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Calculadora para el Dimensionamiento FotovoltaicoGarcia Pe ̃na Erick, Mendez Juarez Jos ́ ́e & Quevedo Cassio Esteban.Benem ́erita Universidad Autonoma de Puebla ́Proyecto Integrador Practico en Energ ́ ́ıa Solar, Otono 2020 ̃Tutor : Dr. Moreno Coria Luis ArmandoResumen—En base a los m ́etod...

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Calculadora para el Dimensionamiento Fotovoltaico Garcia Pe˜na Erick, M´ endez Juarez Jos´e & Quevedo Cassio Esteban. Benem´erita Universidad Autonoma ´ de Puebla Proyecto Integrador Pr´ actico en Energ´ıa Solar, Oto˜ no 2020 Tutor : Dr. Moreno Coria Luis Armando

Resumen—En base a los m´etodos de dimensionamiento fotovoltaico aprendidos en clase y a una investigacion ´ externa se a caprogramar´a una calculadora en el software Python que ser´ paz de dimensionar un sistema fotovoltaico aislado dependiendo de la HSP (Hora Solar Pico) que haya en el lugar seleccionado. Index Terms—Dimensionamiento, Sistema Fotovoltaico, Calculadora, Irradiaci´on, Python.

Bater´ıa. En los sistemas fotovoltaicos las bater´ ıas o acumuladores se utilizan principalmente como sistema de almacenamiento energ´ etico, debido al desplazamiento on temporal que puede existir entre los periodos de generaci´ on de las y los periodos de consumo, permitiendo la operaci´ cargas cuando el panel FV por si mismo no puede generar la potencia suficiente para abastecer el consumo [1].

ıa de los sistemas fotovoltaicos Regulador. En la gran mayor´ on aut´onomos con bater´ıas es necesario un sistema de regulaci´ En la actualidad dependemos principalmente de los de carga. El principal objetivo de un regulador de carga es etico realizar un proceso optimo combustibles f´osiles para satisfacer el consumo energ´ ´ de carga de la bater´ıa, permitiendo que conlleva mantener funcionando nuestra sociedad tal como la carga completa pero evitando la sobrecarga y la sobre etica descarga.El regulador de carga determina el proceso de carga la conocemos. Prioritariamente es esta necesidad energ´ la que ha provocado que se emitan millones de toneladas de de una bater´ıa y es responsable en ultima instancia tanto de gases contaminantes que da˜nan la atm´osfera, los ecosistemas la capacidad del sistema de satisfacer los consumos como de y la calidad de vida de las personas. Es por esto que se han la vida u´ til de la bater´ıa [1]. desarrollado diferentes alternativas al uso de los combustibles fosiles, ´ una de estas alternativas es el uso de la energ´ıa Inversor. El panel FV produce corriente continua. En es de la sistemas fotovoltaicos para poder utilizar cargas en corriente solar, la energ´ıa del Sol puede ser aprovechada a trav´ etica que mana alterna se necesita un dispositivo electr´ radiaci´on solar que es la energ´ıa electromagn´ onico, denominado del proceso de fusi´on de hidr´ogeno contenido en el Sol. Esta inversor, que convierte la corriente continua en corriente radiaci´on que llega a la tierra puede ser directa o difusa, la alterna. habitualmente en sistemas fotovoltaicos aut´ onomos en el que inciden, la directa el inversor esta conectado a un bater´ diferencia est´a en que el angulo ´ ıa, mientras que en un incide con un solo angulo ´ y la difusa en varios angulos. ´ ectrica el inversor va sistema fotovoltaico conectada la red el´ La radiaci´on solar puede ser aprovechada para convertir directamente al panel fotovoltaico. La funci´ on principal de esta energ´ıa lum´ınica en energ´ıa el´ectrica gracias al efecto un inversor es la conversi´ on DC/AC, modulaci´on de la onda on de los alterna de salida y regulaci´ fotovoltaico, el cual funciona a partir de la interacci´ on on del valor eficaz de la tensi´ fotones con los electrones de materiales semiconductores de de salida [1]. los cuales est´an fabricadas las celdas fotovoltaicas. I.

I NTRODUCCI O´ N

Las celdas fotovoltaicas son los dispositivos ocupados para convertir la energ´ ıa solar en energ´ıa el´ectrica a trav´es del efecto fotovoltaico, el semiconductor mas ocupado en este tipo de dispositivos es el Silicio. Al interconectar mas de una celda obtenemos un modulo fotovoltaico, estos m´odulos son instalados para alimentar una vivienda, un on fotovoltaica se negocio o fabrica. Para hacer una instalaci´ requiere primero de un dimensionamiento, existen distintos m´etodos como por ejemplo: m´ etodo watt-hora, m´etodo del factor de planta, m´etodo energ´ etico y el m´etodo del mes mas desfavorable. En este reporte se usara el m´etodo del mes mas desfavorable para realizar una calculadora para dimensionamientos fotovoltaicos, con ayuda del software de programaci´on Python. A grandes rasgos una instalaci´ on fotovoltaica se compone de diferentes partes que son: bater´ ıas, regulador, inversor y panel fotovoltaico.

II.

´ M ARCO T E ORICO

II-A. Dimensionamiento Fotovoltaico por el m´etodo del mes mas desfavorable El dimensionamiento de un sistema fotovoltaico por el m´etodo del mes mas desfavorable consiste en un procedimiento donde el punto de partida sera el consumo diario estimado y los datos de irradiaci´ on solar para el mes mas desfavorable. Donde la irradiaci´ on del mes mas desfavorable sera aquel valor de irradiaci´ on m´as peque˜no obtenido durante un a˜ no, generalmente este mes sera Diciembre [2]. EL objetivo de este m´etodo de dimensionamiento es garantizar dentro de los margenes razonables el consumo durante todo el periodo de utilizaci´ on y determinar el tama˜no del sistema de generaci´on fotovoltaica [2]. Este

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dimensionamiento consta los siguientes pasos: Nparalelo =

Nmodulos Nserie

(5) 1. Determinaci´on de la energ´ıa diaria. En este paso se realiza el conteo de todas las cargas a alimentar, ya sea en DC o AC, as´ı como la potencia [W] de on 7. Dimensionamiento del sistema de acumulaci´ cada una de las cargas (dispositivos) y el tiempo[horas] que El n´umero de bater´ıas necesarias para almacenar la energ´ ıa ıa. De esta se encontrara operando durante el transcurso del d´ producida esta dada por la ecuaci´ on 8, donde esta depende esta manera tendremos un consumo [Wh/d´ıa] de las cargas de la energ´ıa acumulada (Eacu ), junto con un margen de de AC y DC. sobredimensionamiento del 10 2. C´alculo del Consumo Medio Diario. Una vez determinado el consumo de nuestras cargas en AC y DC, se calcula el consumo medio diario (Lmd ) donde ya se toma en cuenta la eficiencia de los conductores (ncon) y la eficiencia del inversor (ninv ). El valor del Lmd esta dado por la siguiente ecuaci´on: Lmd =

Lmd,DC + (

Lmd,AC ) ninv

nbat ∗ ncon

Eacu [W h] =

1,1 ∗ ND ∗ Lmd P Dmax

(6)

Donde: ND : d´ıas de autonom´ıa deseados P Dmax : Profundidad de descarga m´axima de la bater´ıa Eacu (7) Vbat Para obtener el n´ umero de bater´ıas necesarias a utilizar es: CT [Ah] =

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on del lugar de ubica3. Estimaci´on de los datos de irradiaci´ ci´on. Este paso consiste en obtener una base de datos de on a una la irradiaci´ on obtenida en el lugar de instalaci´ on definida. Estos datos pueden ser obtenidos de inclinaci´ INEGI.gob, estaciones meteorol´ogicas, NASA, etc.

Nbaterias =

CT [Ah] C[Ah]Bat,pieza

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8. C´alculo de control de carga (Regulador). on de un regulador debemos considerar la Para la elecci´ magnitud de corriente que debe soportar o ser capaz de on: controlar, esta corriente se obtiene de la siguiente ecuaci´

4. Determinaci´on del peor mes y HPS. Se determinara el peor mes o el mes critico al valor mas Ireg = 1,25 ∗ Iscmod ∗ Nparalelo (9) alto del coeficiente obtenido entre el consumo medio diario y Donde: Iscmod : corriente de corto circuito del panel PV on de cada mes. Una vez determinado el el valor de la irradiaci´ La constante 1.25 es porque se considera un 25 por ciento mes mas desfavorable, se obtiene las horas solar pico (HPS), de sobre dimensionamiento, conocido como coeficiente de a partir de la siguiente ecuaci´on: seguridad . irradiacioncritica HP Scritico = (2) 9. Dimensionamiento del inversor. 1HP S Para el c´alculo de inversor es importante definir que solo se 2 Donde: 1HPS=1kWh/m tomar´an en cuenta las cargas en corriente alterna (AC), pues nal obtenida de este equipo se encarga de transformar la se˜ 5. Dimensionamiento del generador fotovoltaico. corriente directa (DC) en corriente alterna (AC). La potencia A partir de los c´alculos ya realizados se puede obtener el on. requerida del inversor esta dada por la siguiente ecuaci´ numero ´ de paneles necesarios para generar la energ´ ıa el´ectrica con el fin de satisfacer la demanda. El no. de paneles PV esta on: dado por la siguiente ecuaci´ 1,10 ∗ Lmd P mod ∗ HP Scritico

P inv = 1,20 ∗ EP AC,pico

(10)

III. M ETODOLOG´IA La calculadora ha sido programada en lenguaje Python, en Donde: donde se ha buscado hacer una interfaz interactiva y agradable a la vista para el usuario, de igual manera se ha realizado esta P md : potencia del modulo selecci´on debido a que se buscaba trabajar con el guardado 1,10 ∗ Lmd : carga media diaria, considerando un 10 de datos, manipulaci´ on de los mismos y presentaci´on de los on resultados por medio de una estructura de datos denominada 6. Conexi´on de los paneles fotovoltaicos. La determinaci´ a del ”diccionarios”. A continuaci´ on se presenta una captura del de la conexi´on de los paneles fotovoltaicos depender´ voltaje de las bater´ıas, as´ı como del voltaje de cada panel. ”shell”de la calculadora fotovoltaica (Figura 1). on: El no. de paneles en serie se obtiene con la ecuaci´ La calculadora para el dimensionamiento, realiza dicho VBat as (4) dimensionamiento de acuerdo al m´etodo del mes m´ Nserie = VMod desfavorable, las ecuaciones se han ingresado en el lenguaje Mientras que el no.de los paneles en serie esta dado por: matem´atico soportado por Python. No hay funciones Nmodulos =

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Par´ametros

Valores

Ciudad Tuxtla Guti´errez,Chis. HSP 4.26 Consumo CA 1500 W Consumo CD 50 W 300 W Potencia m´axima 1 D´ıas de autonom´ıa ı Mantener Modelo Panel S´ Mantener Modelo Bater´ıa S´ı Tabla I DATOS DE EN TRA DA AL P ROGRA MA

on se (pico) que debe de manejar el inversor, a continuaci´ pantalla del shell (Figura presenta una captura de la ultima ´ 2). Figura 1. Captura Calculadora fotovoltaica.

extraordinarias o importadas que requieran de una menci´ on especial en esta secci´on. Sin embargo, se explicar´ a el algoritmo utilizado y su flujo en la obtenci´ on de datos e impresi´on de los mismos. ıtulo y una Al principio del programa, se imprime un t´ breve bienvenida al programa, posterior a esto se presenta la primera interacci´on con el usuario, donde se le presentan una serie de valores de HSP de los meses m´as desfavorables en diversas ciudades d´andole a escoger alguna de las presentadas o bien a ingresar su propio valor de HSP, estos valores han no 2019. sido obtenidos del sitio oficial de la NASA para el a˜ Una vez obtenidos estos datos, se limpia la pantalla del shell y se presenta una tabla de los datoes recabados hasta on con el usuario le ese momento. La segunda interacci´ etico para cuestiona si conoce los datos de consumo energ´ pantalla del shell del programa ´ el dimensionamiento, en CA, CD y la potencia m´ axima Figura 2. Captura de la ultima instantanea del sistema; en caso de no conocerlos el usuario puede acceder a una subsecci´ on para calcularlos con la potencia de los diversos equipos y el tiempo de consumo. IV. R ESULTADOS Una vez obtenida esta informaci´on se limpia de nuevo el shell y se actualiza la tabla de datos recabados, presentado el El programa se ha probado para un dimensionamiento andoles primer c´alculo que es el del consumo total diario aplic´ propuesto meramente con fines acad´ emicos, a continuaci´ on un factor de seguridad. se presentan los datos con los que se alimentar´ a el programa Posterior a esto, el programa ya cuenta un modelo de panel (Tabla I). solar fotovoltaico precargado que se le pregunta al usuario A partir de esos datos, el programa es capaz de obtener si desea trabajar con este o bien cambiarlo con los valores de otro panel deseado. De igual manera se hace el mismo los datos presentados en la Tabla II. Donde se encuentra el cuestionamiento para la bater´ıa, en donde tambi´en ya se tiene consumo total diario, la potencia de un panel (Valor fabriodigo del programa. Y finalmente cante), la energ´ıa diaria capaz de producir un panel con el una precargada en el c´ ıa se pregunta los d´ıas de autonom´ıa que se quieren para el HSP determinado, la cantidad de paneles necesaria, la energ´ alculos para al fin necesaria de los acumuladores, y la cantidad que se requiere panel fotovoltaico. Lo cual termina los c´ onomo. ıa total producida por los paneles, la cantidad para el sistema fotovoltaico aut´ obtener la energ´ Se observa un correcto funcionamiento del software, ya que ıas. Todo esto es presentada en necesaria de paneles, y bater´ dichos valores tambi´en fueron comprobados de manera manual on de la tabla de datos recabados. la actualizaci´ y se lleg´o al mismo resultado propuesto por el software, Para finalizar se preguntan las opciones para la elecci´ ı que esta es una herramienta de apoyo para on de encontrando as´ on del otros elementos del sistema fotovoltaico, que son la corriente el programador del proyecto fotovoltaico en cuesti´ m´axima dentro del regulador de carga y la potencia de salida dimensionamiento fotovoltaico.

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ametros Par´ Consumo Total Potencia paneles Energ´ıa diaria un panel Paneles necesarios Capacidad Bater´ıas Capacidad necesaria acumuladores Bater´ıas necesarias Tabla II R ESU LTADOS DE L

V.

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Valores 1782.5 Wh 375 W 1597.5 Wh 2 150Ah 204.25 Ah 2

DIM EN SIONAM IE NTO EN

PYTHON

´N C ONCLUSI O

Este programa o mejor llamado, calculadora del dimensionamiento fotovoltaico es una herramienta valiosa en el onomo, sin embargo, dimensionamiento de un sistema aut´ on de la misma como se observa en el an´alisis de la operaci´ es f´acilmente realizar un sobredimensionamiento excesivo, ya que el sistema requiere de 1,780 Wh, pero se han instalado 2 paneles que estar´an produciendo aproximadamente 3,180 Wh al d´ıa. Por lo tanto, el dise˜ nador debe de estar pendiente de estos resultados, no considerando absolutos los resultados de la calculadora, para este caso se puede proponer otro modelo de panel solar fotovoltaico que tenga una potencia menor o inclusive mayor para ajustar los valores y no tener un sobredimensionamiento excesivo. R EFEREN CIAS ıa para el fu[1] Juan Carlos Lavandeira A.(2008).Fuentes de energ´ turo; Energ´ıa solar fotovoltaica, energ´ıa solar t´ ermica y fr´ıo solarbooks.google.es [2] B. Djehad, C. Nasreddine, B. Halima and S. M. Lamine,The sizing of the isolated photovoltaic system (Domestic self-consumption) and economic comparison between the cost of this energy (price of KWh) and different sector). 2019 10th International Renewable Energy Congress (IREC), Sousse, Tunisia, 2019, pp. 1-4, doi: 10.1109/IREC.2019.8754610.

VI. A NEXO VI-A. EVIDENCIA DEL TRABAJO COLABORATIVO

Figura 3. Captura de pantalla, reuni´on realizada en GoogleMeet...