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TRABAJO SOBRE SISTEMA DE ALMACENAMIENTO ENERGETICO AUTOSUFICIENTE...

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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO TRABAJO 1 – SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ENERGETICO

9 DE NOVIEMBRE DE 2020 PEDRO PRATS ROMAN Y PABLO JIMENEZ MARTIN

El señor Joaquín ha heredado una propiedad en Alentejo, en el distrito de Beja (Lat: 38.063889, Long: -7.740095). Para escapar de la vida de la ciudad, pretende restaurar la casa para poder pasar los fines de semanas Sin embargo, la propiedad del Sr Joaquín se encuentra en una localidad remota, sin que exista cualquier infraestructura de red eléctrica cercana. Consciente de ello, el Sr Joaquín ha acudido a los alumnos del curso de energías renovables de ISMAI para que le ayuden a montar un sistema que permita el consumo eléctrico durante los fines de semana. Para tal informa que el consumo medio anual diario es de 13.5 kWh de energía eléctrica. Para los casos de abajo, determine el número de paneles solares y aterías a utilizar en la instalación. Presentar los componentes que se utilizaran para unir los diferentes dispositivos y estime el coste de la instalación.

a) Considere que el Sr Joaquín solo utilizara la casa los sábados y domingos En primer lugar, es necesario aclarar de que se trata de un sistema fotovoltaico aislado y autónomo al no estar conectado a ningún tipo de red eléctrica. Para dimensionar el sistema fotovoltaico, es necesario seguir los siguientes pasos: 1. Estimación del consumo diario 2. Obtener datos de la irradiación en el lugar donde se realiza la instalación y la inclinación óptima de los paneles. 3. Dimensiones del generador fotovoltaico y conexión 4. Dimensiones del sistema de almacenamiento (baterías) y conexión. 5. Presupuesto y costes 1. Estimación del consumo diario En primer lugar, hay que estimar el consumo diario que tiene la vivienda. En este apartado, constituye uno de los datos del problema por lo que sabemos que el consumo medio anual diario es de 13,5 kWh. A este valor se le añade un margen de seguridad del 20% para evitar problemas en el suministro de electricidad 𝐸𝑅 = 𝐸 · 1,2 𝐸𝑅 = 13,5 · 1,2 = 16,2 (𝑘𝑊ℎ) Se obtiene un consumo real de 16,2 kWh de energía eléctrica. 2. Obtener los datos de irradiación en el lugar donde se realiza la instalación Para obtener los datos de la irradiación incidente en la localización de la vivienda se recurre a un software de simulación llamado Photovoltaic Geographical Information Systema (PVGIS), que se puede encontrar en el siguiente enlace: https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis . Con ayuda del software se realiza una simulación de las condiciones de radiación obtenidas a lo largo de los meses del año para una superficie horizontal plana e inclinadas 30º, 40º, 50º y a 60º. A modo de ejemplo se presentan en la siguiente imagen los resultados obtenidos para la simulación de una superficie inclinada 30º.

Se recogen en una tabla todos los datos de irradiación mensual para las demás superficies inclinadas y para la horizontal. Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre TOTAL

0º 53,5 89,4 134,4 164,2 190,1 233,65 246,13 222,98 177,91 116,12 74,94 72,86 1776,19

Tabla de radiaciones (kWh/m2) 30º 40º 81,37 87,1 123,52 129,39 162,57 164,78 173,79 169,39 183,76 173,94 216,71 201,67 234,25 219,41 232,07 223,74 211,35 212,22 153,02 158,42 111,83 119,2 126,21 138,11 2010,45 1997,37

50º 90,68 132,06 163,09 161,15 160,43 181,96 199,2 209,78 207,62 159,91 123,58 146,33 1935,79

60º 91,96 131,41 157,47 149,28 144,04 159,17 174,98 190,55 197,61 157,37 124,83 150,58 1829,25

Posteriormente se procede a dividir todos los valores de radiación obtenidos entre 30 para hallar la media diaria mensual de las superficies inclinadas y de la horizontal.

Los resultados obtenidos quedan reflejados en la tabla expuesta a continuación. Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre TOTAL

0º 1,78 2,98 4,48 5,47 6,34 7,79 8,20 7,43 5,93 3,87 2,50 2,43 59,21

Tabla de radiaciones (kWh/m2/día) 30º 40º 2,71 2,90 4,12 4,31 5,42 5,49 5,79 5,65 6,13 5,80 7,22 6,72 7,81 7,31 7,74 7,46 7,05 7,07 5,10 5,28 3,73 3,97 4,21 4,60 67,02 66,58

50º 3,02 4,40 5,44 5,37 5,35 6,07 6,64 6,99 6,92 5,33 4,12 4,88 64,53

60º 3,07 4,38 5,25 4,98 4,80 5,31 5,83 6,35 6,59 5,25 4,16 5,02 60,98

Una vez calculada la irradiancia obtenida para cada mes y superficie en una localización determinada se procede a aplicar criterio del ‘’Mes crítico o desfavorable’’. Para ello, el primer paso es realizar una tabla donde se muestre la relación consumo/radiación para cada caso. Para aplicar este criterio de manera correcta, se buscan el mes donde se obtienen unos valores mayores ya que corresponde con el momento del año donde la relación entre consumo de energía e irradiación disponible es la mayor, de esta manera se consigue asegurar el suministro de energía durante los meses de menos radiación. Una vez conocidos estos valores, se escoge el menor de ellos y es el que nos indicará la inclinación óptima de los paneles. La tabla de la relación consumo/radiación incluyendo los pasos anteriormente descritos se muestra a continuación.

Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre TOTAL

Mes crítico o mes desfavorable 0º 30º 40º 9,08 5,97 5,58 5,44 3,93 3,76 3,62 2,99 2,95 2,96 2,80 2,87 2,56 2,64 2,79 2,08 2,24 2,41 1,97 2,07 2,22 2,18 2,09 2,17 2,73 2,30 2,29 4,19 3,18 3,07 6,49 4,35 4,08 6,67 3,85 3,52 0,27 0,24 0,24

50º 5,36 3,68 2,98 3,02 3,03 2,67 2,44 2,32 2,34 3,04 3,93 3,32 0,25

60º 5,28 3,70 3,09 3,26 3,37 3,05 2,78 2,55 2,46 3,09 3,89 3,23 0,27

Como se puede apreciar en la tabla, los valores máximos coinciden con el mes de enero que coincide con el mes en el que menos radiación disponible hay. También se ha deducido que la inclinación de los paneles deberá de ser de 60º. 3. Dimensiones del generador fotovoltaico y conexión Una vez conocido el consumo medio diario y los datos de radiación para el lugar donde vamos a instalar el sistema fotovoltaico, se dimensiona el generador fotovoltaico, es decir, se calculan cuantos paneles son necesarios y cómo deben conectarse. En primer lugar, es necesario elegir el modelo de placa solar que se va a utilizar. En este caso debido a la situación aislada en la que se encuentra la vivienda se ha optado por no escatimar en gastos y optar por paneles eficientes y fiables como puede ser el panel solar 400M PERC Monocristalino ERA. Este tipo de panel tiene una eficiencia del 20,17%. Cabe destacar que este tipo de paneles está hecho de silicio monocristalino.

A continuación, se expone la hoja de especificaciones del producto:

De la hoja de especificaciones se pueden los siguientes datos: -

Pmpp: 400 W Eficiencia: 20,17% Vmpp: 41,7 V Impp: 9,6 A

En segundo lugar, es necesario calcular el número total de paneles necesarios. Para ello, el método consiste en aplicar la siguiente ecuación para hallar el número de paneles totales: 𝑁𝑇 =

𝐸𝑅 𝑃𝑀𝑃𝑃 · 𝐻𝑃𝑆𝑐𝑟𝑖𝑡 · 𝑃𝑅

Donde: -

NT simboliza el número total de paneles. PMPP simboliza la potencia pico del módulo solar (panel fotovoltaico). HPScrit simboliza las horas solares pico del mes crítico. PR simboliza el factor global de pérdidas que de manera estándar se sitúa en 0,9 al tener un panel con tan alta eficiencia.

Sustituyendo en la ecuación anterior con los datos ya conocidos, se obtiene la siguiente expresión: 𝑁𝑇 =

16200 = 14,65 ≃ 15 400 · 3,07 · 0,9

Se obtiene un total de 15 paneles solares Para hallar el número de paneles que hay que disponer en serie y en paralelo se aplican las siguientes ecuaciones: 𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =

𝑉 𝑏𝑎𝑡 𝑉𝑚𝑜𝑑,𝑀𝑃𝑃

𝑁𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =

𝑁𝑇 𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒

Aplicando los datos que ya conocemos, se obtiene: 𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =

48 = 1,15 ≃ 2 41,7

𝑁𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =

15 = 7,5 ≃ 8 2

Según este método, habría que poner 8 ramas en paralelo con 2 módulos en serie en cada rama. Cabe destacar que siempre se realiza una aproximación hacia arriba ya que es mejor que el sistema quede sobredimensionado que arriesgarse a una falta de suministro.

4. Dimensiones del sistema de almacenamiento y conexión En este paso se procede a realizar el cálculo de las baterías y su posterior asociación en función del voltaje que se desee obtener. Para el cálculo de las baterías es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros: -

Profundidad de descarga (Pd): El porcentaje de la batería que se puede usar sin comprometer la vida útil de la misma. 70% Número de días de autonomía (N) Rendimiento de la batería (ƞ) 85%

Para calcular la capacidad de la batería necesaria se aplica la siguiente ecuación: 𝐶𝑛 =

𝐸𝑅𝑒𝑎𝑙 · 𝑁 𝑃𝑑 · 𝜂

Teniendo en cuenta que solo utiliza la viviendo los sábados y domingos (2 días de autonomía) y sustituyendo los datos conocidos, obtenemos la siguiente expresión: 𝐶𝑛 (𝑊ℎ) =

16200 · 2 = 54453,78 𝑊 · ℎ 0,7 · 0,85

𝐶𝑛 (𝐴 · ℎ) =

54453,78 = 1134,45 𝐴 · ℎ 48

Por lo que se necesita una batería o baterías con una capacidad 1134,45 A·h y se tienen que asociar de tal manera que el voltaje sea de 48V. En un primer momento se optó por incluir dos baterías conectadas en serie de 24V, pero el precio del conjunto ascendía a más de 3000€, por lo que finalmente se ha optado por realizar un montaje con baterías de 6V. Para este caso, se han escogido 8 baterías TROJAN de 6V de Ciclo Profundo Modelo T145 de 250Ah C100. Como se desea llegar a un voltaje de 48 V, para comprobar cuantas baterías en serie son necesarias, se aplica la siguiente ecuación: 𝑁𝑏𝑎𝑡,𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =

𝑉 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 48 = 8 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 = 6 𝑉𝑏𝑎𝑡

Por lo que se obtiene que hay que utilizar 8 baterías unidas en serie para llegar a la tensión deseada. Para calcular la capacidad, se aplica la siguiente fórmula: 𝐶𝑚𝑜𝑑 𝑏𝑎𝑡 = 𝑛𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 · 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝐶𝑚𝑜𝑑 𝑏𝑎𝑡 = 8 · 250 = 2000 𝐴 · ℎ Por lo que se obtiene una capacidad más que necesaria para abastecer durante dos días el consumo de energía eléctrica de la vivienda. El sistema de almacenamiento queda dimensionado, pero de esta manera podemos asegurar el suministro de energía eléctrica durante dos días, aunque hubiese algún problema en algún día de carga de los paneles.

5. Regulador de carga El regulador de carga se trata de un dispositivo que protege las baterías del sistema de sobrecargas, proporcionándola energía según corresponda en cada momento, asegurando que los procesos de carga y descarga se den siempre dentro de las condiciones correctas de funcionamiento. Evita sobrecargas y puede proteger contra la sobretensión, que pueden reducir tanto el rendimiento como la vida útil de la batería, suponiendo a su vez un riesgo de seguridad. A la hora de realizar un dimensionamiento de este, se ha de tener en cuenta la corriente máxima que va a circular por la instalación. Por ello, se calcula la corriente que produce el generador fotovoltaico, la corriente que consume cada carga, y se escoge la máxima, que es la que ha de soportar el regulador. La corriente producida por el generador se calcula con la siguiente expresión: 𝐼𝑔 =

𝑃𝑛𝑜𝑚 ∗ 𝜂 400 ∗ 0.9 = 8.633 𝐴 = 𝑉 41.7

la intensidad de corriente que consume la carga se calcula en este caso de la siguiente forma: 𝐼𝑐 =

𝑃𝐷𝐶 𝑃𝐴𝐶 + 𝑉𝑏𝑎𝑡 220

siendo: ➔ PDC: potencia en continua de las cargas ➔ Vbat: tensión nominal de la batería ➔ PAC: potencia en alterna consumida por las cargas Para un consumo energético diario medio de 13.5 kWh, suponiendo una media de uso diario de 16 horas y considerando que un 15% de la energía consumida total se emplea en continua para el alumbrado de la vivienda y el restante del 85% para el resto de los dispositivos electrónicos y suministros en alterna, se obtiene que: PDC = 13500*0.15/16 = 126.5 W PAC = 13500*0.85/16 = 717 W Por lo tanto, la intensidad consumida por las cargas, para un voltaje de las baterías total de 48V se obtiene que: 𝐼𝑐 =

𝑃𝐷𝐶 𝑉𝑏𝑎𝑡

𝑃

𝐴𝐶 = + 220

126.5 48

+

717 220

= 5.894 𝐴

Por lo tanto, la corriente limitante será la del generador fotovoltaico. Teniendo en cuenta la disposición del campo solar (6X2): -

Intensidad nominal = Intensidad nominal de cada panel X Nº paneles asociados en paralelo = 8.663*8 = 69.304 A Tensión nominal = Tensión máxima de cada panel * Nº de paneles asociados en serie = 41.7*2 = 83.4 V

Teniendo en cuenta estas restricciones, la potencia que debe de soportar el regulador de carga vendrá dada por la siguiente expresión: 𝑃 = 𝐼𝑁 ∗ 𝑇𝑁 = 69.304 ∗ 83.400 = 5779.954 𝑊 Tras el cálculo de estas limitaciones técnicas, se escoge un regulador de carga SMARTSOLAR 150/100, cuta corriente de carga nominal puede llegar hasta los 100 A y soporta una potencia fotovoltaica máxima trabajando a 48 V en su conversión de 5800 W .

6. Inversor de corriente Un inversor de corriente es un dispositivo que se encarga de cambiar el voltaje de entrada de corriente continua proporcionando una salida de tensión en corriente alterna. En este caso, transformará la tensión que proviene de las baterías y que sale del regulador de carga de 48 V, a una tensión alterna de 230 V con frecuencia de 50 Hz, típica en los hogares. Se recomiendan para estos valores de tensión unos inversores de entre 4500 y 6000 W de potencia, por lo que se selecciona un inversor con cargador de baterías Onda Pura Victron 5000 W 48 V. Al trabajar con onda pura no se corre el riesgo de que se dañe ninguno de los electrodomésticos de la vivienda a los que se les da suministro y la potencia pico que es capaz de soportar es de 10000 W, suficiente para la instalación que se plantea.

7. Presupuesto y costes Para el cálculo de los costes finales de dicha instalación, se ha contado con los servicios de un único proveedor, de origen español en este caso, mediante asesoramiento y consulta de su catálogo de productos online. La factura de los productos adquiridos con los impuestos incluidos es la siguiente: DISPOSITIVO

MODELO

UNIDADES

COSTE UNITARIO (€)

TOTAL (€)

PANELES FV

ERA 400M PERC Monocristalino

16

169,12

2705,92

BATERIAS

TROJAN T145

8

283,13

2265,04

REGULADOR DE CARGA

SMARTSOLAR 150/100

1

829,71

829,71

INVERSOR DE CORRIENTE

VICTRON 48/5000/70

1

1857,52

1857,52

TOTAL (€)

7658,19

Se ha de tener en cuenta que este presupuesto no incluye ni los costes de montaje ni tampoco tiene en cuenta la suma que supondría el coste del cableado de la instalación.

b) Considere que el Sr Joaquín tendrá el siguiente diagrama de carga diario. Dimensione el sistema para esta nueva situación 1. Estimación del consumo diario

En este caso para hallar el consumo de la vivienda se tiene que multiplicar la potencia utilizada por el número de horas. 𝐸𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 = 𝑁 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 · 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐸𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 = (150 · 7) + (600 · 3) + (2400 · 3) + (600 · 4) + (150 · 6) = 13350

𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎

= 13,35 𝑘𝑊 · ℎ Para garantizar el suministro eléctrico se aplica un margen de seguridad del 20%. 𝐸𝑅𝑒𝑎𝑙 = 𝐸𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 · 1,2 = 13,35 · 1,2 = 16,02 𝑘𝑊ℎ Una vez obtenido el consumo medio diario, se sigue el mismo procedimiento que en el apartado anterior 2. Obtener los datos de irradiación en el lugar donde se realiza la instalación En el caso al no producirse cambios en la localización del sistema solar, los datos de radiación y la aplicación del método de ‘Mes Crítico’ es igual que en el caso anterior. 3. Dimensiones del sistema fotovoltaico y conexión En este paso, se ha decidió mantener el mismo modelo de panel solar monocristalino ERA 400M PERC. Cabe destacar que el consumo varía ligeramente entre el caso a) y el caso b) por lo que la diferencia entre el número de paneles será mínima. En el cálculo del número de paneles se obtienen los siguientes valores: 𝑁𝑇 =

16020 = 14,49 ≈ 15 400 · 3,07 · 0,9

Para el número de paneles dispuestos en paralelo, obtenemos: 𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =

48 = 1,15 ≃ 2 41,7

𝑁𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =

15 = 7,5 ≈ 8 2

Al obtener 8 ramas en paralelo con 2 paneles en serie, obtenemos un total de 16 módulos solares para este apartad (coincide con el número de módulos solares del apartado anterior). 4. Dimensiones del sistema de almacenamiento y conexión Se supone que como en el caso anterior, la vivienda solo es utilizada los sábados y domingos, por lo que se necesita dimensionar una batería con almacenamiento suficiente para dos días de autonomía. También como en el caso anterior se va a optar por una batería solar TROJAN de 6V de Ciclo Profundo Modelo T145 de 250Ah C100. Para hallar la capacidad de las baterías, se sigue el mismo procedimiento que en el apartado anterior: 𝐶𝑛 (𝑊ℎ) =

16020 · 2 = 53848,73 𝑊ℎ 0,7 · 0,85

𝐶𝑛 (𝐴 · ℎ) =

53848,73 = 1121,83 𝐴 · ℎ 48

Como se puede apreciar no hay mucha diferencia con los datos obtenidos en el apartado anterior, por lo que el número de baterías que vamos a obtener no diferirá mucho del apartado anterior. Como en el caso anterior, tenemos un voltaje del sistema de 48V por lo que para calcular el número de paneles que necesitamos disponer en serie: 𝑁𝑏𝑎𝑡,𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =

𝑉 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 48 = = 8 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑉𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 6

Por lo que se necesitarían 8 baterías de 6V conectadas en serie para llegar a un voltaje de 48 V y de esta manera cumplir con las especificaciones impuestas por el sistema. La capacidad total de nuestro sistema será bastante mayor que el consumo durante dos días, pero de esta manera aseguramos que no haya corte en el suministro y se pueda solventar si hay varios días sin luz solar. Para calcular la capacidad total de nuestro sistema: 𝐶𝑚𝑜𝑑 𝑏𝑎𝑡 = 𝑛𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 · 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝐶𝑚𝑜𝑑 𝑏𝑎𝑡 = 8 · 250 = 2000 𝐴 · ℎ En este caso el sistema de baterías queda sobredimensionado, ya que hay mucha mayor que el consumo medio que se produce en dos días de uso de la vivienda. Pero de esta manera aseguramos que no se corta el suministro, aunque haya varios días en los que no se pueda cargar la batería.

5. Regulador de carga e inversor de corriente En este caso, al mantenerse constantes las restricciones técnicas de los dispositivos que limitan la capacidad operacional del sistema, tanto el regulador de carga empleado en el apartado anterior como el inversor de corriente son perfectamente válidos. La única diferencia es que al verse reducido ligeramente el consumo energético medio diario, el sistema quedará sobredimensionado. 6. Presupuesto y costes Del mismo modo, no se aprecia ningún cambio en la lista de dispositivos solicitados al proveedor para el montaje de la instalación, por lo que el coste de la misma será igual que en el caso anterior.

c) Considere que el Sr Joaquín se muda permanentemente a la casa (7 días por semana). Considera que su consumo medio diario es de 13,5 kWh (plano). Dimensione el sistema para esta situación Este caso se asemeja bastante al del primer apartado, con la diferencia de que al usar la casa 7 días por semana, el consumo será bastante mayor. En este caso se utilizará un mayor número de baterías ya que el consumo se eleva de manera abrupta. Como en los dos casos anteriores, seguimos el mismo procedimiento para poder modelizar las dimensiones del sistema solar autónomo. 1. Estimación del consumo diario Como en el primer caso, se obtiene un consumo medio diario de 13,5 kWh, por lo que se vuelve a aplicar el margen de seguridad del 20% 𝐸𝑅 = 13,5 ∗ 1,2 = 16,2 (𝑘𝑊ℎ) Debido a los mismos datos que en el apartado a), obtenemos el mismo valor de consumo medio diario real, el cual es de 16,2 kWh.

2. Obtener datos de la irradiación en el lugar donde se realiza la instalación y la incl...