¿Cómo diseñar un sistema solar aislado de la red?
Los sistemas aislados de la red son la solución ideal cuando no se tiene acceso a la red de distribución o se necesita un sistema totalmente autónomo a esta. Es de vital importancia recalcar que es una solución amigable con el medio ambiente y significa ahorro económico en el consumo de energía eléctrica.
Los sistemas aislados tienen cuatro principales componentes: los paneles solares, que transforman la energía solar en energía eléctrica, el controlador o regulador que asegura el buen funcionamiento del sistema de carga y descarga de las baterías, las baterías que acumulan la energía eléctrica generada por el sistema haciendo posible la utilización de la energía durante todo el día y la noche y el inversor que convertirá la energía en corriente continua, generada por el sistema, en corriente alterna para su correcto uso en el hogar. Se deben tomar en cuenta aspectos técnicos y otros aspectos a la hora del diseño, elección y dimensionamiento de estos componentes.
¿Qué aspectos debo tomar en cuenta para el diseño y dimensionamiento del sistema?
El primer paso para empezar a diseñar un sistema aislado es la identificación o elección de los equipos que se desea alimentar con este sistema. Se debe identificar cada equipo, su potencia y las horas de uso durante todo el día. Es recomendable que los equipos sean lo más eficientes posibles, es decir, que consuman la menor cantidad de potencia para que el sistema fotovoltaico aislado no sea de gran tamaño.
La potencia teórica total del sistema será la suma de la potencia que consume cada equipo durante todo el día. Sin embargo, para que nosotros podamos calcular la potencia real requerida se debe tomar en cuenta el rendimiento global de la instalación fotovoltaica. El rendimiento se obtiene considerando todos los factores que afectan a un funcionamiento óptimo del sistema, es decir, considera las condiciones reales en las que operará el sistema. Este parámetro se determina a partir de las pérdidas del inversor, pérdidas del controlador, profundidad de descarga de las baterías y días de autonomía. A partir de la obtención de la potencia real requerida podemos definir las características y el número de los paneles solares, baterías, controladores e inversores que se requerirá en el sistema aislado.
Para una buena elección de paneles solares además de tomar en cuenta las especificaciones técnicas, se debe considerar la garantía de producción que los fabricantes ofrecen. La mayoría de los fabricantes de paneles ofrecen una garantía de producción de 20 a 25 años, DESMART como distribuidor exclusivo de la marca Peimar, industria italiana, ofrece una garantía de producción de 30 años, siendo esta una de las más altas en el mercado. Peimar garantiza que cada panel funcionará al menos al 80% de su rendimiento durante 30 años. También debemos tomar en cuenta otro tipo de certificaciones que aseguran que el producto cumple con todos los requisitos de seguridad y calidad. Tomar en consideración estos aspectos al momento de la elección de los componentes harán que nuestro sistema funcione adecuadamente por más años.
Por otra parte, los sistemas fotovoltaicos deben aprovechar al máximo la radiación solar, para esto, en el momento del diseño y la instalación, se debe tomar en cuenta la orientación, la inclinación, la latitud de la zona, el clima y las sombras. Por ejemplo, puede existir sombras generadas entre paneles, las cuales se deben evitar en lo posible para disminuir los efectos negativos en el sistema. Para disminuir este tipo de sombras se debe ampliar la distancia entre paneles o disminuir levemente el ángulo de los paneles.
Para la selección del tamaño y número de baterías se debe tomar en cuenta la tecnología, el voltaje y capacidad de estas. Además, se debe considerar los días de autonomía del sistema, este es el tiempo que se puede utilizar la energía eléctrica acumulada en las baterías cuando el sistema no está generando energía. También se debe tomar en cuenta la profundidad de descarga de las baterías, que es el máximo nivel de descarga que se admite para resguardar la vida útil de cada batería.
El regulador o controlador seleccionado para el sistema debe ser aquel que su corriente nominal supere la corriente de corto circuito (Isc) de los paneles conectados en paralelo, para mayor seguridad se puede considerar un factor de protección. También, se debe tomar en cuenta el voltaje de circuito abierto (VOC) de los paneles conectados en serie; de igual forma, se considera un factor de protección del 15-25%, es decir, que el voltaje de trabajo del controlador debe ser aproximadamente un 15-25% mayor que el voltaje en circuito abierto (VOC) de los paneles en serie.
Para la elección del inversor se debe tomar en cuenta que la potencia de este sea mayor a la potencia máxima generada por los equipos. También consideramos el voltaje del sistema, que será el voltaje de entrada del inversor y el voltaje de salida requerida para el sistema.
Otro de los aspectos importante a la hora del diseño es la ubicación de los componentes del sistema. Para la instalación de los paneles, se debe tomar en cuenta el área disponible en el techo o si es necesario realizar otra estructura en suelo. También, si los paneles estarán ubicados de manera horizontal o vertical. Para definir la ubicación de los inversores, controladores y baterías, igualmente, se debe tomar en cuenta el espacio disponible que se tiene, si se instalará dentro de la infraestructura, debajo de los paneles o si estos componentes también necesitan otra estructura adicional. Estos son factores que hacen que una instalación fotovoltaica cumpla con el objetivo principal, ser eficientes y generar el ahorro que se busca.
Por último, pero no menos importante, se debe tomar en cuenta el aspecto económico. Todas las decisiones técnicas que se tomen para el diseño del sistema tendrán consecuencia directa en el aspecto económico. Por ejemplo, si se tiene poco espacio para la instalación de paneles, se puede disminuir el número de paneles eligiendo paneles más eficientes, que produzcan mayor cantidad de potencia, pero estos seguramente serán más costosos que los paneles de menor potencia. Por lo que se debe buscar un equilibrio entre la parte técnica y económica.
Para poder comprender mejor cómo se realiza el dimensionamiento de un sistema aislado, tomaremos como ejemplo un hogar con el siguiente consumo energético:
CONSIDERACIONES PARA EL CONSUMO ENERGÉTICO DE EQUIPOS POR DÍA | ||||||
Equipos | Can. | Periodo | Potencia [W] | Consumo | Potencia Máx. | |
1 | LUMINARIAS | 4 | 5 | 15 | 300,00 | 15,00 |
2 | TELEVISOR | 1 | 3 | 100 | 300,00 | 100,00 |
3 | REFRIGERADOR | 1 | 12 | 200 | 2.400,00 | 600,00 |
4 | VENTILADOR | 1 | 2 | 50 | 100,00 | 150,00 |
TOTAL | 3.100,00 | 865,00 | ||||
El consumo energético teórico total ET es de:
ET=3100 Wh⁄día
Tomando en cuenta el rendimiento global del sistema, sobredimensionamos el consumo energético teórico total (ET) en un 20%, obteniendo que el consumo energético real del sistema (ER ) es 3720 Wh⁄día.
Otro dato muy importante, para poder dimensionar los equipos, es la capacidad de acumulación de energía en baterías (C) expresada en (Ah), sustituyendo los datos requeridos en la siguiente fórmula obtendremos que la capacidad de acumulación de energía en baterías debe ser:
C=(Consumo energético real (ER)*Número de días de autonomía(N))/(Voltaje del sistema (V)*Profundidad de descarga (Pd))
C=(3720*1.5)/(12*0.7)
C=442.86(Ah)
También debemos calcular el consumo energético (E1) considerando la profundidad de descarga (Pd) y días de autonomía (N).
E1=(ER/Pd)*N
E1= (3720/0.7)*1
E1=5314.29(Wh/día)
Para obtener el número de baterías preseleccionamos la batería solar estacionaria HELIAR con las siguientes características:
Batería Pre – Seleccionada | |
Voltaje (V) | 12 |
Capacidad [AH] | 220 |
Potencia 20Ah [Wh] | 139 |
Torque mínimo [Nm] | 9 |
Torque máximo [Nm] | 11 |
Corriente de descarga [A] | 11 |
Dimensiones [mm] | 525x275x250 |
Peso [Kg] | 60,3 |
Sustituyendo datos, en la siguiente fórmula obtenemos el número de baterías requeridas con las características antes mencionadas.
Número de baterías (Nb)=(Capacidad de corriente del sistema (C))/(Capacidad de corriente de las batería (Cb)
Nb= 442.86/220
Nb=2 (baterías)
Por otra parte, para el dimensionamiento de los paneles debemos preseleccionar el panel que deseamos utilizar, en este caso elegiremos el panel de 340W de Peimar con las siguientes características:
Panel solar Pre-Seleccionado | |
Potencia (Wp): | 340,00 |
Voltaje max (V): | 36,70 |
Corriente max (A): | 9,28 |
Voltaje ca (V): | 45,20 |
Corriente cc (A): | 9,90 |
Para calcular el número de paneles, debemos considerar el consumo energético (E1), profundidad de descarga de baterías (Pd), las horas solar pico de la zona a instalar el sistema (HSP), el rendimiento (R) y la potencia (Pp) de los paneles. Reemplazando los datos en la siguiente fórmula, obtenemos el número de paneles:
Número de paneles (Np)=( E1*Pd )/(HSP*Pp*R)
Np=(5314.29*0.7)/(3.7*340*0.85)
Np=4 (paneles)
En este caso conectaremos todos los paneles en paralelo, con esta configuración obtenemos el voltaje y la corriente de trabajo del controlador. El voltaje máximo de trabajo del controlador (Vmax) se definirá a partir del voltaje de circuito abierto de los paneles (VOC) y del número de paneles en serie (Nps), por la conexión en paralelo de los paneles este valor será igual a 1, también consideramos un factor de protección del 15%. Sustituyendo los datos en la siguiente fórmula obtenemos el voltaje del controlador:
Vmax=NPs* Voc* 15%
Vmax=1*45.20*1.15
Vmax=51.98 (V)
Los controladores PWM soportan un voltaje máximo de 55 (V), por lo tanto, este tipo de controladores pueden ser utilizados en este sistema que sólo es de 51.98 (V).
Asimismo, para calcular la corriente mínima del controlador (Imin) debemos tomar en cuenta el número de paneles en paralelo (NPP) y la corriente de corto circuito de los paneles (Icc). Sustituyendo los datos en la siguiente fórmula obtenemos:
Imin=NPP*Icc
Imin=4*9.90
Imin=39.6(A)
Para la elección del inversor consideramos la potencia máxima de los equipos y el voltaje de entrada y salida, por lo tanto, el inversor y regulador deben cumplir con las siguientes condiciones:
Regulador/Controlador de carga | |
Voltaje nominal [V] | 12 |
Corriente nominal [A] | >39.6 |
Voltaje de entrada [V] | 51.98<55 |
Inversor | |
Potencia [W] | >865 |
Voltaje OUT [VAC] | 230 |
Voltaje IN [VDC] | 12 |
Para este sistema podemos utilizar el controlador de SRNE – HP-2440 de 40A PWM, que cumple con los requisitos y además cuenta con pantalla LCD para el fácil monitoreo del sistema.
Controlador SRNE | |
Tipo | PWM 12/24 V |
Salida USB | 5V -1.2A |
Voltaje de entrada [V] | 55 |
Pantalla | LCD |
El inversor que podemos utilizar en este sistema es el inversor de SOPOWER RA-2000W, este inversor es de onda sinusoidal pura y cuenta con las características que cumplen con el requerimiento del sistema:
Inversor SOPOWER | |
Potencia nominal [W] | 2000 |
Voltaje OUT [VAC] | 230 |
Voltaje IN [VDC] | 12 |
De esta manera podemos dimensionar las cantidades y determinar las características técnicas para la selección de los equipos esenciales del sistema aislado. Además, debemos considerar las protecciones, cables, accesorios y conectores que la instalación requiera.
Estos sistemas son de larga vida útil y de poco mantenimiento, pero si se requiere implementar estos sistemas debemos asegurarnos de adquirir todos los componentes de fabricantes certificados que ofrezcan servicios confiables de diseño, instalación y soporte. Nueve años de actividad y certificaciones internacionales acreditan a DESMART LTDA. como una empresa de confianza y de alta calidad en sus servicios y productos, por lo tanto, si está pensando implementar sistemas de energía fotovoltaica, puede contactarse con nosotros para el asesoramiento en todo lo referente a su instalación y selección de equipos.
Los paneles solares son uno de los equipos esenciales en cualquier sistema fotovoltaico, ya que son los encargados de absorber la luz solar y transformarla en energía eléctrica, por eso debemos tomar en cuenta varios aspectos para la elección y adquisición de estos. Los paneles solares están construidos a base de silicio y dependiendo del tipo de células pueden ser monocristalinos o policristalinos.
Nombre: Ing. Patricia Aparicio León
Cargo: SAC- División Energys Energías Renovables
Email: ventas@energys-bo.com
Teléfono: 2493989 int. 401. Celular: 71528452
