijamos en la placa de características de los paneles elegidos sería:
VocTotal = 92,2V
OJO ahora vamos a calcular la corriente de salida, pero esto solo sería necesario si conectaramos el regulador directamente al inversor, cosa que nunca debe hacerse.
El regulador tendrá una Intensidad de entrada máxima de 50A que suministran los paneles, y saldrán hacia la batería como máximo 50A, ya que nunca nos pedirá intensidad el inversor, solo la batería y esta es la máxima que la podemos suministrar.
En mucho libros se calcula la Intensidad de salida, nosotros te dejamos cómo sería, pero repito, no se utuliza nunca.
Para la corriente de salida, debemos utilizar las cargas en corriente contínua más las de alterna.
Isalida-regulador = [Pcc + (pca/rendimiento inversor)]
Recuerda que: Potencia / V = Intensidad
A esta fórmula también se le suele poner el 1,25
Isalida-regulador = 1,25 x [Pcc + (pca/rendimiento inversor)]
En nuestro caso tenemos en cc lámparas con una potencia de 80w y una potencia instalada en alterna de 3.400w con un rendimiento del inversor del 90% (0,9)
Isalida-regulador = 1, 25 [80 + (3.400/0,9)] / 48 = 100,46A
Intensidad de Consumo: 100A
Normalmente a la hora de comprar un regulador, en la placa de características del regulador viene la intensidad máxima que soporta a la entrada o intensidad máxima de carga, que es la máxima que puede recibir de los paneles y la intensidad máxima de consumo, la máxima que puede suministrar a la instalación.
Suelen coincidir las dos, aunque en algunos caso no es así.
De todas formas, repetimos que este último cálculo nunca debe hacerse porque nunca se conectar el regulador directamente al inversor.
Recordamos las 2 condiciones:
- Isc-total del generador = 1,25 x Isc x Nº de paneles en paralelo
Isc = intensidad cortocircuito de 1 panel
- Tensión máxima del Regulador > Tensión máxima a circuito abierto del generador fotovoltaico
Y recordamos algo muy importante: No se deben conectar nunca las placas solares antes de conectar las baterías al regulador.
Si el regulador de carga no puede entregar la corriente que obtiene de los paneles solares, el regulador no será capaz de disipar toda la corriente sobrante en forma de calor, y se quemará el regulador.
En algunas instalaciones se opta por poner varios reguladores en paralelo más pequeños.
Para calcular el número de reguladores sería:
Otra opción es poner varios reguladores en paralelo.
Número de reguladores en paralelo= I total reguladores / I de un regulador
¡¡¡OJO!!! los bornes de cc del regulador se suelen conectar aparatos de cc para usar como cargador o las lámparas como es nuestro caso, no para conectar el inversor.
Calculo del Inversor o Convertidor Necesario
Ya sabemos que dentro de una instalación solar fotovoltaica (ISFTV), el inversor, también llamado convertidor, es el aparato encargado de convertir la corriente continua generada por la instalación, en corriente alterna (c.a.) igual a la de la red eléctrica, corriente alterna a 230V de valor eficaz de tensión y 50Hz (hertzios) de frecuencia.De esta forma podemos utilizar la energía generada para conectar los receptores habituales en c.a. como lámparas, tv, electrodomésticos, etc.
Además en nuestro caso conectaremos el inversor a las baterías.
Debemos elegir un inversor cuya potencia nominal sea igual a la potencia que debe suministrar a las cargas que se van a conectar al inversor en alterna, y además, que tenga la misma tensión de entrada y salida que la instalación.
Cuando hicimos la tabla de consumos y potencia, la potencia instalada en alterna era de 3.400w (sin factor de simultaneidad), es decir la suma del total de las potencias de los receptores de la instalación.
OJO potencia instalada, que es la total, no la potencia prevista.
Solo en el caso de que nuestra instalación tenga muchos receptores, se puede poner un factor de simultaneidad igual al de la potencia prevista, aunque yo no lo recomiendo
En nuestro caso utilizamos la instalada que era de 3.400w y con tensión de entrada a 48V y tensión de salida a 230V.
Algo muy importante en el inversor es tener en cuenta que al enchufar electrodomésticos con motores, estos suelen tener picos de corrientes elevados en los arranques.
Esto puede producir que se queme el inversor.
Para evitar esto se suele sobredimensionar multiplicando por 1,25 la potencia de los receptores (un 25% mas de la potencia prevista).
Aplicamos la sobredimensión = 3.400 x 1,25 = 4.250 w.
Para nuestro ejemplo lo más lógico sería un inverso o convertidor de 5.000w de potencia nominal, con una tensión de entrada de 48V y de salida a 230V y 50Hz de frecuencia.
Por supuesto de onda senoidal (corriente alterna).
Nota Importante: Poner siempre unos fusibles o magnetotérmico entre la batería y el inversor para protegerlo.
La intensidad de estos fusibles seria igual a la potencia del inversor dividida entre la tensión.
En nuestro caso: 5.000w/48V = 104A.
Mejor que se queme un fusible que no el inversor en caso de un pico de corriente elevado.
Recuarda: el inversor debe ser:
Potencia inversor = 1.25 x Potencia Total receptores en alterna
En muchos libros verás x 1.10 o 1,20.
Para saber más: Inversor Fotovoltaico.
Calculo de las Secciones de los Cables
En las instalaciones fotovoltaicas debe procurarse que todos los elementos están los más cerca posible unos de los otros para que las caídas de tensiones en los conductores o cables sea la menor posible y por consiguiente, la sección de los cables sea también la menor posible.Todos los conductores deben cumplir 2 condiciones:
2ª) No superar la intensidad máxima admisible según el REBT.
La intensidad máxima que aguanta la sección del cable tiene que ser mayor que la intensidad máxima que podrá circular por el.
El reglamento REBT publica unas tablas donde especifica la intensidad máxima admisible de un conductor en función del tipo de instalación y del tipo de aislante utilizado para que el conductor no se caliente en exceso durante su uso.
Esto se suele llamar condición térmica.
1ª) No superar la máxima caída de tensión permitida entre 2 puntos de una instalación.
En el caso de una instalación fotovoltaica según la recomendaciones del IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía) serán diferentes para cada tramo de la instalación, siendo:
La fórmula para el cálculo de la sección, para que cumpla la caída de tensión máxima es:
Fíjate como el valor de la conductividad que debemos poner depende del tipo de aislante que tenga el cable (PVC o XLPE) y la temperatura que se exige según sea de cobre o de aluminio.
En nuestro caso que es de PVC y de Cobre el valor que usaremos será de 48.
El 2 de la fórmula sale de que la distancia total de los conductores, ya que es el doble de la de distancia entre aparatos (ida y vuelta)
Además de las 2 condiciones anteriores debemos tener en cuenta lo siguiente:
- Según recomendaciones IDAE, las mínimas secciones de cables en cada una de las líneas, deberían ser al menos:
- 2,5 mm2 del generador al regulador.
- 4 mm2 del regulador a las baterías.
- Según IDAE Cuando las tensiones nominales en continua sean superiores a 48 V, la estructura del generador y los marcos metálicos de los módulos estarán conectados a una toma de tierra, que será la misma que la del resto de la instalación.
Como previamente hemos diseñado nuestra instalación tenemos que conocer las tensiones, las intensidades y las longitudes en cada tramo de la instalación.
Aqui haremos los cálculos, pero si quieres aprender hacerlos paso a paso visita: Seccion Conductores en Fotovoltaica
Los datos de nuestra instalación son:
- Las distancias en las diferentes partes en las que dividiremos la instalación son:
- La caja de conexiones lleva un interruptor magnetotérmico, que luego veremos cómo se calcula.
- Para nuestro instalación utilizamos paneles de 330Wmp (potencia a máxima potencia) y con una intensidad de cortocircuito Isc de 8,85A.
- Utilizamos los siguientes paneles:
Además colocaríamos 4 ramas en paralelo con 2 paneles fotovoltaicos en serie de 24V cada uno en cada rama (string) para conseguir los 48V de la instalación.
En total tenemos 6 paneles con 3 ramos en paralelo
Con esta instalación el generador sería de 48V y con una Isc total de 8,85 x 3 = 26,55A.
El magnetotérmico
En nuestro caso la Isc y la Intensidad a máxima potencia coinciden.
Intensidad a máxima potencia total 8,85 x 3 = 26,55A
OJO no siempre coinciden la Isc y la Imp del panel.
Para las calculos de secciónes siempre usaremos la Isc.
Potencia Nominal o a máxima potencia del generador 330 x 6 = 1.980w.
- La instalación de los receptores, en el calculo de la previsión de potencia, tenemos una potencia instalada de 3.400w pero sobredimensonada para el inversor multiplicando por 1,25 nos sale de 4.250w y una Energía o Consumo previsto de 5.027wh/día (para el calculo de secciones este último dato no nos será necesario).
Recordar que pusimos un inversor de 5.000w.
- Vamos a utilizar en toda la instalación cable tipo PV ZZ-F, de cobre, unipolares, con aislamiento de PVC, fabricado especialmente para instalaciones fotovoltaicas y que cumple con todas las normativas exigidas.
Aqui puedes ver todas las características de este tipo de cable. Cable PV ZZ-F el color de los cables en la parte de corriente contínua será rojo para el positivo y negro para el negativo.
- Instalación a 48V en corriente continua y 230V en corriente alterna.
- Caída de tensión del 1% de 48V = 48 x1/100 = 0,48V.
Caída de tensión del 3% para 48V = 48 x 3/100 = 1,44V.
Caída de tensión del 3% para 230V = 6,9V.
Ahora vamos empezar con los cálculos.
Dividiremos la instalación en partes para calcular las diferentes secciones.
Parte desde los paneles hasta la caja de conexiones de continua
Este tramo de cableado comprende la conexión desde la salida de los módulos fotovoltaico conectados en serie (string), considerando el más alejado, hasta la entrada a la caja de conexiones.
Si te fijas en el esquema, la instalación consta de varios string (conexiones en serie de paneles).
Cada String es de 2 paneles para obtener una tensión de 48V, ya que cada panel trabaja a 24V (en serie se suman las tensiones).
Además la intensidad de cada rama o string, es la misma que la de un solo panel, ya que en serie las intensidades son las mismas.
La máxima intensidad que podría circular por el cable es la intensidad de cortocircuito Isc de un solo panel.
Los paneles elegidos tienen una Isc de 8.85A.
Luego Intensidad máxima por los cables desde los Paneles hasta la Caja conexiones = 8,85A.
Caída de tensión máxima permitida según REBT del 3% de 48V = 1,44V.
Se podría hacer con la intensidad a máxima potencia, pero es mejor con el caso más desfavorable, es decir siempre con la Isc.
Por los cables de esta parte circulará una intensidad máxima de 8,85A desde la salida de un string hasta la caja de conexiones y están instalados al aire (no enterrados) por lo que colocamos los cables sobre pared de madera o prefabricada con aislamiento de PVC.
Según el REBT en su ITC 019 estaríamos hablando de una instalación “Tipo C”, y al ser dos terminales (2X PVC), estaríamos en el caso de “columna 7”.
Bajando por esta columna encontramos que la siguiente intensidad a soportar superior a los 8,85A sería la primera que encontramos de 16A cuya sección para cumplir la condición térmica o de máxima intensidad es de 1,5mm2.
Quiere decir que con esta sección aguantaría la intensidad que circulará por el (8,85) sin que se caliente, ya que esta sección aguantaría sin calentarse hasta 16A.
Nosostros aumentamos un poco la sección y elegimos de 2,5mm2 que es la que recomienda mínimo del generador al regulador el IDAE.
Pasamos a la segunda condición, caída de tensión máxima permitida que es del 3%. Aplicando la fórmula:
S = (2 x 2m x 8,85A) / (1,44 x 48) = 35,4/69,2 = 0,5mm2 ==> quiere decir que para esta sección la caída máxima que tendrá será de 1,44V desde el string más alejado, para el resto será menor.
Como esta sección es menor de la anterior, cogeremos la de 2,5mm.
Con una sección de cable entre los paneles y la caja de conexiones de 2,5mm2 cumplimos las 2 condiciones.
Pasemos al siguiente tramo
Parte de la caja conexiones al regulador
En la caja de conexiones se debe colocar un magnetotérmico a la salida de los paneles que corte todos los paneles solares (todos los string unidos en paralelo).
Este magnetotermico es útil para varias cosas.
Primero, si le llega más intensidad al regulador de la calculada por algún motivo como cortocircuito, podemos quemar el regulador, si tenemos el Magnetotérmico, esto no pasará porque saltará.
También es útil en caso de tener que quitar la batería para poder desconectar las placas para antes y no quemar el regulador al no tener donde descargar la energía procedente de los paneles.
Además este Magneto facilita y da seguridad a las operaciones de mantenimientos y reparación de averías.
A partir de un voltaje de trabajo de 48 V, donde ya se generan intensidades peligrosas para el ser humano, la instalación de un interruptor magnetotérmico de CC debería ser, entre otras medidas de protección, considerada obligatoria.
Si conocemos la Intensidad de corte de este magnetotérmico, esa será la máxima que circulará por los cables que van hasta el regulador y la que tendremos en cuenta para el calculo de su sección y del regulador.
Recuerda que para una intensidad mayor saltará.
Pero veamos como calcular la intensidad para elegir este magnetotérmico.
En lugar de magnetotérmico podemos utilizar fusibles, son más baratos, pero no se rearman tan fácilmente, aunque si la instalación está bien dimensionada no suelen dar problemas.
Una vez llegan a la caja de conexiones cada una de las ramas de los paneles independientemente, aquí es donde se unen en paralelo mediante bornas de conexión.
A Partir de aquí la intensidad total será la suma de todas las intensidades de cada una de las ramas.
En nuestro caso tenemos 3 ramas, por lo que la Isc total será, Isct = 8,88 x 3 = 26,55A.
Lo lógico es que si por ejemplo, el regulador es de 50A, la protección y los conductores sean para esa misma intensidad.
Por eso la que normalmente utilizamos es la Intensidad de Carga del Regulador que ya calculamos y era de 50A.
Recordamos:
Intensidad de Carga del Regulador 33,15A
Con esa Icarga elegimos un magnetotérmico de 50A.
La Intensidad máxima entre la caja de conexiones y el regulador será de ese valor= 50A.
Recuerda que también puedes poner fusibles y elegir un regulador de 50A de intensidad de carga, o colocar varios en paralelo, dividiendo las ramas entre el número de reguladores.
Conclusión: Nunca pasará más de 50A por los cables, ya que saltaría el magnetotérmico.
¿Podría darnos los paneles 50A en algún momento en lugar de 33,15A?
La respuesta es que si, si las condiciones son muy buenas para los paneles, como explicaremos a continuación.
¿Por qué usamos la Isc en lugar de la Intensidad a máxima potencia (Imp)?
En muchos libros he podido comprobar que utilizan la intensidad a máxima potencia para los cálculos y creo que es un error.
La explicación es sencilla.
La intensidad máxima potencia de un panel es para unas condiciones llamadas estándar, a 25ºC y 1.000w/m2 de irradiancia.
Los paneles en algún momento podrían estar sometidos a condiciones incluso mejores que las estándar, en cuyo caso proporcionarían más intensidad de la intensidad a máxima potencia (ver curvas V-I de un panel fotovoltaico en Paneles Fotovoltaicos).
Si lo hubiéramos calculado para la Imp estaríamos perdiendo energía generada porque cortaría el magneto.
Es verdad que la Isc también es para condiciones estándar, pero al ser más o menos un 10% de la Imp, el dimensionado es mucho eficiente antes de que salte el magnetotérmico.
Recuerda además que el regulador tenía una intensidad de entrada de 50A en nuestro ejemplo.
Nota: los reguladores suelen llevar su propia protección (suele ser un fusible), aún así es recomendable poner el magnetotérmico por las razones anteriores.
Hecho estas aclaraciones, sigamos con nuestros cálculos.
OJO este tramo los cables van enterrados, con lo que la Instrucción del Reglamento que debemos utilizar es la ITC-07 para líneas subterráneas de baja tensión.
Para cumplir el criterio de la intensidad máxima vamos a la ITC-007 y en la tabla tenemos que para PVC de cobre unipolares la intensidad siguiente a 50A es de 63A y cuya sección sale de 6mm2.
Veamos ahora la sección para cumplir el criterio de la caída de tensión.
Caída de tensión máxima el 3% hasta el regulador, con lo sigue siendo el 3% de 48V = 1,44V.
Intensidad máxima 50A.
Aplicando la fórmula tenemos:
S = (2 x 3m x 50A) / (1,44 x 48) = 300 /69,2 = 4,33mm2 ==> esta claro que con la sección de 6mm2 cumplimos las 2 condiciones.
Sección del Cable desde la Caja de Conexiones al Regulador de 6mm2
OJO si tenemos 2 reguladores, tendremos que calcular la sección para cada tramo a cada regulador, con la intensidad de entrada de cada regulador.
Parte de la Salida del Regulador a la Batería
En esta parte se calcula para la misma intensidad que la anterior, ya que es la máxima que puede salir del regulador hasta las baterías, y solo si tenemos 1 regulador.
OJO si tenemos 2 reguladores, tendremos que sumar las intensidades de salida de los 2 reguladores, que es la máxima que puede salir dirección baterías.
Nota: no se utiliza la I de salida calculada para el regulador mediante la potencia de los receptores porque esto solo sería si conectaramos el regulador al inversor directamente, y esto no se debe hacer nunca.
Esta parte de la instalación no suelen ser cables enterrados como desde la caja al regulador, por lo que se utilizará la tabla de la ITC 019 para la sección por la intensidad máxima admisible.
Según tabla ITC 019 si ponemos los cables con conductores aislados en tubos en montaje superficial o empotrados en obra "Tipos B1" y 2X PVC tenemos que la siguiente intensidad mayor a 50A es justo de 50A, igual que la nuestra.
Para esa intensidad la sección para que cumpla la condición térmica de máxima intensidad es de 10mm2.
Veamos ahora la sección para cumplir máxima caída de tensión, que este caso será del 1% de 48V, es decir 0,48V como máximo. Aplicando la fórmula:
S = (2 x 0,5m x 50A) / (0,48 x 48) = 50/23,04 = 2,17mm2
==> esta claro que si ponemos una sección de 10mm2 cumplirá con las 2 condiciones.
Sección Cables desde el Regulador a la Batería de 10mm2
Parte Batería al Inversor
La corriente que circulará por estos conductores será la que le demande el inversor, es decir la que demanden las cargas, pero en corriente contínua.
OJO en esta parte hemos sobredimensionado la potencia prevista para tener en cuenta los picos de arranque de los motores de la instalación.
Recuerda que en nuestra instalación la potencia prevista era de 3.400w, pero se sobredimensiona a 4.250w y el inversor es de 5.000w.
En esta parte la intensidad se calcula dividiendo la potencia del inversor entre la tensión.
Imáxima = 5.000/48V = 104,16A.
Entre la batería y el inversor es recomendable (yo diría obligatorio) poner un magnetotérmico de protección, de igual o parecida intensidad a la calculada anteriormente.
También puede ser un fusible.
Para este ejemplo hemos decidido poner fusibles de protección a la salida de la batería de 105A.
Recuerda que esta será la intensidad que usaremos en los cálculos, la de los fusibles de protección, ya que nunca pasará más de esa cantidad.
Cuidado el elemento de protección usado no sea de una intensidad mucho mayor a la máxima del inversor ya que se podría quemar y no cumplir para lo que se puso.
Normalmente los inversores tienen un porcentaje que aguantan de intensidad mayor a la máxima para la que están diseñados.
Si el cable esta instalado como del regulador a la batería, en la tabla de la ITC 019 tenemos que para 105A la siguiente es de 125A y una sección de 50mm2
Según la caída máxima de tensión del 1% (0,48V) aplicando la fórmula para corriente continua tenemos:
S = (2 x 1m x 105A) / (0,48 x 48) = 210/23,04 = 9,11mm2
==> esta claro que si ponemos una sección de 50mm2 cumplirá con las 2 condiciones.
Sección Cable desde la Batería al Inversor de 50mm2
Estas 2 partes, regulador-batería y batería-inversor suelen ser las de mayor sección de los cables por lo que se recomienda que sea el cable lo más corto posible.
Parte Inversor Instalación de Alterna
A la salida del inversor hasta el cuadro de protección de la vivienda o entrada a la instalación en alterna tenemos una intensidad de 5.000w230V = 21,7A.
Si el cable va colocado como en los anteriores casos B1 en 2xPVC, tenemos que la tabla de la ITC 019 la intensidad buscada más cercana a 21,7A es de 27A y sale una sección de 4mm2.
OJO aquí los cables ya no serán rojo y negro, serán azul y negro que son los colores para la fase y el neutro de la instalación en alterna.
Veamos la caída de tensión máxima admisible.
Aquí es del 3%, pero de 230V, es decir 6,9V.
Apliquemos la fórmula:
S = (2 x 2m x 21,7A) / (6,9 x 48) = 86,8/331,2 = 0,26mm2
==> esta claro que si ponemos una sección de 4mm2 cumplirá con las 2 condiciones.
Además recuerda que no se recomienda poner conductores menores de 4mm2 en la parte de corriente alterna.
Sección Cables (fase y Neutro) a la Salida del Inversor hasta la Instalación en alterna de 4mm2
Aqui tienes las diferentes secciones calculadas de nuestra instalación de ejemplo:
Nota Final
Si te has dado cuenta, la que realmente nos determina la sección en este tipo de instalaciones es la intensidad máxima admisible para no sufrir calentamiento excesivo los conductores, ya que al ser las distancias muy cortas el criterio de la máxima caída de tensión siempre suelen darnos secciones muy pequeñas.
Ahora hay muchos inversores que llevan incluido el regulador con la instalación de unión de estos 2 componentes unidas en su interior.
En estos casos no habrá que calcular la sección de la batería al regulador, solo la de la batería al inversor.
Terminales Para Conectar los Paneles
Una vez que tenemos la sección de los cables tendremos que elegir los
terminales para unir los cables a nuestros paneles.Estos terminales deben ser estanco, es decir protegidos contra el agua, la humedad y también contra desconexiones accidentales. Los más utilizados son los llamados Terminales "TYCO" y los MC3 o MC4.
Para saber más sobre conectores y terminales: Conectores Eléctricos.
Para finalizar, decirte que en internet tenemos una página calculadora online de la instalación que podemos usar, aunque lo más recomendable es calcular la instalación nosotros tal y como vimos.
Aquí te dejamos el enlace al Calculador Online Instalación Fotovoltaica.
Ejemplo 2 en Video
Aqui te dejamos otro ejemplo con imágenes y un video explicándolo:Instalación en Latitud 37º para todo el año, con un consumo estimado de 5.000wh/dia, con tensión a 48V y 3 días de autonomía.
Datos de Costes de Otras soluciones posibles
En este instlación nos falta el dimensionado del regulador y del inversor.
Si quieres aprender todos los componentes de una instalación fotovoltaica, su cálculo y diseño te recomendamos el siguiente fantástico libro:
Libro Instalaciones Fotovoltaicas
Escrito y Publicado por: Ernesto Rodriguez; Profesor IES Amurga Sistemas Electrotécnicos y Automáticos (España).
email: areatecnologia arroba areatecnologia.com
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