09 Mar ¿Cómo saber cuántos paneles y baterías para un sistema aislado?
A continuación exponemos un método fácil para dimensionar un sistema solar fotovoltaico aislado de la red eléctrica (off-grid)
- DETERMINAR LAS CARGAS A CONECTAR
Lo primero que se debe hacer es una tabla con las cargas que se van a conectar al sistema. Determinar si todas son cargas AC, o si hay alguna carga en DC. En caso de tener cargas en DC, Estas cargas DC pueden salir del controlador de carga (recomendado), o del banco de baterías directamente.
Tabla Ejemplo de cargas para una casa pequeña, sin acceso a la red.
De esta tabla se toman dos datos básicos para el dimensionamiento.
POTENCIA TOTAL PICO: 288W
(es la potencia mínima que debe soportar el inversor)
CONSUMO DE ENERGÍA DIARIO: 1,4KWh
(es la energía que necesitan todas las cargas durante un día)
Para contar con disponibilidad de energía durante las 24 horas, los paneles solares deben suminstrar la energía suficiente para cargar las baterías y además la energía para alimentar las cargas durante el todo el día. Al final de la tarde, las baterías deben soportar el consumo hasta las madrugada del siguiente día, cuando vuelven a aparecer los rayos solares. Independientemente de si el consumo más alto es durante la noche, durante el día, o relativamente igual durante las 24 horas, se debe dimensionar el sistema para tener el respaldo continuo.
Ilustración 3. Ejemplo del comportamiento real de la energía producida por los paneles (áreas), la energía enviada a baterías y la energía consumida directamente.
La energía total de los paneles, debe ser la suma de la energía de las cargas + la energía de las cargas durante un día.
Energía Paneles = Energía cargas + Energía banco baterías.
La recomendación general siempre para el usuario final, es que si es posible, que las cargas de mayor consumo, se utilicen alrededor del medio día, que es cuando más energía hay disponible en el sistema.
En general, para no incrementar valores, la energía para cargar las baterías se calcula sobredimensionando los paneles entre 20 y 30% de la energía para las cargas.
La siguiente figura ejemplifica el comportamiento del estado de carga (SOC) de las baterías durante varios días, donde su punto más bajo es en la madrugada, y su carga máxima debe ser alcanzada al final de cada tarde para asegurar la entrega de energía a las cargas durante la ausencia de sol.
Ilustración 2. Ejemplo del comportamiento de la carga y descarga de las baterías (SOC) durante 3 días, en un sistema solar fotovoltaico off-grid correctamente dimensionado.
- CÁLCULO DE LOS PANELES SOLARES
Inicialmente se debe determinar la ciudad y el lugar exacto de instalación, para saber el número de horas solares que se tiene en dicha localización.
Las horas solares pico, es una forma más fácil de calcular la energía producida por los paneles solares. Es una representación rectangular de la campana de irradiancia solar (áreas equivalentes)
Así, y con ayuda del mapa solar del http://atlas.ideam.gov.co/, se determina este número de horas pico solares (brillo solar):
Promedio anual de horas solares pico
Para el caso de este ejemplo, Duitama, se puede determinar el mes con menos horas solares usando el ratón del computador. A estación meteorológica más cercana a Duitama es Tunja, de donde se puede ver que el mes con menos horas de sol pico es junio, con un poco más de 125 horas efectivas al mes.
125 h / 30días = 4,16 horas / día
De esta forma, se puede estables entonces que, si dividimos la energía de las cargas en 1 día, la dividimos en 4,16h, tendremos la potencia de los paneles mínimos para nuestra aplicación:
1472 W/h / 4,16 horas = 353,8W
Sobredimensionando los paneles, para poder mantener cargado el banco de baterías, se dobredimensiona 25%, así:
352,8 x 1,25 = 442,3 W
En el mercado actualmente, existen paneles solares desde 40W hasta 400W. Es siempre mejor insalar más potencia del mínimo determinado arriba. Comercialmente, se pueden conseguir facilmente paneles de 260W.
Antes de determinar finalmente los paneles, buscamos el controlador de carga que soporte potencia entre 440W y 500W en DC, y así, determinar también si se necesita un banco de 12V, 24V o 48V.
Por ejemplo, los controladores de carga Victron pequeños, tenemos las siguientes opciones:
De esta tabla, podemos ver que la potencia de entrada baja y más cercana a 442W es 440W si utilizamos un banco de 24Vdc.
Para nuestro caso, el Voc máximo que soportan los controladores es 75Voc y 100Voc. Eso determina si se usa uno o dos paneles en serie. Los paneles solares, generalmente tienen un 40Voc o similar. Por lo que se determina fácilmente que para el de 75Voc solo se puede tener un panel solar en serie. Con el de 100Voc se pueden instalar los 2 paneles en serie.
ADVERTENCIA:
NUNCA SE DEBE EXCEDER EL VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO (Voc) QUE SOPORTA EL CONTROLADOR. EXCEDER ESTE VALOR PUEDE DAÑAR EL INVERSOR, Y NO LO CUBRE LA GARANTÍA.
Entonces, si se consiguen 2 paneles de 220 o 230W, podemos usar el controlador 75/15. En caso de no conseguirlo, debemos adaptarnos a la potencia en paneles. Si se consiguen paneles de 260W, tendríamos que usar un contolador que soporte min 520W, es decir, el controlador 100/20.
Ahora, podemos verificar la energía a generar con los paneles, con otra aplicación, que se llama https://pvwatts.nrel.gov/pvwatts.php, el cual nos dice cuanta energía producirán esos 520W en esa localización. Así:
Haciendo el mismo ejercicio a la inversa, determinamos que el mes con menor radiación, generará una energía mensual de 61 KWh al mes.
61KWh / 30días = 2033Wh día
2033Wh día / 4,16hps = 488Wp
De esta forma confirmamos que los 2 x 260W = 520Wp están por encima del mínimo de potencia pico de 488Wp.
- DETERMINAR LA CAPACIDAD DEL BANCO DE BATERÍAS
Teniendo entonces que el banco de batería determinado por el controlador de carga, será de 24V. Por lo que será necesario 2 baterías en serie.
El banco de baterías debe ser capas de entregar por lo menos el 50% de la energía que se consume durante un día. Así:
1472Wh día / 2 = 736Wh
Suponiendo una descarga del 50% de profundidad (DoD), se tiene que la energía total del banco debe ser del doble de lo que necesitamos entregar:
736Wh x 2 = 1472Wh
1472 Wh / 24V = 61,33Ah
Sin embargo, en el mercado, es más común las baterías solares de 100Ah. De esta forma, y para no exigir las baterías a descargas de 50%, se propone un banco de 2 baterías de 12V y de 100Ah. Recordando además que el número de ciclos de las baterías se aumenta cuando menor es la profundidad de descarga a utilizar, así:
Ejemplo de números de ciclo de una batería de gel para aplicaciones solares.
La energía diaria consumida por la carga es de 2880Wh. La diferencia entre lo producido y lo consumido será enviado a diario a las baterías. Con este banco de baterías de 100Ah se puede asegurar 12 horas de autonomía a plena carga.
Entonces, la energía excedente que no se consume, se envía a las baterías diariamente, en el peor mes (junio), así:
2033Wh – 1470Wh = 563Wh
- DETERMINACIÓN DEL INVERSOR
El inversor de menor potencia para esta aplicación debe ser de 288W, de forma que lo que se puede conseguir en el mercado es de 300W o de 500W. Se debe tener en cuenta también que si hay motores en las cargas, es importante que el inversor soporte los sobrepicos de consumo. Por lo que se recomienda el doble de la potencia nominal. Para este caso, por tener nevera, es mejor utilizar inversores de 500W o superior, por ejemplo 800W, a 24Vdc.
Recuerda siempre adquirir equipos con una buena garantía, de mínimo 5 años o más. Esta es una inversión que debe durar en el tiempo, y no sería ideal tener que cambiar equipos electrónicos como el inversor o el controlador de carga al año siguiente.
Cualquier duda que tengas puedes escribirnos, para más asesoría y para la venta de los equipos que mejor se acomoden a tu necesidad.
Feliz y soleado día
Guillermo Rodríguez Cantor
FOGO Energía Solar.