miércoles, 28 de enero de 2015

TUTORIAL INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA PARA VIVIENDA DATOS DE PARTIDA

 Emplazamiento

La vivienda donde se pretende realizar la instalación solar fotovoltaica para el autoconsumo eléctrico, se emplaza en un terreno rural aislado, situado en el término municipal de Arahal (provincia de Sevilla, España), según lo definen las siguientes coordenadas:

  •  Coordenadas Geográficas (DMS): 37º 14' 1'' Norte 5º 32' 33'' Oeste;
  •  Coordenadas UTM: Huso 30 (274461 , 4123814) Norte;
  •  Coordenadas Decimales: 37.2336 Latitud -5.5425 Longitud;

Como utilidad se adjunta el siguiente enlace donde se puede conocer las coordenadas geográficas de cualquier lugar en el mundo.



 Disposición de los módulos
La disposición de los módulos fotovoltaicos, definido por su orientación e inclinación, repercute de manera decisiva en su rendimiento. Lo ideal es emplear módulos con seguidor que permiten en todo momento orientar los paneles fotovoltaicos hacia el sol lo que garantiza el máximo uso de la radiación solar. Se estima en un 40% el incremento de la potencia entregada por aquellos módulos que emplean un sistema de seguimiento respecto a los paneles instalados fijos. No obstante, en este tutorial se hará uso de módulos solares fijos, mucho más económicos y simples de instalar, para lo cual habrá que definir su orientación e inclinación para que resulten lo más eficiente posible.

La vivienda dispone como techo una azotea o cubierta plana transitable, lo que permite dotar a los módulos de la orientación e inclinación que más convenga, con sólo emplear estructuras auxiliares con el diseño adecuado donde apoyar los paneles fotovoltaicos.

La orientación de los paneles solares será tal que éstos se dispongan siempre "mirando" hacia el ecuador terrestre. Esto supone orientación sur para aquellas instalaciones situadas en el hemisferio norte terrestre, y orientadas hacia el norte para las instalaciones situadas en el hemisferio sur. No obstante, son admisibles unas desviaciones de hasta ±20º respecto del ecuador del observador sin que se produzcan grandes pérdidas de rendimiento.

En concreto, para las instalaciones que se sitúen en el hemisferio norte, como es el caso de estudio de este tutorial, la orientación se define por el ángulo llamado azimut (α), que es el ángulo que forma la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano (orientación sur) del lugar. Toma el valor 0º para módulos orientados al sur, -90ºpara módulos orientados al este, +90º para módulos orientados al oeste.
        Definición de la orientación e inclinación del módulo fotovoltaico

Por otro lado, el ángulo de inclinación (β) es aquel que forma la superficie del módulo con el plano horizontal, tal como se ve en la figura anterior. Su valor es 0º para módulos horizontales y 90º si son verticales.

El valor de la inclinación de los paneles solares con respecto a la horizontal, cuando se pretende que la instalación se use todo el año con un rendimiento aceptable, coincide aproximadamente con la latitud del lugar donde se instale. Si la instalación se usa principalmente en invierno, entonces la inclinación óptima de los módulos sería la obtenida de sumarle a la latitud 10º. Y por el contrario, si la instalación va a usarse básicamente en verano, la inclinación que habría que proporcionarle a los módulos sería el resultado de restar a la latitud del lugar 20º. Por último, si se pretende un diseño óptimo que funcione para todo el año, la inclinación que habrá que proporcionarle al panel solar será igual a la latitud del lugar, como se ha dicho.

En esta ocasión, se pretende que la instalación proporcione energía suficiente en los meses de menor radiación, que en el lugar elegido (Arahal, España) es durante el invierno. Por lo tanto, según lo indicado anteriormente, la inclinación final podrá situarse entre la latitud del lugar (37º) y la latitud más 10º (47º). Finalmente, y por facilidad constructiva de la estructura que portará los módulos, se elegirá una inclinación de 45º.

En resumen, la disposición final de los módulos será la que se indica en la siguiente tabla:
En otros casos, la disposición de los paneles solares (orientación e inclinación) puede estar más restringida o incluso prefijada (por ejemplo, cuando los paneles se colocan adoptando la pendiente de las cubiertas de aquellas viviendas con tejados inclinados, adoptando la orientación e inclinación que tengan éstos).

En estos casos, habrá que calcular las pérdidas en que se incurren porque la orientación e inclinación del panel sea distinta de la óptima. Para ello se recomienda consultar el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), en cuyo documento, en su Anexo II, se incluye cómo calcular dichas pérdidas.


 Estimación del consumo

Si se dispone de información acerca del número y régimen de funcionamiento de los aparatos eléctricos que va a disponer habitualmente la vivienda, se podría obtener una estimación del consumo energético muy aproximado, mediante el producto de las potencias nominales de cada aparato por las horas de funcionamiento previstas de cada uno de ellos, y posteriormente realizando su suma. Es importante incrementar el resultado en al menos un 30% adicional como coeficiente de seguridad, con objeto de tener en cuenta también los picos de potencia que se producen en los arranques de algunos aparatos eléctricos.
Si no se dispone de información más precisa, se pueden emplear tablas que presentan ratios normales de consumos para viviendas, en función de los usuarios habituales, como la que se muestra a continuación.
Datos de consumo medio de electricidad por año en vivienda
A efectos de este tutorial, se diseñará la instalación para un consumo estimado anual de 3500 kW·h.

El anterior valor no tiene en cuenta las pérdidas localizadas en los componentes y equipos situados entre los generadores solares y la instalación eléctrica interior de la vivienda, esto es, el dispositivo regulador, las baterías y el inversor o convertidor de corriente.

A continuación se indicarán los rendimientos considerados para cada uno de los dispositivos anteriores. Estos valores aquí considerados deberán ser comprobados una vez se hayan seleccionados los modelos reales de dispositivos a instalar.
  • Rendimiento regulador, ηREG = 0,95;
  • Rendimiento baterías, ηBAT = 0,94;
  • Rendimiento inversor, ηINV = 0,96;
Teniendo en cuenta los anteriores rendimientos, el consumo anual estimado (Cea) valdrá:

Cea = 3500 / (0,95 · 0,94 · 0,96) = 4082,68 kW·h.
Considerando 365 días al año, el consumo estimado diario (Ced) sería de:
Ced = 11,185 kW·h.
Otra forma de proporcionar el consumo es expresarlo en Amperios-horas y por día (QAh). En este caso la expresión que proporciona el consumo sería la siguiente:                 
QAh = Ced 
           VBAT 
Siendo, VBAT, la tensión de trabajo de la batería de acumulación, en este caso, y según la tabla 1 del apartado 2.3, de valor 24 Voltios.
Sustituyendo, se tiene el siguiente consumo:
QAh = 11185 W·h  =466 Ah/día
24 V  


 Radiación solar disponible

El conocimiento de la radiación solar que se produce en el lugar donde se va a realizar la instalación es determinante, tanto para conocer la energía disponible, como para analizar el comportamiento de los componentes del sistema.

Habitualmente se utilizan los términos de irradiación e irradiancia para definir la radiación solar disponible. La irradiación (W·h/m2) se define como la energía incidente por unidad de superficie durante un determinado periodo de tiempo, mientras que la irradiancia (W/m2) se refiere a la potencia instantánea recibida por unidad de superficie, o dicho de otro modo, la energía incidente por unidad de superficie y unidad de tiempo.

Para el diseño de instalaciones fotovoltaicas, y con el fin de poder evaluar la energía que puede producir la instalación en cada mes de año, se define el concepto de número de horas de sol pico (HSP) del lugar en cuestión, y que representa las horas de sol disponibles a una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2.

En este sentido existe una multitud de bases de datos de donde se puede obtener información sobre la radiación solar disponible en cualquier lugar del planeta. 

Para el caso concreto de este tutorial, se va a emplear la base datos del PVGIS, Photovoltaic Geographical Information System, para obtener los valores de irradiación diaria para la localización del lugar elegido (Arahal-España: 37º 14' 1'' Norte, 5º 32' 33'' Oeste), inclinación de la superficie de los paneles (ß=45º) y orientación sur (Azimut, α=0º), para el mes de diciembre, que es el más desfavorable para el lugar en cuestión, obteniéndose el siguiente resultado:
Promedio diario de irradiación global recibido por metro cuadrado de módulo
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