SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÓNOMOS SFA

Índice 1. Introducción 3. Métodos de Dimensionado 2. Definiciones 1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA 1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado Red SFCR 1.3. Analogías y Diferencias 1.4. Clasificación de los SFA 3. Métodos de Dimensionado 3.1. Clasificación 3.2. Métodos Intuitivos 3.3. Métodos Analíticos 3.4. Métodos Numéricos 2. Definiciones 2.1. Capacidad del Generador CA 2.2. Capacidad del Sistema de Acumulación CS 2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga 2.4. Curvas LLP 4. Dimensionado SFA

1. Introducción

1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA Sistema de Generación Regulador Carga (LCC) Consumo Sistema Acumulación SFA 1. Sólo Consumo en Continua

1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA Sistema de Generación Regulador Carga (LCC) Carga (LCA) Inversor Sistema Acumulación SFA 2. Consumo en Continua y Alterna

1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado a Red SFCR Sistema de Generación Inversor Red Eléctrica Convencional SFCR

1.3. Analogías y Diferencias Sistema de Generación Inversor Regulador Sistema Acumulación Filosofía de Dimensionado SFA: Cubrir una demanda de consumo. Fiabilidad en el servicio. SFCR: Producción de Energía.

1.4. Clasificaciones de los SFA Según Aplicación: I. Electrificación Rural II. Productos de Consumo III. Aplicaciones Industriales Según Usos Sistema Acumulación: I. SFA sin Batería (PV-direct) II. SFA con Batería III. SFA Híbrido

2. Definiciones

Sistema de Acumulación (Baterías) Sistema de Regulación (Regulador) Sistema de Generación Regulador Sistema Acumulación Carga (LCC) Carga (LCA) Inversor Sistema de Generación. Sistema de Acumulación (Baterías) Sistema de Regulación (Regulador) Sistema de Acondicionamiento de Potencia (Inversor) Otros Elementos (Estructuras, cableado, cargas,..)

CA CS 2.1. Capacidad del Generador Normalizada al Consumo Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y la energía consumida por la carga. CA 2.2. Capacidad del Acumulador Normalizada al Consumo Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la energía consumida por la carga CS

Déficit de energía   LLP = Demanda de energía   2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga El mérito de un SFA se mide en términos de la fiabilidad con que suministra energía eléctrica a la carga ¿Cómo se cuantifica la fiabilidad? Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP) Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo de funcionamiento de una instalación Déficit de energía   LLP = Demanda de energía  

2.4. Curvas LLP * Es posible encontrar diferentes pares de valores CA-CS que conducen al mismo valor de LLP * A mayor tamaño del sistema fotovoltaico mayor es su coste, mayor su fiabilidad y menor su LLP LLP (CS,CA) = (8, 0.61) Generador “Pequeño” Acumulador “Grande” CA (CS,CA) = (2, 1.1) Generador “Grande” Acumulador “Pequeño” CS

3. Métodos de Dimensionado

3.1. Clasificaciones de los Métodos de Dimensionado Según Seguidor Punto de Máxima Potencia (MMP): I. Con Seguidor MMP II. Sin Seguidor MMP Según Relación CA-CS-LLP: I. Intuitivos II. Numéricos III. Analíticos

Según Relación CA, CS y LLP * Métodos Intuitivos No establecen relación entre CA, CS y LLP Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el mes crítico o la energía producida en media anual, exceda a la consumida por la carga en un determinado factor de seguridad * Métodos Numéricos Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación * Métodos Analíticos La forma de las líneas isofiables sugiere la posibilidad de describirlas analíticamente Presentan ecuaciones para describir las líneas isofiables

3.2. Métodos Intuitivos No establecen relación entre CA, CS y LLP Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el mes peor, exceda a la consumida por la carga en un factor de seguridad Por Ejemplo CA = FS1 CS = FS2 FS1 y FS2 factores arbitrarios En España FS1 / FS2 Aplicación Doméstica Telecomunicación Norte de España 1.2 / 5 1.3 / 8 Sur de España 1.1 / 4 1.2 / 6

3.3. Métodos Numéricos Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación Ventajas Son muy precisos Posibilitan refinamientos, incorporando modelos más completos para los diferentes elementos del sistema Permiten analizar aspectos adicionales al dimensionado Inconvenientes Necesitan de largas secuencias de radiación para la simulación Largo tiempo de cálculo

Método del Instituto de Energía Solar (IES) 3.4. Métodos Analíticos Relación entre CA, CS y LLP mediante ecuaciones Autores: Barra, Bartoli, Macomber, Gordon, Bucciarelli Método del Instituto de Energía Solar (IES) CA = f CS-u f = f1 + f2 log (LLP) u = exp(u1 + u2 LLP)

4. Pasos en el Dimensionado

Pasos en el Dimensionado 1. Estimación del Consumo 2. Dimensionado Sistema de Generación (Generador Fotovoltaico) 3. Dimensionado Sistema de Acumulación (Baterías) 4. Dimensionado Sistema de Regulación (Regulador) 5. Dimensionado Sistema de Acondicionamiento de Corriente (Inversor) 6. Dimensionado del Cableado

Estimación del Consumo Paso 1 Estimación del Consumo Definiciones Expresiones

Paso 1. Estimación del Consumo Definiciones Consumo Medio Diario Consumo eléctrico medio en un día cualquiera Símbolo Lmd Unidad Wh / día Consumo Medio Mensual Media mensual del anterior (Se considera igual al anterior) Consumo Total Anual Producto del Consumo Medio Diario por el número de días de consumo a lo largo de un año Símbolo LT Unidad Wh Consumo Medio Anual Media anual del anterior Si el consumo medio diario es constante a lo largo del año, coincidirá con éste Símbolo Lma Unidad Wh / día

Paso 1. Estimación del Consumo Expresiones Consumo Medio Diario [Lmd (Wh /dia)] Consumo DC LmdDC =  P(DC)i ·tdi Consumo AC LmdAC =  P(AC)i ·tdi Lmd,DC : Energía consumida en DC (Wh/dia) LmdAC : Energía consumida en AC (Wh/dia) P(D,C)i : Potencia Nominal Elemento DC i (W) P(AC)i : Potencia Nominal Elemento AC i (W) tdi :Tiempo diario de uso (h) Lmd : Consumo Medio Diario(Wh/día) BAT : Rendimiento de la batería INV : Rendimiento del inversor CON : Factor Rendimiento Conductores LT = Lmd * Nd Consumo Total Anual [LT (Wh)] Nd : Número días Lma = LT / Nd Consumo Medio Anual [Lma (Wh /dia)]

Dimensionado Generador Posición Óptima de Módulos Criterio 1. Criterio del Mes Crítico Criterio 2. Criterio Máxima Captación Energética Anual

Posición Óptima Módulos. Criterio Mes Crítico A. Orientación SUR ( = 0) B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada  (Gd (kWh/m2))

C. Consumo Medio Mensual (= Consumo Diario Medio Lmd) D. Relación Consumo / Radiación D1. Tomar el Máximo Cociente para cada ángulo (Mes Crítico) D2. Seleccionar de todos los máximos el Menor.

Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética A. Orientación SUR ( = 0) B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada  (Gd (kWh/m2)) MEDIA ANUAL Media Anual Gd Global (kWh/m2) 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º 3.066 3.112 3.091 3.019 2.898 2.733 2.529

Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética C. Consumo Medio Anual (Lma) D. Relación Consumo / Radiación Seleccionar de todos los máximos el Menor. Media Anual Lma / Gd 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º 979 964 971 994 1035 1098 1186

Dimensionado Generador Cálculo del Número de Paneles Método 1. Funcionamiento Punto de Máxima Potencia Método 2. Amperios Hora Método 3. Curvas Isofiables

Método 1 Funcionamiento Punto Máxima Potencia Definiciones Expresiones

Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia Definiciones Generador FV trabaja en el punto de máxima potencia Incluir un factor global de funcionamiento (PG o PR) NT :Número Total de módulos a instalar NS: Número de módulos en Serie NP: Número de módulos en Paralelo NT = NS x NP PMPP,TC: Potencia Pico del Módulo en STC (Wp/kW/m2) PG: Factor Global de Funcionamiento del Generador (0.65-0.9)

Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia Expresiones Lmdc : Consumo Medio Diario Mes Crítico (Wh /día) PMPP,STC : Potencia Pico del Módulo (Wp/kW/m2) Gd : Radiación global sup. inclinada (kWh /m2) PG : Factor Global de Funcionamiento NT = Lmdc / (PMPP·Gd·PG) NS = VBAT / VMPP,STC NS : Número de paneles serie VBAT : Tensión Nominal de la Batería (V) VMPP,STC : Tensión Nominal Módulo (max. potencia (V)) NP = NT / NS NP : Número de paneles paralelo

Método 2 Amperios-Hora Definiciones Expresiones

Método 2. Amperios Hora Definiciones Generador FV NO trabaja en el punto de máxima potencia Generador FV trabaja punto de tensión impuesto por BAT Corriente de trabajo aprox. corriente ISC IMOD,MPP,STC: Corriente nominal del módulo (A) QAh: Consumo Medio Anual (Ah /día) IGFV,MPP,STC: Corriente total del generador FV (A) NT :Número Total de módulos a instalar NS: Número de módulos en Serie Np: Número de módulos en Paralelo

Método 2. Amperios Hora Expresiones QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día) Lmd: Consumo Medio Diario (Wh /día) VBAT: Tensión Nominal de la Batería (V) QAh = Lmd / VBAT IGFV,MPP,STC : Corriente total del Generador FV (A) Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2) IGFV,MPP,STC = QAh / Gd Np = IGFV,MPP,STC / IMOD,MPP,STC NS = VBAT / VMOD,MPP NT = NP * NS

Método 3 Curvas Isofiables Definiciones Expresiones

Método 3. Curvas Isofiables Definiciones Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP) Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo de funcionamiento de una instalación Capacidad del Generador Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y la energía consumida por la carga. Capacidad del Acumulador Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la energía consumida por la carga

Método 3. Curvas Isofiables Expresiones CA : Capacidad del generador (normalizada al consumo) QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día) IGEN,MPP : Corriente total del Generador FV (A) Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2) CA = IGEN,MPP· Gd /QAh C’A : Capacidad del generador (normalizada al consumo en plano horizontal) QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día) Im,GEN : Corriente total del Generador FV (A) Gd(0): Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2) C´A = IGEN,MPP· Gd (0) /QAh Cs : Capacidad del acumulador (normalizada al consumo) Cn : Capacidad del acumulador PDmax : Profundidad de descarga máxima CS = Cn· PDmax / Lma

Método 3. Curvas Isofiables Expresiones LLP = Déficit de energía   Demanda de energía LLP: Probabilidad de Pérdida de Carga CA = (Gd /Gd(0)) ·(f·Cs-u) f = f1 + f2 log (LLP) u = u1 + u2 · LLP

Paso 3 Dimensionado Sistema Acumulación * Definiciones * Expresiones

Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación. Definiciones Profundidad de Descarga Máxima (PD,max) nivel máximo de descarga que se le permite a la batería Profundidad de Descarga Máxima Diaria (PD,max,d) nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo diario Profundidad de Descarga Máxima Estacional (PD,max,e) nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo estacional Días de Autonomía (N) número de días consecutivos que, en ausencia de sol, el sistema de acumulación es capaz de atender el consumo Capacidad de la Batería (Wh ó Ah) cantidad de energía que debe ser capaz de almacenar la batería Al igual que la Profundidad de Descarga Máxima existen dos capacidades: diaria y estacional

Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación. Expresiones Cnd (Wh) = Lma / (PDmax,d·FCT) Cne (Wh) = (Lma · N) / PDmax,e·FCT) Cnd (Ah) = Cnd (Wh) / VBat Cne (Ah) = Cne (Wh) / VBat Cnd : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria) Cne : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria) Lma : Consumo Medio Anual (Wh) (o utilicar Lmd) N: Número de días de autonomía PDmax,d : Profundidad de Descarga Máxima Diaria PDmax,e : Profundidad de Descarga Máxima Estacional VBAT : Tensión Nominal de la Batería (V) FCT : Factor de Corrección por Temperatura

Paso 4 Dimensionado Sistema Regulación * Definiciones * Expresiones

Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación. Definiciones Corriente Máxima Circulando por la Instalación Máxima corriente entre la que produce el generador y la que consume la carga Corriente Entrada Corriente procedente del Generador FV (Entra al Regulador) Corriente Salida Corriente consumida en la carga (Sale del Regulador)

Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación. Expresiones Ientrada = IGFV,SC = 1,25·IMOD,SC · Np IGFV;SC : Corriente de cortocircuito (SC) del Generador FV (A) IMOD,SC : Corriente de cortocircuito del módulo (A) Np : Número de ramas Paralelo del Generador IC : Corriente que consume la Carga (A) PDC : Potencia de las cargas en DC (W) PAC : Potencia de las cargas en AC (W) VBAT : Tensión nominal de la Batería Isalida = IC = 1,25·(PDC + PAC / INV) / VBAT IR = máx (IGFV,SC, IC)

Sistema de Acondicionamiento de Potencia Paso 5. Dimensionado Sistema de Acondicionamiento de Potencia Características de un convertidor DC - AC Potencia Nominal (kW) Tensión Nominal de Entrada (V) Tensión Nominal de Salida (V) Frecuencia de operación (Hz) Rendimiento (%) Pinv  1,2 · PAC Paso 6. Dimensionado del cableado Pérdidas óhmicas Verificar las normas electrotécnicas de baja tensión La pérdida de energía debe ser menor que una cantidad prefijada

Bibliografía E. Lorenzo. Electricidad Solar. UPM. 1994. Mariano Sidrach. Sistemas fotovoltaicos autónomos: métodos convencionales de dimensionamiento Publicaciones CIEMAT. 2001. M. Alonso. Sistemas Fotovoltaicos. SAPT Publicaciones Técnicas. 2001. L. Hontoria, J. Aguilera, F.J. Muñoz Dimensionado de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos Publicaciones CIEMAT. 2008.