DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PANELES SOLARES
Toda la información aquí expuesta se ha tomado de la aplicación móvil:
" CURSO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA "
La Energía Solar
- Se origina mediante reacciones nucleares dentro del sol.
- Se propaga en el espacio como ondas electromagnética (radiación solar).
- La velocidad de estas ondas en el vacío (velocidad de la luz en el vacío) es una constante universal (C) de valor 299.792.458 m/s.
- La luz solar tarda aproximadamente 8 minutos y 19 segundos en recorrer los 149,6 millones de kilómetros que es la distancia aproximada que separa el sol de la tierra.
- El sol emite energía al espacio a un ritmo de 3,85x1014 TW.
- La potencia media interceptada por la tierra es de aproximadamente 180.000 TW (1,6 TWh anuales), que equivalen a unas 12.000 veces los 15 TW que corresponden al ritmo de consumo energético actual.
- Menos de una hora de sol interceptada por la tierra es suficiente energía para satisfacer la demanda energética total durante todo un año.
- Se estima que un 40% de la misma es aprovechable, lo que equivale a cientos de veces el consumo mundial.
- De los 178.000 TW interceptados por la tierra:
- 23% se refleja y se dispersa, principalmente por las nubes.
- 8% se refleja por la superficie de la tierra.
- 47% es convertido en calor de baja temperatura y re irradiada al espacio.
- 20% brinda energía al ciclo de evaporación y precipitación de la biósfera.
- Menos del 0,5% se transforma en energía cinética del viento, las olas y en almacenamiento fotosintético en las plantas verdes.
- La radiación absorbida aporta energía a la biósfera hasta transformarse en radiación infrarroja (calor), que termina por ser re emitida al espacio.
- Esto permite mantener un equilibrio energético y una temperatura media de 15 °C en la biósfera, que es compatible con las formas de vida que conocemos.
- Esta radiación puede convertirse de manera directa en electricidad mediante paneles fotovoltaicos, o de manera indirecta mediante concentradores solares.
- También puede ser utilizada para calentar agua u otros usos domésticos mediante colectores solares y otras tecnologías.
La luz
- Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas.
- La radiación emitida por el sol produce un espectro electromagnético llamado espectro solar.
- La intensidad de la radiación no es igual para todas las frecuencias. La forma del espectro solar, está determinada por la temperatura del sol ~5800 K.
- Las ondas de baja frecuencia del espectro solar (infrarrojo) proporcionan calor, las de alta frecuencia (ultravioleta) hacen posible el proceso de fotosíntesis o el bronceado de la piel.
- La luz está formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de distintas frecuencias agrupadas dentro de un cierto rango del espectro solar, llamado espectro luminoso o visible.
- La luz blanca que percibimos del sol es la mezcla de todos los colores del espectro visible y ocurre cuando el sol alcanza la posición del zenit (posición más alta sobre el horizonte y luz blanca) en un cielo sin nubes.
Variación espectral
- El espectro luminoso generado por el sol sufre alteraciones cuando la luz atraviesa la atmósfera (absorción, reflexión y dispersión).
- Esto se debe principalmente a:
- Gases, partículas en suspensión y vapor de agua presentes en la atmósfera que filtran frecuencias como las UV e IF.
- Las nubes filtran la radiación solar atenuando o absorbiendo algunas frecuencias, lo que disminuye su energía. A su vez, reflejan al espacio gran parte de la radiación.
- Estos mecanismo se intensifican cuando los rayos solares deben atravesar mayores distancias dentro de la atmósfera como ocurre en las estaciones del año y durante distintos momentos del día.
- Dependiendo de las condiciones climáticas, un día claro, la superficie de la tierra puede recibir alrededor de un 85% de la radiación extraterrestre del sol y hasta un 5% en un día muy nublado.
Movimientos de la Tierra
Movimiento de traslación:
- Movimiento elíptico alrededor del sol que da origen a las estaciones del año.
- Las estaciones se debe a que la tierra, en su movimiento de traslación describe una trayectoria elíptica un plano que está inclinado ~ 23,3º con relación al plano ecuatorial.
- Si el eje de rotación de la tierra no estuviese inclinado respecto de los rayos solares, no existirían las estaciones y desde la tierra, el sol haría el mismo recorrido siempre.
- El verano del hemisferio sur ocurre durante el perihelio (punto más cercano al sol) y su invierno durante el afelio (punto más alejado del sol). La diferencia entre estos dos puntos extremos es de tan sólo 3,4% (5,1 millones de km), por lo que la trayectoria elíptica de la tierra alrededor del sol es bastante “circular”. Como consecuencia, la diferencia en la intensidad de radiación entre ambas estaciones es de tan solo un 6,7%.
Movimiento de rotación:
- La tierra gira sobre sí misma a lo largo de un eje imaginario denominado “eje terrestre o de rotación” que pasa por sus polos.
- Una vuelta completa, dura aproximadamente 24 horas.
Movimiento aparente
- La primera referencia tomada por el hombre fue el sol, cuyo movimiento aparente, de este a oeste, determina el día y la noche, dando la impresión que el cielo gira alrededor del planeta.
- Este movimiento “aparente” del sol respecto de la tierra puede observarse a lo largo del día y del año.
- En verano, el sol se encuentra en la posición más alta, por lo que los rayos solares deben atravesar una menor distancia dentro de la atmósfera, haciendo que la variación espectral sea menor a la producía en invierno, dónde el sol debe atravesar una mayor distancia.
- Lo mismo ocurre durante el día, cuando el sol recorre una mayor distancia al estar más cercano al horizonte (amanecer y atardecer) y una menor distancia al medio día.
Masa de aire
- La variación espectral depende de la espesura de la capa atmosférica y es especificada por un parámetro denominado “Masa de Aire” (MA o AM).
- Este parámetro determina indirectamente la distancia entre la altura del sol respecto al horizonte y un observador fijo sobre la Tierra.
- Características importantes:
- La masa de aire estará dada por la expresión: Masa de Aire = 1 / cos(α).
- El ángulo α está formado entre la posición de zenit y la posición del sol en el momento de la observación.
- En el zenit, la distancia entre el observador y el sol es mínima, ya que los rayos solares caen formando un ángulo de 90° respecto al horizonte, por lo que la radiación de sol atraviesa una distancia mínima a través de la atmósfera.
- A la posición del zenit se le asigna, como referencia, una masa de aire unitaria: M1 = 1 / cos(0°) = 1
- Algunos autores asignan el valor M0 al espectro luminoso fuera de la atmósfera.
- Las estaciones del año definen la posición del sol respecto de una ubicación geográfica dada, y esto determina la distancia del sol al observador, por lo que en invierno la radiación atravesará una mayor masa de aire que en verano.
- Esto mismo ocurre a diferentes horas del día.
- La fuente luminosa usada para medir la potencia máxima de salida de un panel FV tiene un espectro luminoso correspondiente a una Masa de Aire = 1,5.
- El valor de MA1,5 corresponde a un ángulo de 48,2°.
- En el ecuador, la masa de aire es de MA=1 mientras que en Europa es de aproximadamente 1,5.
- Este valor (MA1,5) ha sido adoptado como estándar para evaluar la potencia pico de salida de un panel FV.
Radiación global
- Luego de los procesos de absorción, reflexión y dispersión al atravesar la atmósfera, la radiación que llega a la superficie terrestre se conoce como radiación global y está compuesta por la suma de:
- Radiación directa: Es la recibida en la superficie terrestre sin haber sufrido ningún cambio de dirección por absorción, reflexión o dispersión. Es la mayor y las más importante en las aplicaciones fotovoltaicas.
- Radiación difusa: Es la que se recibe después de haber cambiado su dirección por los procesos de dispersión y reflexión que ocurren en la atmósfera. En un día nublado, sólo se percibe esta radiación.
- Albedo: Es el porcentaje de radiación directa y difusa que se refleja por una superficie. Esta radiación es recibida por superficies próximas o reflejada al espacio.
- En un día claro, entre el 15% - 20% de la radiación global recibida sobre la superficie de la tierra es difusa.
Irradiancia
- La Irradiancia es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética.
- Cuando la radiación proviene del sol, esta definición representa el valor de la potencia lumínica por unidad de superficie [W/m2].
- La radiación solar es casi constante en el exterior de la atmósfera. Este valor se conoce como constante solar y tiene un valor medio aproximado de 1.353 W/m2.
- El 50% de esta energía se ubica en la banda visible, un 3% en ultravioleta y 47% en infrarrojo.
- La descomposición de esta radiación origina el espectro solar.
- Debido a la absorción, reflexión y dispersión que sufren los rayos solares al atravesar la atmósfera, la radiación solar extraterrestre puede reducirse un 25% en buenas condiciones atmosféricas.
- La irradiancia global máxima al medio día sobre el ecuador es de aproximadamente 1000 W/m2 para una superficie perpendicular a los rayos del sol en el nivel del mar en un día claro.
- Es posible calcular teóricamente la irradiancia en un punto del planeta mediante fórmulas astronómicas y suponiendo un cielo despejado. Sin embargo, para corregir el valor obtenido se deben emplear las medidas reales de radiación captadas en ese lugar, ya que los fenómenos meteorológicos (nubes, nieblas) modifican en gran medida ese valor.
- La irradiancia posee un valor distinto para cada época del año y para cada momento del día.
- Esto no solo depende de la atenuación debido al espesor de la capa atmosférica sino también al ángulo de la superficie colectora de medición.
- Puesto que el sol se encuentra a diferente altura sobre el horizonte según la época del año (traslación), su radiación calienta la superficie con más o menos efectividad debido a que la potencia de la radiación incidente debe distribuirse sobre una mayor superficie.
- La irradiancia posee un valor distinto para cada instante del día (rotación). El sol del mediodía será más intenso que a la mañana o a la tarde debido a la incidencia de sus rayos.
- A la noche, la irradiancia es de 0 W/m2, debido a que el sol no incide sobre esa parte de la tierra.
Insolación
- La insolación o irradiación es la cantidad de radiación global recibida en un punto geográfico dado, durante un tiempo determinado y sobre una superficie colectora conocida.
- Es la energía radiante sobre una superficie de área conocida en un intervalo de tiempo dado como ser hora, día, año, etc.
- Geométricamente corresponde al área bajo la curva de irradiancia.
- El período de tiempo que se utiliza para los datos suelen ser días, meses y años.
- Se necesita tener en cuenta las variaciones cíclicas estacionales, conduciendo mediciones de la radiación solar diaria durante 10 o más años.
- Las unidades más convenientes para medir la insolación de un lugar para sistemas fotovoltaicos es [kw/m2].
Variación de la insolación
- Si la superficie colectora mantiene un ángulo de inclinación fijo, el valor de la insolación en una dada locación estará afectada por las condiciones atmosféricas y la posición del sol respecto del horizonte.
- Si la superficie colectora posee un seguidor solar, la medición sólo se verá afectada por las condiciones meteorológicas.
- La presencia de nubes incrementa la absorción, reflexión y dispersión de la radiación solar. Las zonas desérticas tienen los mayores valores de insolación en el planeta debido a que carecen de nubes.
Colector horizontal e inclinado
- La insolación depende del ángulo del arreglo con respecto a la posición del sol.
- Los datos se presentan en base al ángulo de inclinación del colector:
- Insolación horizontal: Muchas veces se utiliza una superficie horizontal para las mediciones. A partir de estos datos se puede estimar la insolación a un azimut y elevación determinado. Las mediciones realizadas por satélite utilizan este tipo “inclinación”.
- Insolación sobre un plano inclinado: Se realiza mediante una orientación manual o automática del colector hacia el sol. Las mediciones automáticas son realizadas mediante equipos de medición como heliógrafos acoplados a seguidores solares controlados por GPS.
Hora Solar Pico (HSP)
- La insolación (energía recibida por unidad de superficie) es representada por el área bajo la curva de irradiación.
- La potencia de los paneles fotovoltaicos se especifica como estándar en Watt pico [Wp], lo cual representa la potencia eléctrica que entrega el panel cuando:
- La irradiancia sobre él es de 1000 W/m2.
- El espectro de la fuente lumínica equivale a la de una Masa de Aire = 1,5.
- La temperatura de trabajo es de 25 ºC (aproximadamente 0°C de temperatura ambiente).
- Con el objetivo de facilitar los cálculos a la hora de dimensionar los paneles fotovoltaicos, se define la Hora Solar Pico (HSP) como el número de horas de un día con una irradiancia ficticia de 1000 W/m2 que tendría la misma insolación total que la real de ese día.
- De esta manera, conociendo la insolación de un determinado lugar, puede calcularse de manera sencilla la energía generada por un determinado panel fotovoltaico.
Ejemplo:
- Supongamos que de una tabla o mapa de insolación se obtiene un valor de 8 kWh/m2 de insolación diaria para un lugar específico.
- Si suponemos que la irradiancia del sol durante el día fue de 1 kW/m2 durante 8 horas (rectángulo amarillo), obtendríamos el mismo valor de insolación que calculando el área bajo la curva, ya que el área del rectángulo es de 1000W/m2 x 8 horas = 8 kWh/m2.
- Desde el punto de vista energético podemos asumir 8 Horas Solares Pico, con una irradiación constante de 1 kW/m2.
- El valor numérico de la insolación 8 [kWh/m2], es igual al número de Hora Solar Pico
- Esto último es sólo válido con las unidades aquí utilizadas y gracias al valor unitario de 1 kW/m2
Ejemplo:
- Debido a que la potencia pico de los paneles se certifican con una irradiancia de 1 kW/m2,la unidad HSP facilita los cálculos.
- Si se tiene un panel de 65Wp y una irradiancia de 8 kWh/m2, la energía que generará el panel en un día será de 65 Wp x 8 HSP = 520 Wh.
- De no haber utilizado las HSP, el cálculo hubiese sido más complejo, ya que se hubiese tenido que conocer la eficiencia y el área de los paneles.
- La potencia pico especificada en los paneles no es la máxima potencia que es capaz de generar el panel fotovoltaico.
- Si las condiciones estándar son superadas, con una irradiancia mayor, por ejemplo, el panel podrá generar más potencia que la potencia pico.
Presentación de datos
- Primer "Atlas de Energía Solar de la República Argentina", elaborado por Hugo Grossi Gallegos y Raúl Righini posee un conjunto de cartas con la distribución mensual de los promedios diarios de la irradiación solar global.
- Existe actualmente una red universitaria de medición de radiación solar UTN/Universidad de Luján, que permite obtener datos actualizados y con mayor continuidad.
- El Software de Análisis de Proyectos de Energía Limpia RETScreen posee una amplia base de datos de Meteorología de Superficie y Energía Solar de la NASA. El Gobierno de Canadá ofrece la herramienta de manera totalmente gratuita, como parte de la estrategia del país para trabajar en un marco integral en la lucha contra el cambio climático y la reducción de la contaminación.
- Surface Meteorology and Solar Energy Data Set SSE – NASA [https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi]
- Sistema de libre acceso a la información en línea de la NASA, donde se proporcionan datos para el estudio del clima y la radiación solar.
- Información basada en mediciones realizadas durante más de 22 años sobre diferentes regiones del planeta a partir de una red de más de 200 satélites geoestacionarios.
- Resolución de un grado longitudinal por un grado latitudinal.
- Entre los parámetros de mayor utilidad ofrecidos por la base se tienen:
- Insolación global promedio, mínima y máxima sobre superficie horizontal e inclinada.
- Radiación directa y difusa promedio, mínima y máxima sobre superficie horizontal e inclinada.
- Parámetros de geometría solar como día solar, horas de brillo solar, declinación y ángulos horarios de puesta del sol.
- SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) [http://swera.unep.net]
- Proyecto del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente creado para proveer información y herramientas de alta calidad para el aprovechamiento de recursos energéticos renovables alrededor del mundo, y facilitar decisiones políticas y de inversión para el aprovechamiento de estos recursos.
- Para el área de estudio se tiene mapas de radiación solar a una resolución de 40 km.
- La Información obtenible más importante es:
- Radiación solar global en superficie horizontal.
- Radiación solar global en plano inclinado con resolución de 40 km.
- Radiación solar directa y difusa.
Atlas de Energía Solar de la República Argentina
Coordenadas geográficas
- Paralelos
- Los paralelos son círculos imaginarios paralelos al Ecuador.
- Éstos no son todos del mismo tamaño, siendo el Ecuador el mayor de todos, que divide a la superficie terrestre en dos partes: hemisferio Norte y hemisferio Sur.
- Sirven para medir la distancia angular de cualquier punto de la superficie de la Tierra en dirección Norte o Sur respecto a la línea imaginaria del Ecuador (0°).
- Los paralelos han sido trazados a intervalos de 10º, tomando como origen el ecuador. Hay 90 paralelos alcanzando los 90º tanto en el Polo Norte como en el Polo Sur, por lo tanto hay 180º.
- Cada grado de separación entre paralelos representa aproximadamente 111 Km.
Meridianos
- Los meridianos son semicírculos imaginarios que unen los Polos, siendo todos del mismo tamaño.
- Sirven para medir la distancia angular de cualquier punto de la superficie de la Tierra en dirección Este u Oeste respecto al meridiano 0º (Greenwich).
- A partir del meridiano de Greenwich se establecieron los husos horarios.
- Como hay 180 meridianos en cada hemisferio, la mayor longitud que se puede medir en cada uno es de 180º, tanto en dirección Este como en dirección Oeste.
Latitud
- La latitud es la distancia angular que existe entre un punto cualquiera y el Ecuador, medida sobre el meridiano que pasa por dicho punto.
- Se expresa en grados sexagesimales [º].
- Todos los puntos ubicados sobre el mismo paralelo tienen la misma latitud.
- Aquellos que se encuentran al norte del Ecuador reciben la denominación Norte (N) o se consideran positivos (+).
- Aquellos que se encuentran al sur del Ecuador reciben la denominación Sur (S) o consideran negativos (-).
- Se mide de 0º a 90º ó -90º a 90º.
- Al Ecuador le corresponde la latitud de 0º.
- Los polos Norte y Sur tienen latitud 90º N (+90º) y 90º S (-90º) respectivamente.
Longitud
- La longitud es la distancia angular que existe entre un punto cualquiera y el Meridiano de Greenwich, medida sobre el paralelo que pasa por dicho punto.
- Se expresa en grados sexagesimales [º].
- Todos los puntos ubicados sobre el mismo meridiano tienen la misma longitud.
- Aquellos que se encuentran al oriente del meridiano de Greenwich reciben la denominación Este (E) o se consideran positivos (+).
- Aquellos que se encuentran al occidente del meridiano de Greenwich reciben la denominación Oeste (O) o consideran negativos (-).
- Se mide de 0º a 180º ó -180º a 180º.
- Al meridiano de Greenwich le corresponde la longitud 0º.
- Los polos Norte y Sur no tienen longitud.
Ángulo de azimut y elevación
- Un arreglo fotovoltaico recibe la máxima radiación cuando se mantiene apuntando directamente al sol. Esto requiere el ajuste de dos ángulos del arreglo:
- Azimut (orientación): Para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste.
- Elevación (inclinación): Para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar en la dirección norte - sur.
- Orientación e inclinación fija:
- El ángulo de azimut se orienta hacia el Norte en el hemisferio Sur y hacia el Sur en el hemisferio Norte.
- El ángulo de elevación (inclinación) se ajusta en base a la latitud del lugar.
- Orientación e inclinación automática:
- Orienta e inclina los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares.
- Con un movimiento azimutal se recoge de 10% a un 25% más que las estructuras fijas.
- Con movimiento azimutal y de elevación, entre un 30% y el 45% frente a las instalaciones fijas.
Determinación de la inclinación
- El ángulo de inclinación o elevación α es el formado entre la superficie colectora y la horizontal del lugar.
- El ángulo β es el formado por la incidencia de los rayos solares y la perpendicular a la superficie colectora.
- Cuando β = 0, la superficie colectora es perpendicular a los rayos incidentes, por lo que la energía recolectada por el panel es máxima.
- Debido al movimiento de traslación de la tierra, la altura del sol en el zenit varía con las estaciones, por lo que es imposible mantener un ángulo constante de elevación α óptimo (β = 0) para todo un año.
- El ángulo de inclinación α suele fijarse para que maximice el ajuste entre la captación y la demanda de energía. Este criterio se traduce en:
- Para instalaciones con consumos constantes o similares a lo largo del año, es preferible optimizar la instalación para captar máxima radiación durante los meses invernales.
- Para instalaciones con consumos inferiores en invierno puede utilizarse como inclinación el valor de la latitud del lugar. Se optimiza así para los meses de primavera y otoño.
- Para instalaciones que sólo se usan en verano (por ejemplo riego) conviene optimizar la instalación para captar máxima radiación durante los meses estivales.
- Si la producción energética del sistema es adecuada en invierno, salvo raras excepciones, ésta será satisfactoria durante el resto del año, por lo que podrá usarse como regla práctica, las inclinaciones del ángulo α mostradas en la tabla.
- Es importante destacar que la inclinación mínima que debería tener un panel solar para que el mismo pueda auto limpiarse es de 15°.
El sistema fotovoltaico
Un sistema fotovoltaico consiste en la integración de varios bloques funcionales, con el fin de suplir la demanda de energía eléctrica impuesta por el tipo de carga (consumo)
La carga eléctrica determina qué bloques funcionales deben integrar el sistema.
Cada bloque funcional cumple una o varias funciones específicas.
Diariamente, el sistema deberá mantener un balance energético entre la cantidad generada y la consumida.
Carga de un circuito
Son todos los dispositivos conectados a la salida del mismo que consumen la energía eléctrica generada, transformándola en luz, calor, movimiento mecánico, etc.
La carga es caracterizada por dos variables: el tipo de carga y el régimen de carga.
Tipo de carga
Se define por el tipo de corriente eléctrica que consume la carga. Esta puede ser :
Corriente continua (CC).
Corriente alterna (CA).
Mixta (CC y CA).
Régimen de carga
Es la manera en la cual la carga consume energía del sistema y estará definida cuando se conozcan los valores de:
Cantidad energía: La cantidad de energía que consumirá la carga en un día estará determinada por la cantidad y tipo de aparatos a conectarse y por las horas de uso de los mismos. Este valor estará dado en [Wh/día] o [kWh/día].
Período: Cuándo se usará la energía a generase determina el período. Este puede ser: diurno, nocturno y continuo.
Potencia máxima: Ocurrirá cuando varias cargas eléctricas deberán ser alimentadas al mismo tiempo, durante un período de tiempo.
Transitorio de línea:
Cuando se debe alimentar motores eléctricos (heladeras, herramientas eléctricas, motores de bombeo, etc.), el régimen de carga no es constante.
Esto se debe a que el arranque de motores eléctricos demanda mayor corriente que cuando éstos giran a velocidad fija.
Este pico de corriente se conoce como transitorio de arranque y debe ser contemplado al seleccionar las llaves de protección, fusibles y el cable que alimenta este tipo de carga.
Diseño del sistema
El análisis detallado de la carga representa el primer paso en la secuencia de diseño, ya que deben conocerse las variables que afectan el valor y el régimen de uso de la energía.
Sistema fotovoltaico de uso doméstico
Es la aplicación más común para un sistema solar fotovoltaico.
En general, son sistemas de régimen continuo.
El sistema está compuesto por bloques funcionales que cumplen distintas funciones:
Bloque de Generación
Bloque de Acumulación
Bloque de Carga
Bloque de Cableado
Bloque de generación
Está formado por uno o varios paneles fotovoltaicos interconectados entre si.
El número y el tipo de conexión de los paneles dependen de varios factores como:
El valor promedio de la insolación del lugar.
La carga (régimen y tipo).
La máxima potencia nominal de salida del panel seleccionado.
La mayor parte de la energía eléctrica generada se acumula en las baterías, mientras que el resto se pierde debido a las pérdidas asociadas con el proceso de carga.
Bloque de acumulación
Contiene tres componentes:
El banco de baterías.
El regulador de carga
Fusibles o llaves de protección.
El medidor de carga de batería, puede formar parte del regulador de carga o convertirse en un componente adicional.
Hoy en día, casi todos los reguladores de carga ofrecen un medidor de carga de batería incorporado.
Si éste no ofrece ninguna capacidad de monitoreo, se deberá incorporar un componente adicional que realice esta función, ya que es imprescindible saber el estado de carga del banco de acumulación si se quiere extender la vida útil del mismo.
Regulador de carga
Evita la descarga de las baterías a través de los paneles durante la noche, cuando el voltaje de salida del panel FV es nulo.
Evita la sobrecarga de las baterías, lo que acorta la vida útil de las mismas.
Evita la sobre descarga de la batería, desconectando los consumos cuando el estado de carga de la batería es bajo.
Provee el régimen de carga más apropiado para un dado tipo de acumulador.
Mantiene abierto el circuito de carga si el voltaje de salida de los paneles es menor que el del banco de acumulación.
Provee funciones auxiliares, como la del monitoreo del nivel de carga del banco de batería y otras que son opcionales.
Banco de baterías
El banco de baterías usa un tipo especial de batería llamada de ciclo profundo. Estas baterías suelen ofrecerse ofrecen en versiones de 2 V, 6 V y 12 V.
Una batería de ciclo profundo es una batería diseñada para soportar niveles de descarga profundos durante muchos ciclos de carga y descarga.
Estas baterías pueden conectarse en serie o en paralelo dependiendo del diseño del sistema con el fin de aumentar la tensión, la corriente o ambos.
Para algunas aplicaciones pueden utilizarse otro tipo de baterías llamadas estacionarias.
Estas tienen menos ciclos de vida con descargas profundas pero no necesitan mantenimiento.
Fusibles e interruptores termo magnéticos
Protegen las baterías y son incorporados al sistema como un elemento de seguridad.
Un cortocircuito accidental entre los bornes hará que la corriente que circula por la batería alcance valores de miles de amperes por varios segundos.
Esto acelera la reacción química y la disipación de calor dentro de la unidad.
Los gases generados no podrán escapar en su totalidad, llegando a producir una violenta explosión.
Como utilizan electrolitos altamente corrosivos, las consecuencias pueden ser trágicas.
Cortocircuitos que no terminan en explosiones acortan la vida útil de las baterías y pueden dañar la aislación de los cables por excesiva temperatura.
El inversor
La función del inversor en las instalaciones autónomas domésticas es la de convertir la corriente continua de las baterías en corriente alterna como la de la red eléctrica (voltaje y frecuencia), con el fin de que se puedan conectar a la misma electrodomésticos de los utilizados habitualmente en las viviendas.
La introducción de cargas de corriente alterna (CA) en un sistema fotovoltaico para uso doméstico se debe, en general, a la inexistencia de un modelo adecuado para corriente continua (CC) del aparato requerido por el usuario, como así también, para reducir la sección de los cables.
Voltaje y frecuencia
Por razones históricas, el voltaje y la frecuencia de los sistemas de corriente alterna (CA) varían según el país.
Los valores de voltaje (VRMS) suelen varía según el país entre 110V, 220V, 230V y 240V.
La frecuencia (Hz) puede ser de 50Hz o 60Hz según el país.
En la argentina, se utilizan sistemas de CA de 220 VRMS y 50 Hz.
Bloque de carga
Comprende los circuitos de entrada y alimentación dentro de la casa.
La caja de fusibles o distribución permite la separación y protección de las áreas de consumo permitiendo:
El uso de cables de menor diámetro (y costo), los que son más fáciles de instalar.
Facilita la desconexión de una sección en caso de necesitarse reparar o ampliar esa parte del circuito.
Se evita quedarse sin electricidad en toda la casa cuando se produce un desperfecto eléctrico en una zona de la misma.
La conexión a tierra a la entrada de la carga es una norma de seguridad para los usuarios del sistema, así como una buena práctica de instalación para cualquier tipo de sistema.
Bloque de cableado
Es uno de los bloques básicos del sistema.
Su dimensionamiento tiene un rol muy importante en la reducción de pérdidas de energía en el sistema debido a disipación de calor.
Recordar que para un mismo nivel de consumo, la corriente es mayor si el sistema es de bajo voltaje.
Un mayor amperaje significa un incremento de las pérdidas de voltaje y disipación como así también cables de mayor sección y costo, los que son más difíciles de conectar.
La selección del conductor a usarse debe ser hecha teniendo en cuenta varios factores:
La corriente máxima (ampacidad) que el cable debe manejar.
El tipo de aislación.
La caída de tensión.
Material con el que está hecho el conductor.
Cubierta exterior de protección.
Pérdidas
Cuando un tipo de energía (luz solar) se transforma en otro de energía (energía eléctrica), la transformación no puede llevarse a cabo sin que ocurran pérdidas.
Estas pérdidas se cuantifican mediante el parámetro de eficiencia.
Las pérdidas a considerar son:
Pérdidas en la carga y descarga de las baterías.
Pérdidas en los cables y conexiones.
Pérdidas en los distintos dispositivos electrónicos.
Las pérdidas deben estimarse en el diseño del sistema y agregarlas al bloque generador a fin de no perder el balance entre generación y consumo.
Un valor típico de las pérdidas totales del sistema es del 40%, es decir, una eficiencia del 60%.
Costos
El costo de los paneles y las baterías son los que más influyen en el costo de adquisición (costo inicial).
La vida útil de los paneles excede los 25 años.
Algunos fabricantes ofrecen garantías de 30 años.
Para las baterías, se puede asumir de 5 a 8 años de vida útil siempre y cuando éstas no sufran excesivo abuso y el sistema haya sido diseñado correctamente.
El costo a largo plazo estará fuertemente influenciado por el costo de reemplazo del banco de baterías (4 veces en 20 años).
La vida útil de los cables igual a la de los paneles si:
Se evita o disminuye la acción de la radiación UV en los cables a la intemperie.
No son expuestos a la acción destructiva de roedores y algunas especies de hormigas.
Si se ha seleccionado correctamente el tipo de cable.
El resto de los componentes tienen una vida útil de entre 5 y 10 años.
Muchos de estos componentes utilizan semi- conductores los que soportan una temperatura máxima de trabajo que no debe excederse.
Siempre deben elegirse lugares con una temperatura ambiente cercana a la requerida por el fabricante, y que permita la libre circulación del aire a su alrededor.
Economía
El costo inicial asociado con un sistema FV que reemplace el servicio de energía eléctrica de red es muy alto para que resulte económico.
Económicamente son rentables si:
No se cuenta con conexión a la red y el costo de realizar la extensión del tendido eléctrico es mayor a la inversión inicial en un sistema FV.
No se cuenta con conexión a la red y se utilizan generadores eléctricos (grupos electrógenos) para abastecer el consumo. Esto implica gastos en combustible y en el transporte del mismo.
- Historia
- El primer dispositivo fotovoltaico fue demostrado por el físico francés Edmond Becquerel, en el año de 1839. En sus experimentos encontró que cuando ciertos materiales eran expuestos a la luz, producían una diferencia de potencial y al conectarlos con una carga externa se generaba una corriente eléctrica.
- A este fenómeno se le denominó el efecto fotovoltaico, sin embargo, el entendimiento, dominio y uso de dicho fenómeno, tuvo que esperar hasta que se dieran otros avances científicos y tecnológicos relacionados con la física cuántica y los semiconductores, durante el siglo XX.
- La primera célula fotovoltaica moderna se fabricó en 1941, con una eficiencia de conversión del 1%.
- La empresa americana Western Electric fue la primera en comercializar células FV en 1955.
- Las primeras aplicaciones prácticas de estos dispositivos se dieron en satélites artificiales,
- siendo una solución para la provisión de
-
- energía eléctrica.
- La célula o celda fotovoltaica
- Es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotovoltaico.
- Son fabricadas con materiales semiconductores como el Silicio (Si) o el Germanio(Ge) que al ser expuestos a la luz solar generan un voltaje entre sus contactos que dependen del material utilizado en su fabricación.
- Dependiendo del material y su forma de construcción, su eficiencia varía entre 6%y 30%.
- La vida útil de estos dispositivos ronda los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye.
- Dada que la tensión y la corriente de estas celdas suele ser pequeña, éstas se conectan entre sí en serie para elevar la tensión de trabajo (usualmente 12 V ó 24 V) y en paralelo para aumentar la corriente de salida.
- Este agrupamiento de células fotovoltaicas se conoce como panel solar
- Semiconductores
- Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante.
- Usualmente se utilizan elementos como el germanio (Ge), arseniuro de galio ( ) y el silicio(Si) para la fabricación de semiconductores.
- El semiconductor más utilizado es el silicio (Si), que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno, sin embargo, la refinación del silicio es costosa y altamente demandante de energía, de hecho, durante el proceso de cortado se desperdicia mucho material, que para ser reutilizado requiere reprocesamiento de alto costo.
- Hoy en día las celdas fotovoltaicas de silicio son las que dominan el mercado, contabilizando alrededor del 90% de los módulos que se fabrican en el mundo.
- Juntura PN
- El material semiconductor en si no tiene mayores aplicaciones.
- Pero si a un semiconductor se le incorporar ciertos átomos de otras substancias, la conductividad de estos materiales varía drásticamente.
- A este proceso se lo conoce como dopaje.
- Si sobre un mismo trozo de semiconductor se dopa una zona con material donante y otro con material aceptador, creando dos zonas semiconductoras tipo N y tipo P, se establece así una zona de contacto o unión entre ambos, llamada juntura PN.
- Esta juntura genera un campo eléctrico dentro del semiconductor logrando un equilibrio en dónde no hay movimientos de carga dentro del material.
- Esta unión entre dos semiconductores dopados forma las bases de la electrónica de estado sólido.
- La célula fotovoltaica está formada básicamente por un semiconductor con una juntura PN.
- Efecto fotovoltaico
- El efecto fotovoltaico es la base del proceso mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad.
- La interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia se lleva a cabo mediante partículas elementales llamadas fotones.
- Los fotones de la radiación solar poseen diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda (frecuencias) del espectro solar.
- Cuando la luz solar (fotones) incide sobre un semiconductor pueden pasar tres cosas:
- El fotón atraviesa el silicio y sigue su camino (IF). (Si la energía del fotón no es suficiente).
- El fotón es reflejado por la superficie de silicio (UV).(Si la energía del fotón es demasiada).
- El fotón es absorbido por el semiconductor (Espectro visible). (Si la energía del fotón es óptima).
- Silicio mono cristalino (cSi)
- Presentan una estructura completamente ordenada, cuyo comportamiento uniforme lo convierte en óptimo semiconductor.
- Fácilmente reconocible por su color azulado oscuro y metálico.
- Fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas usadas previamente en la fabricación de diodos y transistores.
- El proceso de fabricación requiere un alto consumo de energía eléctrica, lo que eleva el costo de estas células.
- Poseen los más altos valores de eficiencia:
- Ensayo celda individual en laboratorio: 24,7%,
- Como panel solar: 13% - 18%.
- La superficie necesaria como panel solar para alcanzar 1 Kwp se encuentra entre los 7m2 y los 9 m2.
- Silicio poli cristalino (pSi)
- Presentan una estructura ordenada por regiones separadas, en la que los enlaces irregulares de las fronteras cristalinas disminuyen el rendimiento.
- Son reconocibles a simple vista, ya que reflejan la luz en forma no uniforme, pudiéndose observar las imperfecciones en el cristal. Tienen, asimismo, diferentes tonos de azules.
- Se obtiene fundiendo silicio de grado industrial, el que se vierte en moldes rectangulares, de sección cuadrada.
- El costo del material y el procesado se simplifican, por lo que son más económicas que las mono cristalinas, pero poseen una eficiencia menor:
- Ensayo celda individual en laboratorio: 19,8%,
- Como panel solar: 11% - 15%.
- Frente a altas temperaturas, son más eficientes que mono cristalinas ya que el color azul de las celdas absorbe menos calor que el color oscuro de las mono cristalinas.
- La superficie necesaria como panel solar para alcanzar 1 Kwp se encuentra entre los 8 m2 y los 11 m2.
- Silicio amorfo (aSi)
- Poseen un alto grado de desorden en la estructura de los átomos, con lo cual contiene un gran número de defectos, disminuyendo la eficiencia de conversión.
- Para reducir este efecto, el espesor del material activo en estas células es diez veces menor que el de una célula de cSi.
- Pueden ser ofrecidas como paneles flexibles o rígidos.
- Tienen un proceso de fabricación más simple y por tanto un coste muy inferior.
- Poseen los valores más bajos de eficiencia:
- Ensayo celda individual en laboratorio: 13%.
- Como panel solar: 5% - 8%.
- La superficie necesaria como panel solar para alcanzar 1 Kwp se encuentra entre los 16 m2 y los 20 m2.
- Este tipo de celdas conforman las celdas llamadas de capa delgada(thin film cells).
- Multi- Junturas
- Los fabricantes aumentan la eficiencia adicionando junturas, las que responden a diferentes frecuencias del espectro luminoso.
- Suelen apilarse tres junturas: La primera responde a la zona del azul, la segunda al verde y la tercera al rojo.
- Eficiencia en laboratorio de hasta 46%.
- Mayormente en fase de investigación, se producen sólo para aplicaciones especiales (exploración espacial, etc.).
- Arseniuro de Galio (GaAs)
- Es un componente semiconductor mezcla de dos elementos.
- Tiene la ventaja sobre el silicio, que trabaja mejor altas temperaturas.
- Eficiencia en laboratorio de hasta 28,8%.
- Se producen sólo para aplicaciones especiales (satélites, etc.).
- Teluro de Cadmio (CdTe)
- Es otro material poli cristalino.
- Posee un elevado coeficiente de absorción.
- Posee una elevada resistividad eléctrica.
- Poseen los más altos valores de eficiencia:
- Ensayo celda individual en laboratorio: 17%.
- Como panel solar: 9% - 10%.
- Este tipo de celdas conforman las celdas llamadas de capa delgada(thin film cells).
- Respuesta espectral
- La respuesta espectral de una célula fotovoltaica es una medida de la respuesta(medida en forma de corriente generada) del dispositivo expuesto a la luz solar.
- El rendimiento de una célula fotovoltaica depende fuertemente del contenido espectral de la radiación incidente, ya que las mismas responden de manera distinta a las frecuencias (longitud de onda) de la radiación incidente.
- Esta respuesta está dada por los materiales con las que están construidas.
- Una célula fotovoltaica es tanto mejor cuánto mejor respuesta espectral posee, esto es, el que mejor adapte su curva de respuesta espectral al espectro de la radiación solar.
- Existen dos tipos de pérdidas, las que ocurren dentro de la célula fotovoltaica y las que ocurren fuera de la misma.
- La suma de todas estas pérdidas disminuye el rendimiento final de la célula.
- Pérdidas fuera de la célula
- Reflectancia de la superficie colectora
- La superficie colectora de una célula de silicio mono cristalino actúa como un espejo, reflejando hasta el 30%de la luz incidente.
- Para disminuir la Reflectancia, la superficie de colección recibe una capa antireflectiva (porosa).
- Este efecto se disminuye un 10%.
- Una segunda capa baja la Reflectancia a un 4%, pero incrementa el costo.
- La capa antireflectiva se extiende a todo tipo de células.
- Pérdidas por los contactos eléctricos
- Los contactos metálicos tapan parte de la superficie de captación.
- Las pérdidas por éste concepto pueden evaluarse, como media, en un 8%, ya que dependen del diseño.
- Pérdidas dentro de la célula
- Energía de los fotones incidentes
- Fotones incidentes sin energía suficiente.
- Fotones incidentes con demasiada energía.
- 50% de la energía incidente se pierde por éstos motivos.
- Pérdidas por recombinación
- El proceso de recombinación depende de los defectos de la estructura cristalina del semiconductor.
- Cuanto más puro sea (silicio mono cristalino), éstas pérdidas serán menores (15%).
- Pérdidas por resistencia serie
- Son debidas al calentamiento que se produce al circular la corriente eléctrica a través del silicio (efecto Joule).
- Representan sobre el conjunto un 2% - 3%.
- Voltaje
- Como las cargas son impulsadas por un campo eléctrico fijo, el voltaje es continuo.
- Existe un lado positivo(lado P) y otro negativo(lado N).
- Corriente
- Dependerá del valor de la carga, la irradiación solar, la
superficie de la celda y el valor de su resistencia interna.
- Potencia
- En un instante determinado, la potencia será el producto de los valores instantáneos del voltaje y la corriente de salida.
- Curva I - V
- La célula fotovoltaica posee una curva característica que asocia los valores de V e I para diferentes cargas externas.
- Al conectar la carga, la respuesta de la célula siempre será un punto dentro de su curva característica.
- Las condiciones estándares de prueba (STC) en laboratorio son:
- Irradiancia de 1.000 W/m2.
- Espectro equivalente al de una masa de aire de MA = 1,5.
- Temperatura de trabajo de 25 °C.
- Voltaje a circuito abierto (VCA o VOC)
- Es el voltaje máximo de la célula y ocurre cuando no está conectada a ninguna carga.
- El valor depende del material semiconductor.
- Para una célula de silicio mono cristalino, este valor ronda los 0,6 V.
- Corriente de cortocircuito (ICC o ISC)
- Es la máxima corriente de la celda y ocurre cuando se realiza un cortocircuito entre sus terminales.
- Esto no daña a la celda fotovoltaica.
- Para una célula de silicio mono cristalino de 100 cm2, ronda los 3 A.
- Potencia pico (WP o Pm)
- Cuando se conecta a una carga, la tensión y la corriente varían. Existirán dos de ellos (Vp y Ip) para los cuales la potencia será máxima.
- Al aumentar la temperatura
- Se producirá una disminución de la tensión de circuito abierto (VCA) debido a una disminución del campo eléctrico de la juntura PN.
- Esto se debe a que los electrones unidos a los átomos de la red cristalina comienzan a vibrar hasta romper los enlaces que los unen a los átomos generando una corriente interna que se estabilizará cuando el campo eléctrico de la juntura disminuya.
- Al mismo tiempo, un mayor porcentaje de la luz incidente tendrá energía suficiente para romper los enlaces debido a que la temperatura aporta energía a los electrones, por lo que se producirá una fotocorriente más grande, aumentando la corriente de corto circuito (ICC).
- El aumento de la corriente para un aumento de temperatura dado es proporcionalmente menor que la disminución de la tensión, por lo que la eficiencia de la celda se reduce al elevar las temperaturas.
- Forma geométrica
- El método de fabricación determina, en gran parte, la forma geométrica de la célula fotovoltaica.
- Las primeras versiones de silicio mono cristalino eran redondas debido a que el cristal puro tenía una sección circular.
- Actualmente tienen forma cuadrada, o casi- cuadrada, donde las esquinas tienen vértices a 45°.
- Éstas permiten un mayor compactado de las mismas dentro del panel fotovoltaico, disminuyendo la superficie que se necesita para colocar un determinado número de células.
- Células fotovoltaicas
- Son vulnerables a la acción de los elementos naturales(lluvias, granizo, nieve, vientos, polvo, alta humedad, etc.).
- Se necesita un voltaje de salida práctico, superior a 0,6V.
- Se deben conectar las células en serie y paralelo para lograr tensiones y corrientes prácticas.
- El panel fotovoltaico
- Es necesario el uso de una estructura mecánica rígida, resistente y hermética que pueda contener y proteger un elevado número de células.
- El panel fotovoltaico cumple estos requisitos, facilitando además el transporte de las unidades, el conexionado externo, y el montaje de los mismos a un soporte.
- Estructura
- Marco de aluminio:
- Construido de aluminio anodizado, para evitar su oxidación.
- Su rigidez provee la presión necesaria para mantener juntas las partes que integran el “sándwich”.
- Superficie colectora:
- Construido de vidrio templado o un plástico de alto impacto, con un alto valor de transmisividad .
- Resistentes al granizo y vientos portadores de arena o tierra.
- El uso del vidrio ofrece una acción auto-limpiante, ya que ya que la suciedad tiende a adherirse menos a su superficie.
- Junta selladora:
- Contribuye a evitar la humedad dentro del panel, evitando que las conexiones internas se oxiden o causen la apertura del contacto al semiconductor.
- Material encapsulante:
- Alta transparencia.
- Protege las células frente a la abrasión, los rayos UV y la oxidación generada por el aire y la humedad .
- También protege las células y las conexiones de vibraciones y actúa como aislante eléctrico.
- Típicamente se utiliza eleva (etileno vinil acetato).
- Sostén rígido:
- Incrementa la rigidez del panel.
- Cubierta posterior:
- Puede ser plástica o metálica.
- La versión metálica mejora la disipación de calor al exterior.
- Caja estanca:
- Se encuentra en la parte trasera del panel.
- Es una caja de plástico preparada para exteriores, con tapa removible y agujeros laterales para la entrada y salida de los cables de conexión.
- Caja estanca o de conexión:
- Dentro de la caja se hallan bornes de salida con el terminal positivo (+) y negativo (-).
- A fin de alcanzar la corriente y tensión de trabajo necesaria, los módulos pueden conectarse en serie- paralelo utilizando las borneras de conexión.
- Diodos de bloqueo:
- Evitan que la corriente fluya a través de ellos en sentido contrario al de generación.
- Previenen que la batería se descargue a través de ellos durante la noche.
- Evitan que el flujo de corriente se invierta entre bloques de paneles conectados en paralelo, cuando en uno o más de ellos se produce una sombra.
- Diodos de bypass:
- Protegen individualmente a cada panel, celda o grupo de celdas de posibles daños ocasionados por sombras parciales.
- Son utilizados en disposiciones en las que los módulos o celdas están conectados en serie.
- Generalmente no son necesarios en sistemas que funcionan a 24 V o menos.
- Vida útil y garantía
- Depende de su construcción y no de la vida útil de las células fotovoltaicas, ya que no se conoce el límite de la vida útil de un semiconductor.
- Los paneles que usan láminas plásticas como superficie colectora suelen perder hasta un 20% del valor inicial de transmisividad después de aproximadamente 20 años de uso.
- Los que usan vidrio templado pierden un 5% en el mismo período de tiempo, ya que este material resiste mejor la acción deteriorante de los rayos UV.
- A su vez, la radiación UV también causa la degradación de las células fotovoltaicas, restándole eficiencia.
- Por ello, un panel solar que ha permanecido almacenado por 20 años será más productivo en energía que otro que haya estado produciendo electricidad por la misma cantidad de tiempo.
- La pérdida efectiva anual de un panel solar en funcionamiento se estima en 0,8% hasta estabilizarse, con el paso del tiempo en aproximadamente 0,2%.
- La alta calidad de los paneles ofrecidos a la venta se refleja en las amplias garantías ofrecidas por los fabricantes (limitadas a un uso correcto) que suelen extenderse a 10 años de garantía de producto y normalmente 25 años de garantía de potencia (10 años a un 90% y 25 años a un 80%).
- Voltaje de salida
- La industria de baterías precedió a la de los sistemas fotovoltaicos, de manera que la adopción de 12 V para el voltaje de salida del panel era una opción práctica.
- Este valor no necesita de un gran número excesivo de células en serie.
- La industria de electrodomésticos pasa usos en casas rodantes, motor home, etc., adoptó el valor de 12 V, de manera que el un sistema fotovoltaico con este voltaje podrá incorporar electrodomésticos de CC diseñados para vehículos recreacionales.
- Existen también paneles fotovoltaicos de 24 V.
- Número de células
- El número de células en un panel, y por lo tanto su voltaje y corriente de salida, depende del material y la estructura cristalina del semiconductor usado.
- Teniendo en cuenta esto y el comportamiento para el caso más desfavorable, el fabricante decide un número mínimo que garantiza la carga efectiva del banco de baterías.
- Usualmente, los paneles comerciales de 12 V contienen 36 células y los de 24 V contienen 72 células, aunque existen de 30, 32, 33, 44 y 60.
- Forma geométrica
- Cuando la forma geométrica de las celdas es un cuadrado, la superficie del panel será la mínima para un número dado de celdas, ya que el espacio entre ellas es prácticamente nulo.
- Esto permite la realización de un panel de menor tamaño, lo que abarata algo el costo del mismo y el de su transporte.
- Un panel de menor tamaño minimiza la superficie requerida para satisfacer la carga del sistema, reduciendo la superficie expuesta al viento.
- Los paneles modernos tienen celdas cuadradas (o con esquinas redondeadas), los más antiguos tienen celdas circulares.
- La potencia máxima (WP) de salida de un panel fotovoltaico es la característica más importante del mismo.
- Para sistema fotovoltaicos de uso doméstico se requiere el uso de paneles con potencias de salidas mayores a 30 W.
- Los fabricantes ofrecen paneles con una potencia de entre 3 W y 350 W.
- Actualmente, el mercado se divide como:
- 54,9% - Paneles con células de silicio poli cristalino(pSi).
- 36% - Paneles con células de silicio mono cristalino(cSi).
- 5,1 % - Paneles de capa delgada con células de teluro de cadmio(CdTe).
- 2% - Paneles de capa delgada con células de silicio amorfo (aSi).
- Para sistemas fotovoltaicos aislados, usualmente se utilizan paneles con células de silicio mono cristalino (cSi) o poli cristalino (pSi).
- Los paneles de capa delgada suelen utilizarse en sistemas conectados a red.
- Curva I - V
- El fabricante proporciona una curva I-V que relaciona la corriente con la tensión de salida para determinadas condiciones de trabajo (irradiancia y temperatura).
- Esta curva se obtiene variando una resistencia externa bajo condiciones estándares de prueba (STC) en laboratorio:
- Irradiancia de 1.000 W/m2.
- Espectro equivalente al de una masa de aire de MA = 1,5.
- Temperatura de trabajo de 25 °C.
- La respuesta del panel se encuentra siempre dentro de esta curva.
- La potencia de salida para una determinada condición de trabajo está dada por el producto de los valores de I y V correspondientes.
- Todas las curvas tienen una zona donde el valor de la corriente permanece prácticamente constante para valores crecientes del voltaje de salida, hasta que alcanzan una zona de transición.
- A partir de esta zona, pequeños aumentos en el voltaje de salida ocasionan bruscas disminuciones de la corriente de salida.
- Parámetros importantes
- El fabricante de paneles fotovoltaicos especifica los valores de tres parámetros importantes en las especificaciones técnicas:
- Voltaje a circuito abierto (VCA)
- Corriente de corto circuito (ICC)
- Potencia pico (WP)
- Voltaje Pico (VP)
- Corriente Pico (IP)
- Todos medidos en condiciones estándares de prueba (STC) en laboratorio (@1.000 W/m2, MA 1,5 y 25 °C).
- Voltaje a circuito abierto (VCA)
- El voltaje a circuito abierto VCA o VOC (por sus siglas en inglés open circuit) es la tensión que genera el panel cuando el mismo no está conectado a una carga externa.
- Bajo estas condiciones, no circula corriente y se obtiene el máximo valor de voltaje de la curva V - I, que es el que corresponde a VCA.
- Por no circular corriente, la potencia de salida es nula.
- Corriente de corto circuito (ICC)
- La corriente de salida de cortocircuito máximo ICC o ISC (por sus siglas en inglés shunt circuit) ocurre cuando el voltaje de salida es nulo (cortocircuito).
- Bajo estas condiciones la corriente de salida alcanza su valor máximo.
- Un cortocircuito entre los terminales de salida del panel no dañará al mismo.
- Por tener una tensión nula, la potencia de salida será nula.
- Potencia pico (WP)
- Entre estos dos valores (VCA e ICC), la potencia de salida alcanza el valor pico(Wp).
- Los valores de voltaje (Vp) y corriente (Ip) que generan el son llamados picos o máximos, dependiendo del fabricante.
- Muchos fabricantes ofrecen distintos valores para distintas temperaturas e irradiancia.
- Efecto de la irradiancia
- La potencia pico (WP) del panel fotovoltaico fue medida con una irradiancia de 1.000 W/m2 y un espectro de una masa de aire MA = 1,5.
- Una variación de la nubosidad o de la posición del sol, creará una disminución de la radiación global percibida por el panel.
- La curva I – V se moverá hacia abajo.
- Algunos fabricantes proveen curvas del comportamiento del panel para distintos niveles de irradiancia.
- Las curvas contemplan la irradiancia global (directa, difusa y albedo) que recibe el panel.
- En la práctica, dependiendo del terreno, o de reflejos de la luz por otras nubes, el nivel de salida puede incrementarse temporariamente, en lugar de decrecer.
- Efecto de la temperatura
- En las mediciones estándares de testeo(STC), el valor de temperatura de trabajo del panel es de 25°C. Esto corresponde, según la tecnología del panel, a una temperatura ambiente entre 0°C y 5°C.
- Cuando la temperatura de trabajo del panel se incrementa, ICC se incrementa levemente, mientras que VCA disminuye sensiblemente, por lo que toda la curva característica I – V varía.
- Para que el voltaje de los paneles solares no caiga por debajo del voltaje de las baterías cuando la temperatura del panel se eleva, los fabricantes utilizan 36 (o más) células en serie por panel, en lugar de las 24 derivadas por cálculo (0,6 V x 24 = 14,4 V).
- En consecuencia, el voltaje de circuito abierto es elevado a 25 °C (más de 20 V para 12 V nominal).
- La potencia pico (WP)disminuye al aumentar la temperatura.
- Como el corrimiento de voltaje es mayor al corrimiento de la corriente, el panel pierde eficiencia al aumentar la temperatura.
- Coeficiente de degradación (Cd)
- En la práctica son muy escasos los lugares donde la temperatura máxima de trabajo alcanza sólo 25 °C (77 ºF).
- Cuando ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza el valor pico especificado por el fabricante.
- Se debe tener en cuenta esta degradación de potencia en el diseño a fin de asegurar que los requerimientos eléctricos del sistema pueden ser satisfechos durante todos los días del año.
- Para poder calcular la pérdida de potencia para una determinada temperatura, se define el coeficiente de degradación(Cd).
- Puede ser calculado usando valores dados por las curvas I-V a alta temperatura.
- Este método es impreciso, por lo que es conveniente usar factores de degradación dados por el fabricante en forma porcentual en la relación de la potencia pico.
- Valores prácticos del coeficiente de degradación
- Se realizaron estudios técnicos con paneles con células de silicio mono cristalino, poli cristalino y amorfo a temperaturas de trabajo no inferiores a los 50 °C durante varios años.
- El resultado fue que en la mayoría de los paneles, independientemente del tipo de celda, ofrecen un coeficiente de degradación(Cd) que oscila entre 0,7 %/°C y 0,86 %/°C.
- Si se cuenta con información del fabricante respecto al coeficiente de degradación Cd, siempre es recomendable usar dichos valores.
- Si se desconoce el coeficiente de degradación del panel, pueden utilizarse valores prácticos basados en los resultados del estudio anterior.
- En base a los estudios:
- Si en la región donde se instalarán los paneles no hay brisas diurnas sostenidas durante el verano (las que ayudan a disipar el calor), y la temperatura ambiente se encuentra entre 35 °C – 40 °C (95 °F – 104 °F), puede utilizarse un Cd de 0,8 %/°C.
- Para temperaturas ambientes de verano de hasta 30 °C (86 °F) puede utilizarse un Cd de 0,6 %/°C.
- Si la temperatura ambiente durante el verano no supera los 25 °C, o la de invierno es cercana o por debajo de los 0 °C, puede usarse el valor de la potencia pico para el diseño.
- Por omisión, puede utilizarse un valor de 0,8%/°C.
- Cálculo de la temperatura de trabajo
- La temperatura de trabajo que alcanza un panel FV obedece una relación lineal.
- Fórmula 1:
- Si la velocidad del viento es muy baja, oinexistente, el enfriamiento del paneles pobre o nulo, y que toma valores cercanos o iguales al máximo (0,4).
- Si la velocidad promedio del viento produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de k será el mínimo (0,2).
- Para locaciones con alto valor de insolación diaria se usa el valor máximo de 100 mW/cm2 (1000 W/m2).
- Si existen nubes pasajeras que reducen el valor de irradiación, el valor de R se reduce a 80 mW/cm2 (800 W/m2 ).
- El producto que representa el incremento de temperatura que sufre el panel sobre la máxima temperatura ambiente (varía entre 16°C y 40°C).
- Por omisión, puede utilizarse un valor de que de 0,025 °C.Cm2/mW.
- Fórmula 2:
- El fabricante proporciona la Temperatura Nominal de Operación de la Célula (TONC).
- El TONC se calcula en laboratorio con las siguientes condiciones:
- Irradiancia de 800 W/m 2.
- Temperatura ambiente de 20 º C.
- Velocidad media de viento 1 m/s, con el viento orientado en paralelo al plano de la matriz, y todas las partes de la matriz completamente expuestos al viento.
- Dependiendo de la tecnología del panel, el TONC varía normalmente entre 45°C y 60°C.
- Potencia de salida en función de la temperatura de trabajo
- Para los cálculos de dimensionamiento de un sistema FV, debe utilizarse el valor del coeficiente de degradación (Cd) más desfavorable, que probablemente corresponda al verano.
- Para calcular la potencia del panel (o del bloque generador), se necesita conocer la potencia pico(Wp) medida en condiciones estándar proporcionada por el fabricante.
- Este valor de potencia será utilizado posteriormente en los cálculos de dimensionamiento.
- La temperatura de trabajo del panel dependerá de la radiación del lugar y de la velocidad del viento útil para la ventilación del panel.
- Como regla general, la temperatura de trabajo estará entre 16 °C y 40 °C por encima de la temperatura ambiente.
- Punto de trabajo
- Cuando a un panel fotovoltaico se le conecta una carga externa, este responde mediante un voltaje y una corriente determinada por su curva característica.
- A este punto se lo conoce como punto de trabajo.
- Al variar la carga externa, el punto de trabajo se desplazará a lo largo de la curva.
- Si se demanda una corriente superior a la IP, el panel desplaza su punto de trabajo hacia valores superiores de I, reduciendo su voltaje de salida (carga A).
- Si se demanda un voltaje superior a VP, el panel desplaza su punto de trabajo hacia valores superiores de V, reduciendo su corriente de salida (carga B).
- Si la corriente o voltaje demandados supone que el voltaje o la corriente de salida sea inferior al mínimo permitido por la instalación, el panel responde, pero la carga no funciona, al ser el voltaje o la corriente del panel insuficiente.
- Interacción con una carga resistiva
- El punto de operación del módulo será en la intersección de su curva característica con una recta que representa gráficamente la expresión I = V/R , siendo R la resistencia de carga.
- Interacción con un motor de corriente continua
- En aplicaciones como bombeo de agua (régimen diurno), el sistema fotovoltaico no utiliza banco de baterías, interactuando directamente con un motor de corriente continua (CC).
- Todo motor de CC tiene también una curva I-V. La intersección de ella con la curva I-V del módulo determina el punto de operación (PM).
- Normalmente, los motores de CC para aplicaciones solares se diseñan para operar cerca del punto de máxima potencia (PP) al mediodía.
- En otros momentos del día se produce un desacople del punto de trabajo respecto del punto de máxima potencia y el motor funciona a una potencia menor que la máxima.
- Interacción con una batería
- Una batería tiene una tensión que depende de su estado de carga, antigüedad, temperatura, régimen de carga y descarga, etc. Normalmente esta tensión se encuentra entre 11 V y 14 V.
- La misma impone su tensión al módulo fotovoltaico, por lo que la batería se cargará con una corriente correspondiente al punto de trabajo que impone el voltaje de la batería.
- Los puntos de trabajo que impone la batería al módulo fotovoltaico, no corresponden al punto de máxima potencia del mismo, desaprovechando el máximo de energía que el panel puede suministrar.
- En la figura se muestra el desempeño de un módulo fotovoltaico en el punto de máxima potencia (17 V, 4,4 A, 75 W) conectado a una batería de 12 V.
- Si el estado de carga de la batería corresponde a un voltaje de 13 V, la corriente resultante será de alrededor de 4,6 A y la potencia suministrada por el módulo será un poco más de 59,8 W, en vez que los 75 W especificados.
- Como resultado, se tendrá una pérdida de eficiencia de más del20%.
- Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT)
- Para contrarrestar la pérdida de eficiencia en la carga de baterías y en la interacción del módulo fotovoltaico con un motor, se utiliza un sistema electrónico conocido como seguimiento del punto de máxima potencia.
- Conocido normalmente como MPPT (Máximum Power Point Tracking), este sistema gestiona el consumo de los módulos fotovoltaicos de tal manera que permite extraer la máxima potencia.
- El MPPT es un sistema totalmente electrónico(incluido en algunos reguladores de carga) que varía el punto eléctrico de operación de los paneles, independizándolo del voltaje de la batería.
- Esto permite que el panel entregue la máxima potencia posible siempre, independientemente del voltaje de la batería.
- La potencia adicional extraída se convierte en un incremento de la corriente de carga de la batería.
- Conexión serie - paralelo
- Cuando el consumo se incrementa, el valor de la corriente de carga requiere cables de mayor diámetro, los que son más costosos, difíciles de conectar e incrementan las pérdidas por calentamiento (efecto Joule).
- Conexión serie
- Una conexión serie de los paneles incrementará(sumará) la tensión del arreglo.
- La corriente máxima que entregará el nuevo arreglo de paneles seguirá siendo la misma que la del panel individual.
- La potencia también se verá incrementada en el nuevo arreglo.
- Siempre es recomendable que los paneles que se conectarán sean iguales. En el caso de que los paneles no sean iguales, la máxima corriente del arreglo estará limitada a la máxima corriente del panel más chico.
- Conexión paralelo
- Una conexión en paralelo de los paneles incrementará (sumará) la corriente de los mismos.
- El voltaje seguirá siendo el mismo que el de los paneles individuales.
- La potencia también se verá incrementada en el nuevo arreglo.
- Conectores MC
- En la mayoría de los casos, los paneles fotovoltaicos poseen en sus cajas de conexión un cableado con conectores especiales MC.
- Estos conectores pueden ser MC3 y MC4 dependiendo del modelo de panel.
- Sirven para el ahorro de tiempo y la seguridad del cableado en serie y en paralelo de paneles fotovoltaicos de cualquier tipo.
- Es posible armar cables a medida con estos conectores al poder comprarse las fichas hembra / macho.
- Los conectores para arreglos en paralelo, pueden poseer múltiples entradas según la cantidad de paneles a conectar.
- El uso de estos conectores reemplaza la utilización de cajas de conexión entre paneles.
- Están diseñados para su uso en exterior, siendo resistente a los rayos UV, humedad, etc.
- Efecto de las sombras
- Los paneles fotovoltaicos deben ubicarse en lugares donde no haya sombras durante ninguna época del año.
- La sombra puede ser causada por árboles, chimeneas o por los mismos paneles.
- Se estima que las pérdidas energéticas a causa de sombras parciales pueden ser entre un 20% y un 40%de la producción máxima de la instalación.
- En paneles de silicio mono cristalino o poli cristalino, su rendimiento baja en mayor porcentaje que el del área sombrado. Un 10% de sombra de un panel solar puede conducir a una disminución del 50% en la eficiencia e incluso, en ocasiones, el 100%.
- Punto Caliente
- El punto caliente se forma en un panel solar con el sombreado de una sola célula fotovoltaica de una conexión en serie.
- Dicha célula se comporta como una resistencia (óhmica) y se puede calentar hasta el punto de destruirse si fluye por ella la corriente de las demás células del módulo, ya que consumirá la potencia generada por las demás células en serie con ella.
- Esto suele ocurrir cuando se produce una sombra puntual debido a hojas sueltas, excremento de aves, etc.
-
- El uso de diodos de bypass reduce el riesgo de calentamiento de las células sombreadas, limitando la corriente que pueda circular por ellas y evitando de este modo la destrucción de las mismas.
- Los diodos permiten un camino alternativo a la corriente alrededor de un arreglo en serie de células cuando alguna de las éstas está parcialmente sombreada.
-
- Generalmente casi todos los módulos con un número de células igual o superior a 33 en serie se suministran con diodos de bypass que se encuentran situados en las cajas de conexión.
-
- En los módulos con menor número de células en serie no se hacen necesarios los diodos de bypass, pues el efecto de punto caliente no llega al nivel de riesgo de destrucción de las células.
- INFORMACIÓN TÉCNICA
- Los fabricantes de los paneles fotovoltaicos ofrecen una hoja de datos técnicos con información sobre las características generales, eléctricas y mecánicas del panel.
- Características generales
- Información sobre el tipo de celda, certificaciones, proceso de fabricación, detalles sobre el ensamblado mecánico, eficiencia de conversión y el tipo de garantía dada por el fabricante.
- Características eléctricas
- Se presentan valores de potencia, voltaje y corriente pico, así como los valores del voltaje a circuito abierto (VCA) y corriente de cortocircuito (ICC) del panel.
- Características eléctricas(cont.)
- Algunos fabricantes incorporan información sobre las curvas I-V para diferentes temperaturas de trabajo, así como para distintos niveles de irradiancia.
- Características mecánicas
- La información mecánica proporciona las dimensiones físicas del panel, las que incluyen las perforaciones de montaje.
- Algunos fabricantes complementan esta información con notas de precaución de manejo.
- Esta información es complementada connotas aclaratorias al pie de página, cuya función es especificar las condiciones usadas durante la evaluación de un determinado parámetro.
- La batería de plomo - ácido
- Componente fundamental de un sistema fotovoltaico.
- Debido a su importancia hace necesario el conocimiento a fondo de las limitaciones intrínsecas del mismo.
- Este tipo de batería ofrece el mejor balance entre costo y performance.
- Con más de 140 años de existencia, ha evolucionado y continúa evolucionando tecnológicamente.
- Actualmente, este tipo de baterías se diseñan para funcionar en distintas aplicaciones como:
- Automotores.
- Sistemas stand-By Power.
- Banco de acumulación.
- Debido a que el diseño se hace para satisfacer un tipo específico de carga, estas no son intercambiables.
- Principio de funcionamiento
- Está basado esencialmente en un proceso reversible llamado reducción-oxidación (también conocida como redox) en el cual intervienen dos componentes del mismo o distinto material (electrodos) sumergidos en un electrolito.
- El electrolito es una sustancia que contiene iones libres que se comportan como un medio conductor eléctrico.
- Celda de acumulación Pb-ácido
- El conjunto integrado por los electrodos y el electrolito constituyen una celda de acumulación.
- La terminal negativa (cátodo) está compuesta por plomo esponjoso (Pb) y la terminal positiva (ánodo) por dióxido de plomo(PbO2). Este es el estado inicial de fábrica, que corresponde a la batería cargada.
- El electrolito es una solución con 64% de ácido sulfúrico (H2SO4) de alto grado de pureza y 36% de agua destilada (H2O). El agua disocia (rompe) las moléculas del ácido creando iones de sulfato (SO42-) y de hidrógeno (H+).
- Proceso de descarga
- Al cerrar el circuito externo, una corriente comenzará a circular que provocará las siguientes reacciones:
- Terminal negativa (Cátodo)
- El plomo del cátodo(Pb) se transforma en sulfato de plomo(PbS04).
- Terminal positiva (Ánodo)
- El dióxido de plomo del ánodo (PbO2) forma sulfato de plomo(PbSO4).
- Electrolito:
- Los iones de hidrógeno(H+) del agua se combinan con el de oxígeno del (PbO2),formando nuevas moléculas de agua(H2O).
- El sulfato de plomo (PbSO4) creado y el agua (H2O) generada disminuye la densidad del electrólito, lo que disminuye la tensión hasta agotar la reserva energética del acumulador.
- Proceso de carga
- Durante el proceso de carga, se aplica una tensión mayor que el de la celda entre el ánodo y el cátodo que hará circular una corriente.
- Terminal negativa (Cátodo)
- El sulfato de plomo (PbS04) del cátodo se reduce a plomo metal esponjoso (Pb).
- Terminal positiva (Ánodo)
- El sulfato de plomo (PbS04) del ánodo se transforma en dióxido de plomo (PbO2).
- Electrolito:
- Se produce la electrólisis del agua(H2O) conduciendo a la liberación de hidrógeno y oxígeno.
- Parte de estos componentes se combinan con el sulfato de plomo (PbS04) disociado para formar ácido sulfúrico (H2SO4).
- Disminuye el volumen del agua, aumentando la densidad del electrolítico.
- El hidrógeno y oxígeno que no se combinan para generar ácido sulfúrico (H2SO4) se transforman en gases inflamables (H2 y O2) que deben ser liberados al exterior, ya que una concentración de hidrógeno de al menos 4% en el aire resulta explosiva ante un foco de ignición.
- La tensión de la celda aumentará hasta aproximadamente 2,1 V que es una tensión de carga aceptable.
- Si la fuente externa no se desconecta, la tensión de la celda continuará aumentando hasta que alrededor de 2,4 V.
- Entonces se provocará la electrólisis masiva del agua, que generará la separación del hidrógeno y del oxígeno del agua en grandes cantidades, liberándolos en forma gaseosa de las placas positivas y negativas respectivamente.
- Como la proporción de agua en una batería cargada disminuye debido al desprendimiento de O2 e H2, siempre se debe observar el nivel del electrolito después que la batería ha sido cargada.
- Para restaurar el nivel correcto del electrolito debe agregarse agua destilada.
- Batería descargada
- Cuando al batería está descargada, ambos electrodos se vuelven sulfato de plomo (PbS04).
- Baja densidad del electrolito. La solución se compone de 17% de H2SO4y 83% de H2O.
- Batería cargada
- Cuando la batería está cargada, el electrodo negativo será de plomo poroso (Pb) y el electrodo positivo será de dióxido de plomo (Pb02).
- Alta densidad del electrólito. La solución se compone de 38% de H2SO4y 62% de H2O.
- Ciclos de carga y descarga
- En teoría el ciclo de carga y descarga pueden ser repetidos indefinidamente.
- En la práctica existen limitaciones para el máximo número de ellos, ya que los electrodos pierden parte del material con cada descarga.
- La diferencia funcional entre diferentes tipos de baterías obedece al uso de diferentes electrolitos y electrodos metálicos.
- Dentro de un mismo tipo de batería, la diferencia funcional es el resultado del método de fabricación.
- Pérdidas por conversión
- Cuando un tipo de energía es convertido en otro la eficiencia del proceso nunca alcanza el 100%, ya que siempre existen pérdidas.
- La doble conversión energética de la batería genera pérdidas de energía durante el proceso de carga y descarga.
- La eficiencia de conversión de las baterías típicamente es del 75%.
- Densidad del electrolito
- En una batería de Pb-ácido el electrolito interviene en forma activa en el proceso electroquímico, variando la proporción de ácido en la solución con el estado de carga del acumulador.
- Cuando la batería está descargada, la cantidad de ácido en la solución disminuye. Si la batería está cargada, la cantidad de ácido en la solución aumenta.
- Este mecanismo tiene una derivación práctica: monitoreando la concentración del ácido se puede determinar de manera precisa el estado de carga de la batería.
- Este monitoreo se hace usando un densímetro.
- Efecto de la temperatura
- La temperatura que alcanza el electrolito está determinada por la temperatura ambiente, ya que después de una hora la temperatura del electrolito alcanza un valor muy cercano al ambiental.
- Debido a esto, las características físicas de las baterías dependen fuertemente de la temperatura ambiente.
- Bajas temperaturas
- Si bien la corriente que circula por la batería crea una leve disipación de calor debido a la resistencia interna, este valor es sumamente bajo como para superar la acción de una temperatura ambiente muy por debajo de los 25 °C (77 °F), que es el valor de temperatura ideal de trabajo para una batería de cualquier tipo.
- Al bajar la temperatura del electrolito la actividad química disminuye y, consecuentemente, el número de cargas libres se reduce.
- En términos eléctricos esta menor actividad química se manifiesta en un aumento de la resistencia interna del acumulador.
- Este aumento disminuye el voltaje de salida, la corriente en la carga y consecuentemente, la capacidad de carga.
- Efecto de la temperatura
- Congelamiento del electrolito
- Cuando la temperatura ambiente alcanza valores por debajo de 0 °C (32 °F), el estado de carga de la batería (proporción de agua) determinará la posibilidad de congelamiento del electrolito, ya que el ácido del electrolito actúa como anticongelante.
- Si la batería ésta prácticamente descargada, la cantidad de agua en la solución electrolítica es mayor, por lo que la cantidad de electrolito, que actúa como anticongelante es menor, aumentando la posibilidad de que el agua se congele.
- Altas temperaturas
- Cuando la temperatura ambiente se eleva, la acción química se acelera, disminuyendo el valor de la resistencia interna.
- Esto genera una mayor actividad química que se traduce en una reducción de la vida útil del acumulador, ya que se acelera el desgaste de la superficie activa de los electrodos.
- La figura muestra la reducción porcentual de la vida útil en relación al valor máximo a 25 °C, si la temperatura de trabajo de la batería se mantiene a la temperatura especificada en la tabla.
- Sulfatación
- Este es el mayor problema cuando se usan baterías de plomo-ácido con electrolito líquido.
- La descarga forma un depósito de sulfato de plomo en ambas placas.
- Normalmente, este depósito está formado por sulfato de plomo esponjoso que se descompone fácilmente durante el proceso de carga, disolviéndose en el electrolito. Sin embargo, encada ciclo de carga y descarga, una pequeña cantidad de sulfato queda adherido en las placas.
- Si el sulfato de plomo permanece en las placas por períodos largos de tiempo, se endurecerá y cristalizará reduciendo la capacidad de la batería, incrementando su resistencia interna e imposibilitándola de entregar una adecuada cantidad de energía.
- En consecuencia, si la batería ha sido descargada repetidas veces por debajo del mínimo especificado, es pobremente cargada, o permanece descargada por largo tiempo, el tamaño de los cristales de sulfato de plomo crece, y sólo una parte de ellos son disueltos por la corriente de carga.
- La posibilidad de sulfatación de las placas se incrementa, si el sistema fotovoltaico está instalado en un lugar donde los períodos nublados son de larga duración, debido a la descarga profunda que sufren las mismas.
- El proceso de sulfatación se acelera cuando la temperatura del electrolito se eleva, debido a la mayor velocidad de las reacciones químicas.
- Si el usuario de un sistema fotovoltaico ignora la importancia de no sobre-descargar el banco de baterías durante períodos de baja irradiación solar, y no baja el consumo, la posibilidad de que las placas se sulfaten se incrementa substancialmente.
- El 80% - 85% de las fallas en las baterías de plomo ácido convencionales están relacionadas con este fenómeno.
- Gasificación
- Durante el proceso de carga, se produce la electrólisis del agua (H2O) conduciendo a la liberación de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2).
- Los iones de oxígeno e hidrógeno formados por la electrólisis del agua se combinan químicamente y escapan por los tapones de ventilación en forma de gases (H2 y O2).
- Los de hidrógeno irán al electrodo negativo, y los de oxígeno al electrodo positivo.
- Este escape de gases produce un burbujeo en el electrolito, al que se conoce como gasificación.
- Durante el proceso de recarga, la gasificación se intensifica hacia el final de la operación, cuando la batería ha logrado el 85% o 90% de su carga.
- El proceso de carga de una batería de plomo - ácido debe minimizar la gasificación del electrolito. Algo de gasificación es útil, pues contribuye a homogeneizar la solución electrolítica evitando la estratificación en capas con distintas densidades (capas de agua y ácido).
- Cuando una batería de plomo-ácido alcanza el 100% de su carga, la tensión de carga se debe suspender o estabilizar .
-
- Si el proceso de carga no es controlado, por ejemplo, con un regulador de carga, y la tensión de carga comienza a aumentar, la gasificación se incrementa el burbujeo se hace tan intenso que los gases arrastran parte del electrolito fuera de la caja, a través de los tapones de respiración.
-
- El ácido sulfúrico que escapa daña los terminales de salida y disminuye la cantidad de ácido en solución. Esto se conoce como “hervor del electrolito”.
-
- Para una batería de plomo - ácido de 12 V nominales, trabajando alrededor de los 25 °C, un voltaje de carga de 14,28 V proporciona un nivel tolerable de gasificación.
-
- Un voltaje más elevado provoca un nivel de gasificación excesivo que produce el hervor del electrolito.
-
- Esto puede llevar a una explosión de la batería por acumulación de hidrógeno dentro de la misma o por una sobrepresión en el caso de que los gases no puedan ser liberados correctamente.
- Auto descarga
- Una batería que está cargada y permanece inactiva, independientemente de su tipo, pierde su carga con el tiempo.
- Este fenómeno es conocido como auto descarga. La rapidez de descarga depende del tipo de batería y se acelerar aumentar la temperatura.
- A las placas de las baterías de plomo - ácido para automotor se le agrega calcio (baterías libres de mantenimiento) para reducir la pérdida de agua en el electrolito y la gasificación.
- La presencia del calcio retarda la auto descarga, lo que es importante si el vehículo permanece inactivo por un tiempo. Estas baterías, a temperaturas cercanas a los 25 °C, tardan un año en perder el 50% de su carga.
- A las placas de las baterías de plomo - ácido de ciclo profundo se le agrega antimonio, creando una aleación más resistente, que permite incrementar la cantidad de material activo en las mismas, y, por ende, su duración, ya que soportan descargas más profundas.
- El antimonio aumenta la gasificación, por lo que se consume más agua y también aumenta la auto descarga, tardando sólo unos meses en descargarse totalmente a una temperatura cercana a los 25 °C.
- Según su aplicación
- Baterías estacionarias o de reserva
- Diseñadas para aplicaciones en sistemas de alarma de incendios, alumbrado de emergencia, telecomunicaciones y sistemas de alimentación ininterrumpida (o UPS por sus siglas en inglés Uninterruptible Power Supply), etc.
- Están constantemente siendo cargadas(carga de flotación) para compensar la pérdida de capacidad debido a la auto descarga.
- Están construidas para resistir descargas profundas esporádicas.
- Baterías de ciclo profundo
- Las baterías de ciclo profundo son comúnmente usadas en casas rodantes, botes y sobre todo en sistemas de energías renovables fuera de la red o sistemas de respaldo.
- Están diseñadas para proveer una cantidad constante de corriente durante un período de tiempo prolongado y para soportar un alto número de descargas de hasta un 80%.
- Las placas se construyen con un gran grosor.
- Con un buen mantenimiento suelen durar de 4 a 6 años.
- Ventajas de AGM sobre GEL
- Toleran más abuso ya que el grado de recombinación de los gases de carga es superior a las de gel.
- Tienen una auto-descarga que no excede el 3% por mes (25 °C).
- No escapan grandes cantidades de gases (menos del 4% del total) durante la carga, siendo ideales en instalaciones donde el banco de baterías debe ubicarse en un lugar habitable.
- Abarata el costo de envío, ya que son clasificadas como substancia no peligrosa.
- Batería sellada vs. abierta
- Las baterías selladas ofrecen algunas ventajas técnicas sobre las abiertas:
- Ausencia de fugas de electrolito.
- Mínima emisión de gases.
- Nula posibilidad de contaminación del electrolito.
- Bajos requerimientos de mantenimiento.
-
- Las baterías abiertas ofrecen las siguientes ventajas frente a las selladas:
- Mayor número de ciclos.
- Posibilidad de reponer el agua perdida por exceso de sobrecarga.
- Posibilidad de verificar en forma confiable su estado de carga.
- Rutinas de mantenimiento
- Dependen del tipo de batería y su uso.
- Una batería estacionaria de una subestación de transformación no requerirá mantenimiento por varios meses; por el contrario una batería de ciclo profundo en un sistema eólico o solar deberá tener un mantenimiento frecuente.
- Para tener las baterías a su máxima capacidad durante toda su vida, es necesario entender las causas que provocan la disminución de su vida útil, permitiendo realizar mantenimiento preventivo que comprende mediciones de voltaje, densidad y temperatura, y pruebas de descarga, realizadas según las frecuencias recomendadas por proveedores o fabricantes.
- Estado de carga
- Medición de tensión
- Voltaje de carga final
- Es el voltaje con el cual se ha alcanzado el límite de carga de la batería (el límite de capacidad). El proceso de carga cambia de una corriente alta a una corriente baja de mantenimiento en este momento.
- Desde este punto seguir con una corriente alta de carga causaría un sobrecalentamiento y finalmente daños irreversibles en las baterías.
- Este valor es cercano a los 14,1 V, para una batería de plomo - ácido de 12 V nominales, trabajando a una temperatura aprox. de 25 °C.
- Voltaje de descarga final
- Es el voltaje con el cual se ha llegado al límite de descarga de la batería.
- La composición química de las baterías determina el nivel de este voltaje.
- Por debajo de este voltaje la batería entra en la zona de descarga profunda.
- Este valor es cercano a los 10,5 V, para una batería de plomo - ácido de 12 V nominales, trabajando a una temperatura aprox. de 25 °C.
- Envejecimiento
- Con el tiempo, todas las baterías pierden la capacidad de acumular carga, ya que con cada descarga se pierde algo del material activo.
- Sin embargo, la vida útil de las mismas puede ser prolongada si:
- Se las mantiene cargadas.
- No se sobrecargan ni descargan en exceso.
- Permanecen en un lugar que no sufre temperaturas extremas.
- No son sometidas a cortocircuitos.
- Se reemplaza el agua destilada que pierden.
- Si se tienen baterías de plomo – ácido con electrolito líquido en depósito por largo tiempo, se debe vigilar constantemente el estado de carga de las baterías.
- Es altamente recomendable alternar cada semana, la batería en depósito con otra unidad en uso.
- Inspección visual
- Es importante comprobar periódicamente que no haya daños en la caja o fugas de electrolito.
- Las baterías deberán mantenerse limpias y secas. Si hay electrolito, se deberá limpiar con una solución de bicarbonato de sodio.
- Limpiar y mantener ajustadas las conexiones de los cables.
- Los terminales deberán mantenerse libre de corrosión. De existir, los terminales se podrán limpiar con la solución de bicarbonato de sodio seguido por agua limpia y luego por un trapo seco.
- La batería de plomo - ácido
- Componente fundamental de un sistema fotovoltaico.
- Debido a su importancia hace necesario el conocimiento a fondo de las limitaciones intrínsecas del mismo.
- Este tipo de batería ofrece el mejor balance entre costo y performance.
- Con más de 140 años de existencia, ha evolucionado y continúa evolucionando tecnológicamente.
- Actualmente, este tipo de baterías se diseñan para funcionar en distintas aplicaciones como:
- Automotores.
- Sistemas stand-By Power.
- Banco de acumulación.
- Debido a que el diseño se hace para satisfacer un tipo específico de carga, estas no son intercambiables.
- Principio de funcionamiento
- Está basado esencialmente en un proceso reversible llamado reducción-oxidación (también conocida como redox) en el cual intervienen dos componentes del mismo o distinto material (electrodos) sumergidos en un electrolito.
- El electrolito es una sustancia que contiene iones libres que se comportan como un medio conductor eléctrico.
- Celda de acumulación Pb-ácido
- El conjunto integrado por los electrodos y el electrolito constituyen una celda de acumulación.
- La terminal negativa (cátodo) está compuesta por plomo esponjoso (Pb) y la terminal positiva (ánodo) por dióxido de plomo(PbO2). Este es el estado inicial de fábrica, que corresponde a la batería cargada.
- El electrolito es una solución con 64% de ácido sulfúrico (H2SO4) de alto grado de pureza y 36% de agua destilada (H2O). El agua disocia (rompe) las moléculas del ácido creando iones de sulfato (SO42-) y de hidrógeno (H+).
- Proceso de descarga
- Al cerrar el circuito externo, una corriente comenzará a circular que provocará las siguientes reacciones:
- Terminal negativa (Cátodo)
- El plomo del cátodo(Pb) se transforma en sulfato de plomo(PbS04).
- Terminal positiva (Ánodo)
- El dióxido de plomo del ánodo (PbO2) forma sulfato de plomo(PbSO4).
- Electrolito:
- Los iones de hidrógeno(H+) del agua se combinan con el de oxígeno del (PbO2),formando nuevas moléculas de agua(H2O).
- El sulfato de plomo (PbSO4) creado y el agua (H2O) generada disminuye la densidad del electrólito, lo que disminuye la tensión hasta agotar la reserva energética del acumulador.
- Proceso de carga
- Durante el proceso de carga, se aplica una tensión mayor que el de la celda entre el ánodo y el cátodo que hará circular una corriente.
- Terminal negativa (Cátodo)
- El sulfato de plomo (PbS04) del cátodo se reduce a plomo metal esponjoso (Pb).
- Terminal positiva (Ánodo)
- El sulfato de plomo (PbS04) del ánodo se transforma en dióxido de plomo (PbO2).
- Electrolito:
- Se produce la electrólisis del agua(H2O) conduciendo a la liberación de hidrógeno y oxígeno.
- Parte de estos componentes se combinan con el sulfato de plomo (PbS04) disociado para formar ácido sulfúrico (H2SO4).
- Disminuye el volumen del agua, aumentando la densidad del electrolítico.
- El hidrógeno y oxígeno que no se combinan para generar ácido sulfúrico (H2SO4) se transforman en gases inflamables (H2 y O2) que deben ser liberados al exterior, ya que una concentración de hidrógeno de al menos 4% en el aire resulta explosiva ante un foco de ignición.
- La tensión de la celda aumentará hasta aproximadamente 2,1 Que es una tensión de carga aceptable.
- Si la fuente externa no se desconecta, la tensión de la celda continuará aumentando hasta que alrededor de 2,4 V.
- Entonces se provocará la electrólisis masiva del agua, que generará la separación del hidrógeno y del oxígeno del agua en grandes cantidades, liberándolos en forma gaseosa de las placas positivas y negativas respectivamente.
- Para restaurar el nivel correcto del electrolito debe agregarse agua destilada.
- Batería descargada
- Cuando al batería está descargada, ambos electrodos se vuelven sulfato de plomo (PbS04).
- Baja densidad del electrolito. La solución se compone de 17% de H2SO4y 83% de H2O.
- Batería cargada
- Cuando la batería está cargada, el electrodo negativo será de plomo poroso (Pb) y el electrodo positivo será de dióxido de plomo (Pb02).
- Alta densidad del electrólito. La solución se compone de 38% de H2SO4y 62% de H2O.
- Ciclos de carga y descarga
- En teoría el ciclo de carga y descarga pueden ser repetidos indefinidamente.
- En la práctica existen limitaciones para el máximo número de ellos, ya que los electrodos pierden parte del material con cada descarga.
- La diferencia funcional entre diferentes tipos de baterías obedece al uso de diferentes electrolitos y electrodos metálicos.
- Dentro de un mismo tipo de batería, la diferencia funcional es el resultado del método de fabricación.
- Pérdidas por conversión
- Cuando un tipo de energía es convertido en otro la eficiencia del proceso nunca alcanza el 100%, ya que siempre existen pérdidas.
- La doble conversión energética de la batería genera pérdidas de energía durante el proceso de carga y descarga.
- La eficiencia de conversión de las baterías típicamente es del 75%.
- Densidad del electrolito
- En una batería de Pb-ácido el electrolito interviene en forma activa en el proceso electroquímico, variando la proporción de ácido en la solución con el estado de carga del acumulador.
- Cuando la batería está descargada, la cantidad de ácido en la solución disminuye. Si la batería está cargada, la cantidad de ácido en la solución aumenta.
- Este mecanismo tiene una derivación práctica: monitoreando la concentración del ácido se puede determinar de manera precisa el estado de carga de la batería.
- Este monitoreo se hace usando un densímetro.
- Efecto de la temperatura
- La temperatura que alcanza el electrolito está determinada por la temperatura ambiente, ya que después de una hora la temperatura del electrolito alcanza un valor muy cercano al ambiental.
- Debido a esto, las características físicas de las baterías dependen fuertemente de la temperatura ambiente.
- Bajas temperaturas
- Si bien la corriente que circula por la batería crea una leve disipación de calor debido a la resistencia interna, este valor es sumamente bajo como para superar la acción de una temperatura ambiente muy por debajo de los 25 °C (77 °F), que es el valor de temperatura ideal de trabajo para una batería de cualquier tipo.
- Al bajar la temperatura del electrolito la actividad química disminuye y, consecuentemente, el número de cargas libres se reduce.
- En términos eléctricos esta menor actividad química se manifiesta en un aumento de la resistencia interna del acumulador.
- Este aumento disminuye el voltaje de salida, la corriente en la carga y consecuentemente, la capacidad de carga.
- Efecto de la temperatura
- Congelamiento del electrolito
- Cuando la temperatura ambiente alcanza valores por debajo de 0 °C (32 °F), el estado de carga de la batería (proporción de agua) determinará la posibilidad de congelamiento del electrolito, ya que el ácido del electrolito actúa como anticongelante.
- Si la batería ésta prácticamente descargada, la cantidad de agua en la solución electrolítica es mayor, por lo que la cantidad de electrolito, que actúa como anticongelante es menor, aumentando la posibilidad de que el agua se congele.
- Altas temperaturas
- Cuando la temperatura ambiente se eleva, la acción química se acelera, disminuyendo el valor de la resistencia interna.
- Esto genera una mayor actividad química que se traduce en una reducción de la vida útil del acumulador, ya que se acelera el desgaste de la superficie activa de los electrodos.
- La figura muestra la reducción porcentual de la vida útil en relación al valor máximo a 25 °C, si la temperatura de trabajo de la batería se mantiene a la temperatura especificada en la tabla.
- Sulfatación
- Este es el mayor problema cuando se usan baterías de plomo-ácido con electrolito líquido.
- La descarga forma un depósito de sulfato de plomo en ambas placas.
- Normalmente, este depósito está formado por sulfato de plomo esponjoso que se descompone fácilmente durante el proceso de carga, disolviéndose en el electrolito. Sin embargo, encada ciclo de carga y descarga, una pequeña cantidad de sulfato queda adherido en las placas.
- Si el sulfato de plomo permanece en las placas por períodos largos de tiempo, se endurecerá y cristalizará reduciendo la capacidad de la batería, incrementando su resistencia interna e imposibilitándola de entregar una adecuada cantidad de energía.
- En consecuencia, si la batería ha sido descargada repetidas veces por debajo del mínimo especificado, es pobremente cargada, o permanece descargada por largo tiempo, el tamaño de los cristales de sulfato de plomo crece, y sólo una parte de ellos son disueltos por la corriente de carga.
- La posibilidad de sulfatación de las placas se incrementa, si el sistema fotovoltaico está instalado en un lugar donde los períodos nublados son de larga duración, debido a la descarga profunda que sufren las mismas.
- El proceso de sulfatación se acelera cuando la temperatura del electrolito se eleva, debido a la mayor velocidad de las reacciones químicas.
- Si el usuario de un sistema fotovoltaico ignora la importancia de no sobre-descargar el banco de baterías durante períodos de baja irradiación solar, y no baja el consumo, la posibilidad de que las placas se sulfaten se incrementa substancialmente.
- El 80% - 85% de las fallas en las baterías de plomo ácido convencionales están relacionadas con este fenómeno.
- Gasificación
- Durante el proceso de carga, se produce la electrólisis del agua (H2O) conduciendo a la liberación de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2).
- Los iones de oxígeno e hidrógeno formados por la electrólisis del agua se combinan químicamente y escapan por los tapones de ventilación en forma de gases (H2 y O2).
- Los de hidrógeno irán al electrodo negativo, y los de oxígeno al electrodo positivo.
- Este escape de gases produce un burbujeo en el electrolito, al que se conoce como gasificación.
- Durante el proceso de recarga, la gasificación se intensifica hacia el final de la operación, cuando la batería ha logrado el 85% o 90% de su carga.
- El proceso de carga de una batería de plomo - ácido debe minimizar la gasificación del electrolito. Algo de gasificación es útil, pues contribuye a homogeneizar la solución electrolítica evitando la estratificación en capas con distintas densidades (capas de agua y ácido).
- Cuando una batería de plomo-ácido alcanza el 100% de su carga, la tensión de carga se debe suspender o estabilizar .
-
- Si el proceso de carga no es controlado, por ejemplo, con un regulador de carga, y la tensión de carga comienza a aumentar, la gasificación se incrementa el burbujeo se hace tan intenso que los gases arrastran parte del electrolito fuera de la caja, a través de los tapones de respiración.
-
- El ácido sulfúrico que escapa daña los terminales de salida y disminuye la cantidad de ácido en solución. Esto se conoce como “hervor del electrolito”.
-
- Para una batería de plomo - ácido de 12 V nominales, trabajando alrededor de los 25 °C, un voltaje de carga de 14,28 V proporciona un nivel tolerable de gasificación.
-
- Un voltaje más elevado provoca un nivel de gasificación excesivo que produce el hervor del electrolito.
-
- Esto puede llevar a una explosión de la batería por acumulación de hidrógeno dentro de la misma o por una sobrepresión en el caso de que los gases no puedan ser liberados correctamente.
- Auto descarga
- Una batería que está cargada y permanece inactiva, independientemente de su tipo, pierde su carga con el tiempo.
- Este fenómeno es conocido como auto descarga. La rapidez de descarga depende del tipo de batería y se acelerar aumentar la temperatura.
- A las placas de las baterías de plomo - ácido para automotor se le agrega calcio (baterías libres de mantenimiento) para reducir la pérdida de agua en el electrolito y la gasificación.
- La presencia del calcio retarda la auto descarga, lo que es importante si el vehículo permanece inactivo por un tiempo. Estas baterías, a temperaturas cercanas a los 25 °C, tardan un año en perder el 50% de su carga.
- A las placas de las baterías de plomo - ácido de ciclo profundo se le agrega antimonio, creando una aleación más resistente, que permite incrementar la cantidad de material activo en las mismas, y, por ende, su duración, ya que soportan descargas más profundas.
- El antimonio aumenta la gasificación, por lo que se consume más agua y también aumenta la auto descarga, tardando sólo unos meses en descargarse totalmente a una temperatura cercana a los 25 °C.
- Según su aplicación
- Baterías estacionarias o de reserva
- Diseñadas para aplicaciones en sistemas de alarma de incendios, alumbrado de emergencia, telecomunicaciones y sistemas de alimentación ininterrumpida (o UPS por sus siglas en inglés Uninterruptible Power Supply), etc.
- Están constantemente siendo cargadas(carga de flotación) para compensar la pérdida de capacidad debido a la auto descarga.
- Están construidas para resistir descargas profundas esporádicas.
- Baterías de ciclo profundo
- Las baterías de ciclo profundo son comúnmente usadas en casas rodantes, botes y sobre todo en sistemas de energías renovables fuera de la red o sistemas de respaldo.
- Están diseñadas para proveer una cantidad constante de corriente durante un período de tiempo prolongado y para soportar un alto número de descargas de hasta un 80%.
- Las placas se construyen con un gran grosor.
- Con un buen mantenimiento suelen durar de 4 a 6 años.
- Ventajas de AGM sobre GEL
- Toleran más abuso ya que el grado de recombinación de los gases de carga es superior a las de gel.
- Tienen una auto-descarga que no excede el 3% por mes (25 °C).
- No escapan grandes cantidades de gases (menos del 4% del total) durante la carga, siendo ideales en instalaciones donde el banco de baterías debe ubicarse en un lugar habitable.
- Abarata el costo de envío, ya que son clasificadas como substancia no peligrosa.
- Batería sellada vs. abierta
- Las baterías selladas ofrecen algunas ventajas técnicas sobre las abiertas:
- Ausencia de fugas de electrolito.
- Mínima emisión de gases.
- Nula posibilidad de contaminación del electrolito.
- Bajos requerimientos de mantenimiento.
-
- Las baterías abiertas ofrecen las siguientes ventajas frente a las selladas:
- Mayor número de ciclos.
- Posibilidad de reponer el agua perdida por exceso de sobrecarga.
- Posibilidad de verificar en forma confiable su estado de carga.
- Rutinas de mantenimiento
- Dependen del tipo de batería y su uso.
- Una batería estacionaria de una subestación de transformación no requerirá mantenimiento por varios meses; por el contrario una batería de ciclo profundo en un sistema eólico o solar deberá tener un mantenimiento frecuente.
- Para tener las baterías a su máxima capacidad durante toda su vida, es necesario entender las causas que provocan la disminución de su vida útil, permitiendo realizar mantenimiento preventivo que comprende mediciones de voltaje, densidad y temperatura, y pruebas de descarga, realizadas según las frecuencias recomendadas por proveedores o fabricantes.
- Estado de carga
- Medición de tensión
- Voltaje de carga final
- Es el voltaje con el cual se ha alcanzado el límite de carga de la batería (el límite de capacidad). El proceso de carga cambia de una corriente alta a una corriente baja de mantenimiento en este momento.
- Desde este punto seguir con una corriente alta de carga causaría un sobrecalentamiento y finalmente daños irreversibles en las baterías.
- Este valor es cercano a los 14,1 V, para una batería de plomo - ácido de 12 V nominales, trabajando a una temperatura aprox. de 25 °C.
- Voltaje de descarga final
- Es el voltaje con el cual se ha llegado al límite de descarga de la batería.
- La composición química de las baterías determina el nivel de este voltaje.
- Por debajo de este voltaje la batería entra en la zona de descarga profunda.
- Este valor es cercano a los 10,5 V, para una batería de plomo - ácido de 12 V nominales, trabajando a una temperatura aprox. de 25 °C.
- Envejecimiento
- Con el tiempo, todas las baterías pierden la capacidad de acumular carga, ya que con cada descarga se pierde algo del material activo.
- Sin embargo, la vida útil de las mismas puede ser prolongada si:
- Se las mantiene cargadas.
- No se sobrecargan ni descargan en exceso.
- Permanecen en un lugar que no sufre temperaturas extremas.
- No son sometidas a cortocircuitos.
- Se reemplaza el agua destilada que pierden.
- Si se tienen baterías de plomo – ácido con electrolito líquido en depósito por largo tiempo, se debe vigilar constantemente el estado de carga de las baterías.
- Es altamente recomendable alternar cada semana, la batería en depósito con otra unidad en uso.
- Inspección visual
- Es importante comprobar periódicamente que no haya daños en la caja o fugas de electrolito.
- Las baterías deberán mantenerse limpias y secas. Si hay electrolito, se deberá limpiar con una solución de bicarbonato de sodio.
- Limpiar y mantener ajustadas las conexiones de los cables.
- Los terminales deberán mantenerse libre de corrosión. De existir, los terminales se podrán limpiar con la solución de bicarbonato de sodio seguido por agua limpia y luego por un trapo seco.
EL REGULADOR
- El regulador de carga
- El regulador de carga es un dispositivo electrónico capaz de gestionar de manera correcta y eficaz la carga y descarga del banco de baterías, como así también prologar la vida útil del mismo.
- Las baterías deben ser protegidas de una descarga por debajo del nivel de tensión final de descarga (sulfatación) y una sobrecarga por encima del nivel final tensión de carga (hervor del electrolito) especificados por el fabricante.
- Por otro lado, se debe poder cargar las baterías de manera eficaz durante el reducido tiempo en que los paneles fotovoltaicos generan energía (duración del día solar promedio).
- Funciones del regulador
- Evita la descarga de las baterías a través de los paneles durante la noche, cuando el voltaje de salida del panel FV es nulo.
- Evita la sobre carga de las baterías, lo que acorta la vida útil de las mismas.
- Evita la sobre descarga de la batería, desconectando los consumos cuando el estado de carga de la batería es bajo.
- Provee el régimen de carga más apropiado para un dado tipo de acumulador.
- Mantiene abierto el circuito de carga si el voltaje de salida de los paneles es menor que el del banco de acumulación.
- Según el modelo, provee funciones auxiliares, como la del monitoreo del nivel de carga del banco de baterías, visualización de corriente de carga y descarga, voltaje en paneles y baterías, etc.
- Tipos de reguladores
- Regulador de carga enserie
- La acción de control toma lugar en serie con el circuito de carga, abriéndolo y cerrándolo intermitentemente, dependiendo del voltaje de batería.
- Cuando la tensión de la batería es la máxima especificada por el fabricante, el circuito se abre, aislando el banco de baterías.
- Durante la noche, el circuito de carga también permanece abierto, evitando que las baterías se descarguen a través de los mismos.
- Este modelo de regulador son los más utilizados en instalaciones solares fotovoltaicas.
- Regulador de carga en paralelo
- Estos fueron los primeros reguladores de carga.
- Cuando el voltaje de batería alcanza un valor considerado como el de carga completa, la corriente de los paneles es desviada a un circuito en paralelo, con un resistencia ficticia R (duma load, en inglés), que disipa en forma de calor, la energía eléctrica proporcionada por el bloque de generación.
- Tecnología actual
- Incorporan micro controladores con programas específicos, llamados algoritmos de carga los que tienen varios pasos (etapas).
- El algoritmo de carga permite diseñar un regulador de carga que ofrece una adaptación muy eficaz entre el estado de carga de la batería y el generador de carga.
- La utilización de electrónica de potencia y microprocesadores se traducen en un regulador de carga capaz de controlar corrientes de decenas de amperes, consumiendo solamente decenas de mA.
- Actualmente dos tecnologías dominan el mercado: PWM y MPPT.
- Consumo interno
- El regulador de carga está alimentado indirectamente por los paneles fotovoltaicos, ya que su alimentación es tomada directamente de las baterías.
- Sin embargo, la potencia que requiere este dispositivo representa sólo un pequeño porcentaje del valor de potencia que puede manejar (0,006%) el regulador.
- Algoritmo de carga
- El algoritmo de carga es el método por el cual el regulador de controla el voltaje y la intensidad de la corriente de carga de batería.
- Los fabricantes de baterías han desarrollado estos algoritmos de carga para optimizar este proceso.
- Dependiendo de la aplicación, estos algoritmos permiten una sustancial mejora en la vida útil de las baterías.
- El algoritmo de carga permite diseñar un regulador de carga que ofrece una adaptación muy eficaz entre el estado de carga de la batería y el generador de carga.
- Algoritmo de dos etapas
- Primera etapa (bulkcharge)
- Todos los diseños tienen en cuenta la necesidad de cargar al banco de baterías lo más rápido posible, ya que la duración del día solar promedio es limitada.
- En esta etapa se realiza la carga con la máxima corriente soportada por el sistema hasta alcanzar una tensión de referencia que corresponde al 80% de carga total de la batería (usualmente 14,4 V) .
- Debe tenerse en cuenta que los paneles solares no proporcionan una corriente constante durante el día, ya que el máximo valor sólo se alcanza cuando el sol llega al zenit.
- Segunda etapa (Absorptionstorage)
- Todos los fabricantes reconocen la necesidad de desacelerar el proceso de carga, cuando el estado de carga de la batería es lo suficientemente alto (80%).
- Alcanzado este valor se hace necesario disminuir paulatinamente el valor de la corriente de carga.
- Existen varias maneras de realizar esta disminución de corriente. Puede utilizarse una tensión de referencia constante (mayor a la de flotación) que causa una disminución de corriente al aumentar la tensión de la batería o puede utilizarse generadores de ancho de pulso variable (PWM).
- La duración de la segunda etapa está determinada por el algoritmo de carga y no por un voltaje de referencia. Puede ser por tiempo o por un mínimo de corriente de referencia.
- Finalización del proceso
- Los reguladores de carga de dos etapas ofrecen dos opciones al terminar la segunda etapa:
- Reinicio automático
- Cuando el valor del voltaje de batería decrece por debajo de un segundo voltaje de referencia, llamado voltaje de reinicio(re-starting voltaje, en inglés), el ciclo de dos etapas se repite automáticamente.
- Ecualización
- Como alternativa al reinicio automático, estos reguladores de carga ofrecen la posibilidad de elegir una tercera etapa: la de ecualización.
- Esta opción permite a los fabricantes de estos modelos considerarlos como reguladores de carga de tres etapas, aun cuando la etapa de ecualización no constituye una extensión del proceso de carga.
- Algoritmo de tres etapas
- La primera y segunda etapa es igual a los de dos etapas, pero se le agrega una tercera etapa, llamada de flotación.
- La ecualización en estos modelos se realiza de manera automática o manual, pero no forma parte del ciclo de carga de tres etapas.
- Tercera etapa (Floatingcharge)
- Cuando finaliza la segunda etapa y la batería está cargada, el regulador debe mantener la misma cargada, contrarrestando los efectos de la auto descarga.
- Una manera de realizar esta etapa es proporcionando constantemente la tensión de flote (aproximadamente 13,6 V).
- Esta forma es muy efectiva puesto que mantiene permanentemente la batería en su condición de carga plena.
- En la etapa de flotación, la batería puede continuar suministrando carga.
- En el caso de que las cargas consuman más corriente, el controlador no podrá mantener la carga flotante de la batería y saldrá de la etapa de flotación, retornando a la etapa de carga principal.
- Ecualización
- La ecualización es una opción que poseen los reguladores de carga cuyo fin es devolverle a las baterías su capacidad de almacenamiento, aumentar la eficiencia y extender la vida útil.
- El proceso de ecualización debe ser realizado en forma periódica, bajo inspección del usuario y siguiendo ciertas precauciones.
- Durante la ecualización, el voltaje aumenta por encima de la tensión de flotación al mismo tiempo que se controla la corriente que fluye hacia la batería, la cual no debe superar el 5% del tamaño de su capacidad.
- El ciclo de ecualización está limitado a un tiempo de entre 2 a 4 horas según las características del regulador de carga, aunque, de ser requerido, la ecualización puede ser interrumpida en cualquier momento sin causar ningún problema.
- Nunca deben ecualizarse baterías selladas tipo gel, níquel-cadmio, etc.
- Efectos de la ecualización
- La elevada tensión de ecualización provoca una carga vigorosa dentro de cada celda lo cual genera reacciones.
- Fuerza la recombinación con el electrolito del sulfato remanente en las placas convirtiéndose en ácido sulfúrico.
- Al mismo tiempo, el sulfato cristalizado que no se recombina se quiebra y se precipita hasta el fondo de la batería, limpiando las placas y exponiendo un plomo nuevo frente al electrolito.
- Ambos efectos contribuyen para recuperar la capacidad original de la batería.
- También se genera un burbujeo del electrolito lo que hace que se forme una mezcla pareja de ácido y agua evitando la estratificación.
- Cuándo ecualizar las baterías
- Es importante conocer las recomendaciones del fabricante sobre el tiempo y periodicidad de ecualización.
- Cómo regla general, es usual ecualizar las baterías cada 10 o 12 ciclos de descarga profunda.
- En el caso de baterías que se descargan y cargan más usualmente sin llegar a consumir toda su energía almacenada, la ecualización se aconseja hacerla cada 2 semanas.
- Para baterías de usos esporádicos lo habitual es de 2 a 3 ecualizaciones al año.
- Para baterías que se utilizan solo en una temporada del año, una ecualización al comienzo y otra al final de la temporada es lo aconsejable.
- Tipos de regulador
- Actualmente existen dos tecnologías de regulador de carga dominantes en el mercado: MPPT y PWM.
- ON/OFF (Prendido/Apagado)
- Estos reguladores fueron los primeros en utilizarse y actualmente fueron reemplazados por PWM y MPPT.
- Regulan el flujo de energía a la batería conmutando la corriente completamente. Este tipo de control se denomina "on/off“.
- PWM (Modulación por Ancho de Pulso)
- Regulan el flujo de energía a la batería reduciendo la corriente gradualmente utilizando la tecnología de modulación de ancho de pulso (PWM).
- Están construidos con una tecnología probada desde hace muchos años.
- Son controladores baratos.
- Están disponibles en tamaños de hasta 60 A.
- Tienen una vida útil larga, la mayoría tienen un sistema de disipación de calor pasiva.
- Estos controladores de carga están disponibles en muchos tamaños y para una gran variedad de aplicaciones.
- El voltaje nominal debe ser el mismo que el del banco de baterías.
- Trabajan en el punto de trabajo del panel fijado por la tensión del banco de baterías.
- MPPT (Seguidor de Punto de Máxima Potencia)
- Estos reguladores son capaces de trabajar en el punto de máxima potencia del panel solar independientemente de la tensión del banco de batería.
- Esto se traduce en un incremento de la eficiencia de carga de hasta un 30% (típicamente podemos considerar al menos el 15%).
- Estos controladores ofrecen la posibilidad de colocar paneles en serie a voltajes superiores al banco de baterías.
- Están disponibles en corrientes de hasta 80 A.
- Las garantías de los controladores de carga MPPT son típicamente mayores que en las unidades PWM.
- Ofrecen mayor sensibilidad para el crecimiento del sistema.
- Son más caros, costando a veces el doble que los PWM.
- Las unidades MPPT son generalmente más grandes en tamaño físico.
- Debe prestarse atención a los voltajes y potencia de los paneles en función de la temperatura y otras variables para un correcto dimensionamiento.
- Parámetros eléctricos
- Voltaje nominal
- El voltaje nominal del bloque generador determinará el voltaje nominal del regulador de carga.
- Los fabricantes proveen un margen de seguridad para la unidad, diseñándolos para soportar voltajes en exceso del valor nominal del sistema (+125% de la tensión de circuito abierto de los paneles).
- Los dos voltajes más popularizados son 12 V y 24 V, pero pueden conseguirse unidades que trabajan a mayores voltajes (múltiplos de 12).
- Máximo voltaje de entrada
- El sistema debe estar dimensionado de tal forma que el voltaje a la entrada del regulador (proveniente de los paneles) no debe ser mayor al máximo tolerado.
- La mayoría de los reguladores ofrecen una protección automática contra sobre-voltajes de entrada.
- Un excesivo sobre-voltaje, como el inducida por tormentas eléctricas puede no ser tolerado por la protección, teniendo que reemplazar el regulador de carga.
- Parámetros eléctricos
- Máxima corriente
- La máxima corriente que puede manejar el regulador será uno de los parámetros más importantes en su elección.
- En general, esta corriente será la máxima admitida proveniente de los paneles o la máxima provista a la carga de CC (en el caso de tener dicha salida).
- Estos dos valores son especificados por el fabricante en las especificaciones técnicas del regulador.
- Cómo regla general, la máxima corriente que debe poder manejar el regulador de carga debe ser un 25% superior a la máxima corriente del generador fotovoltaico o del consumo en continua si el regulador posee una salida de CC.
- Protecciones típicas
- Los reguladores de carga poseen protecciones que ayudan a proteger al dispositivo contra una mala instalación o un uso erróneo del mismo.
- Estas protecciones no pueden proteger al dispositivo en todos los casos, por lo que el usuario deberá siempre operar y conexionar con el mayor cuidado, respetando las polaridades y las recomendaciones del fabricante.
- Compensación de temperatura
- El voltaje de carga de una batería de plomo - ácido depende del estado de carga y de la temperatura del electrolito.
- Si en el lugar dónde se instalarán las baterías existen cambios importantes en la temperatura (lugares de gran amplitud térmica) es aconsejable el uso de un regulador de carga consenso de temperatura que permitirá compensar automáticamente el voltaje de carga en función de la temperatura.
- Si la temperatura ambiente es menor a 25 °C, la tensión de la batería aumenta y si es mayor de 25 °C disminuye.
- Por esta razón, si la temperatura aumenta, el voltaje de carga debe ser reducido para prevenir sobrecargas incrementarla cuando la temperatura descienda para prevenir sobre descargas.
- Esta compensación aplica para temperaturas por fuera del intervalo [10 °C – 30 °C]. Fuera de este intervalo el fabricante no considera necesaria tal compensación.
- La instalación de estos sensores puede realizarse en el borne negativo de la batería, ya que los bornes alcanzan la misma temperatura que el electrolito y en general, este borne está conectado a tierra brindando una mayor seguridad. Otros sensores se adhieren directamente a la carcasa plástica de la batería.
- Existen distintos tipos de sensores que pueden conectarse en un borne de batería a través de un terminal ojal o sobre la batería, mediante un adhesivo.
- El otro extremo del cable del sensor posee una ficha RJ11 o directamente el cableado como entrada al regulador de carga.
- En general, los sensores para estas aplicaciones tienen un rango de trabajo comprendido entre [-30 °C – 80 °C].
- Algunos reguladores directamente tienen el sensor de temperatura incorporado internamente, por lo que las baterías deben encontrarse en el mismo recinto que el regulador, de manera de encontrarse a la misma temperatura ambiente.
- Temperatura de trabajo
- Todos los componentes electrónicos se deterioran con el calor, lo que acorta la vida útil de los mismos.
- Al elegir un regulador de carga, este debe manejar el amperaje del sistema holgadamente, contribuyendo a disminuir el calor por disipación interna.
- Una adecuada ubicación del mismo, separado de al menos 10 cm de cada lado de otros componentes favorece la ventilación por convección del regulador.
- Evitar siempre el sol directo sobre la unidad.
- Conexionado y desconexión
- Proceso de conexionado (tierra en positivo):
- Primero se conectan todos los polos positivos.
- Luego se conecta la batería.
- Seguidamente, el panel.
- Por último, la carga.
- Proceso de desconexión:
- Primero se desconecta la carga.
- Luego se desconecta el panel.
- Seguidamente, la batería.
- Por último, los polos negativos.
EL INVERSOR
- El inversor
- La misión del inversor en las instalaciones autónomas domésticas es la de convertir la corriente continua de las baterías en corriente alterna como la de la red eléctrica (220 VRMS, 50 Hz), con el fin de que se puedan conectar a la misma electrodomésticos de los utilizados habitualmente en las viviendas.
- En algunos países como España o Estados Unidos, la energía generada por los paneles puede ser inyectada a la red.
- En este caso, el inversor debe proporcionar una corriente alterna que sea de las mismas características de la red eléctrica a la que está conectado, tanto en forma (sinodal) como en valor eficaz (220 V) y sobre todo en la frecuencia (50 Hz), ya que no se permiten prácticamente variaciones, con el fin de evitar perturbaciones sobre la red eléctrica de distribución.
- El inversor
- La introducción de cargas de corriente alterna (CA) en un sistema fotovoltaico para uso doméstico se debe, en general, a la inexistencia de un modelo adecuado para corriente continua (CC) del aparato requerido por el usuario.
- Los aparatos suelen ser electrodomésticos como lavarropas, secadoras de ropa, máquinas de coser, aspiradoras de pisos, para mencionar algunos de los más comunes.
- El bombeo de agua en pozos profundos requiere el uso de largos cables de alimentación.
- Para abaratar el costo y peso de los mismos es conveniente usar un motor de bombeo de mayor voltaje, como lo es el de CA.
- Voltaje y frecuencia
- Por razones históricas, el voltaje y la frecuencia de los sistemas de corriente alterna (CA) varían según el país.
- Los valores de voltaje (VRMS) suelen varía según el país entre 110V, 220V, 230V y 240V.
- La frecuencia (Hz) puede ser de 50Hz o 60Hz según el país.
- En la argentina, se utilizan sistemas de CA de 220 VRMS y 50 Hz.
- Parámetros eléctricos
- Potencia
- En las especificaciones técnicas de un inversor, los fabricantes dan dos valores para la potencia: un valor que corresponde a la potencia que el aparato puede manejar en forma continua, llamada potencia nominal y otro que corresponde al de la máxima potencia que toleran, durante un tiempo especificado, denominado potencia máxima.
- El parámetro eléctrico más importante es la máxima potencia de trabajo que el inversor puede manejar en forma continua y está dado por el valor de la potencia nominal continua.
- El inversor no siempre entregará la potencia nominal, ya que la potencia de salida depende de la temperatura ambiente, del tipo de carga y de transitorios de carga.
- Los fabricantes especifican esta potencia en [VA], es decir, en potencia aparente y no en potencia activa [W], por lo que deberá considerarse el Factor de Potencia (FP) de la instalación.
- Usualmente se utiliza la letra S para hacer referencia a la potencia aparente [VA] y la letra P para la activa [W].
- El valor de la potencia nominal medido en Watts será el especificado por el fabricante si la carga es resistiva pura y la temperatura es la especificada.
- Un electrodoméstico con un factor de potencia (FP) de 0,8 necesitará un 20% más de potencia en Watts, es decir, una carga inductiva de 1000W con factor de potencia 0.8, necesitará 1000 W/0,8 = 1250 VA de potencia del inversor.
- Transitorios
- En general, los inversores son capaces de entregar esta potencia extra por un tiempo de máximos que está entre 1 y 5 minutos.
- Por esta razón, el transitorio debe ser considerado en el momento de elegir un inversor, utilizando el parámetro de potencia máxima del inversor.
- Dependiendo de cuántos de ellos son accionados simultáneamente, el transitorio puede representar un incremento substancial en el valor de la potencia que el inversor debe entregar.
- Aparatos como la lavadora, heladera, licuadora, etc. poseen motores que al arrancar, generan picos de corriente(transitorios de línea) que son necesarios para generar el torque necesario de arranque.
- La duración máxima del transitorio varía entre un décimo de segundo y cerca de un minuto.
- Los modelos de inversores que toleran una mayor duración del transitorio, usan transformadores con núcleo de hierro, lo que incrementa el peso de estas unidades.
- Los que toleran tiempos más cortos (entre 0,1 y 1 segundo) utilizan transformadores con núcleo magnético cerámico, reduciéndose drásticamente su peso.
- Efectos de la temperatura ambiente
- La potencia de trabajo de un inversor está especificada para un determinado rango de temperatura ambiente.
- Esta capacidad disminuye al aumentar la temperatura ambiente, ya que el equipo no alcanza a transferir al exterior todo el calor generado internamente.
- Eficiencia de conversión
- La conversión de CC a CA se lleva a cabo con una eficiencia nominal que oscila entre el 75%y el 95%.
- Los valores porcentuales más elevados corresponden a los modelos que manejan un bajo valor de potencia debido a que consumo interno del circuito del inversor no crece proporcionalmente con el aumento de la potencia que éste puede manejar.
- Porcentualmente estas pérdidas representan un menor valor cuando la potencia que maneja el inversor se eleva.
- Los fabricantes proporcionan dos valores de eficiencia o rendimiento: La eficiencia máxima, y la eficiencia nominal, siendo esta última la utilizada en los cálculos de dimensionamiento.
- Consumo en reposo o stand By
- Cuando las cargas se desconectan del inversor, este detecta la falta de potencia conectada y apaga su salida, quedando a la espera de que alguna carga de CA se encienda para volver a activar su salida.
- Este estado se denomina reposo o (stand By, en inglés).
- Una vez en Stand By, los inversores utilizan en este estado el “modo search”, que es la emisión periódica de un pequeño pulso que busca a través de la red artefactos encendidos.
- El consumo necesario para generar estos pulsos es de 2 W, mientras que la potencia necesaria para generar 220 V sin carga es de 9 W.
- Corriente de entrada
- En un sistema FV de 12 VCC, el voltaje de salida del inversor (220 V) es 18,3 veces el voltaje de entrada.
- Si asumimos, por un momento, que no hay pérdidas de conversión, la corriente de entrada alcanzará un valor 18,3 veces mayor que la de salida.
- En la práctica, debido al consumo del circuito del inversor, la potencia de entrada es siempre mayor que la entregada a la carga, demandando un mayor valor para la corriente de entrada del inversor.
- Aún para consumos de CA relativamente bajos, la corriente de entrada del inversor puede alcanzar valores considerables.
- Si el estado de carga del banco de baterías es bajo su voltaje disminuye, forzando corrientes de entrada aún más elevadas.
- Voltaje de entrada
- Típicamente, los inversores funcionan con entradas de 12 V y 24 V, pero pueden encargarse al fabricante de 48 V.
- Según el modelo del inversor, el voltaje de entrada es fijo según el modelo, o de reconocimiento automático.
- Forma de onda del voltaje de salida
- La forma de onda ideal para un voltaje de CA es la sinusoidal.
- Los primeros inversores proporcionaban un voltaje de salida con forma de onda cuadrada, que debido al alto contenido armónico provocaba problemas de recepción (interferencias) en equipos de radio y TV, haciendo imposible su uso cuando se necesitaba conectar una computadora. Actualmente estos inversores han sido discontinuados.
- Con posterioridad aparecieron en el mercado modelos con una forma de onda de salida que representa una aproximación de la sinusoidal, la que recibe el nombre de “sinodal modificada”.
- Estos son los más utilizados en sistemas autónomos domésticos debido a su bajo costo y a que funcionan debidamente en la mayoría de artefactos eléctricos de CA.
- Los modelos más modernos son los que proporcionan una forma de onda sinusoidal a la salida, con un mínimo error para la frecuencia de línea y un precio mucho más elevado.
- Forma de onda sinodal modificada
- Artefactos que podrían no funcionar
- En ciertos casos, la utilización de este tipo de onda para la alimentación de artefactos eléctricos, puede hacer que los mismos funcionen erróneamente debido a su incompatibilidad con este tipo de onda.
- Algunos artefactos como TVs, DVDs, microondas, radio relojes, etc., pueden funcionar de manera errónea, adelantando o atrasando sus relojes.
- Para saber si un artefacto funcionará bien o no, lo recomendable es controlar durante 10 o 15 minutos la temperatura del mismo cuando este está siendo alimentado por una onda sinodal modificada y compararla con la temperatura que dicho artefacto alcanza cuando se lo alimenta con la red.
- En el caso de notar un aumento de temperatura por sobre la de operación normal, este debe ser desconectado inmediatamente. Y no utilizarse con este tipo de onda.
- No es recomendable utilizar un estabilizador de tensión con un inversor de este tipo, ya que el mismo puede elevar la tensión y quemar el artefacto eléctrico conectado.
- Medición de la salida del inversor
- El valor RMS no debe interpretarse como un valor promedio de la señal AC y su cálculo es complejo dependiendo a su vez de la forma con que dicha señal varia en el tiempo.
- Si se utiliza un multímetro común para realizar mediciones de tensión eficaz (RMS) a la salida de un inversor de onda sinodal modificada, el valor obtenido será erróneo.
- Esto se debe a que el multímetro supondrá que la salida es sinodal pura y en base a ello calculará el valor eficaz o RMS.
- Algunos de estos multímetros dan lecturas de entre 160 V y 180 V en vez de 220 V.
- El voltímetro o multímetro que nos dará una medición exacta es llamado de “valor real eficaz” o “True RMS”.
- En su mayoría, los instrumentos de medición no son True RMS por lo que para toda señal que no sea DC o perfectamente senoidal la medición será errónea.
- Protecciones típicas
- Al igual que los reguladores de carga, los inversores poseen protecciones que ayudan a proteger al equipo y a la instalación:
- Estado de carga de batería baja: Cuando la tensión de batería cae por debajo de la cota mínima (valor de voltaje final de descarga), el inversor corta la tensión de salida para proteger el banco de baterías.
- Estado de batería alta: Cuando la tensión de batería supera la cota máxima (mayor al valor de flotación) por un determinado tiempo, el inversor sale de servicio con el objeto de proteger a éste de voltajes de entrada excesivos.
- Exceso de temperatura: Si se ha superado la temperatura máxima admisible, e l inversor corta la tensión de salida con el fin de proteger el equipo.
- Sobrecarga y cortocircuito en la salida: Si la corriente en la carga supera el valor nominal por tiempos y valores determinados, el inversor desconectará la salida ya sea por sobrecarga o cortocircuito.
Diseño óptimo
- El mejor diseño para un sistema fotovoltaico es aquel que incorporando el menor número de paneles y baterías, satisfaciendo las condiciones impuestas por la carga eléctrica, con un determinado grado de confiabilidad para el sistema y al menor costo.
Confiabilidad
- El grado de confiabilidad es la relación entre el tiempo durante el cual el sistema fotovoltaico puede suplir los requerimientos de la carga y el tiempo en que el sistema debió proporcionar dicho servicio.
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- Para servicios críticos (refrigeración de medicamentos, equipos de telecomunicaciones, etc.), el grado de confiabilidad es cercano al 100%.
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- La carga en estos servicios permanece activa los 365 días del año, y en algunos sistemas durante todo el día.
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- Los servicios que no son críticos pueden tener un grado de confiabilidad menor (cerca del 90%).
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- Un valor de confiabilidad del 100% es un valor inalcanzable en la práctica, ya que siempre existirán fenómenos meteorológicos (vientos intensos, hielo, lluvias, rayos, etc.), así como desperfectos de componentes que impiden alcanzar el 100%.
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- Si un sistema alcanza un factor de confiabilidad del 99%, significa que sólo ha dejado de proveer servicio 4 días del año.
La carga en la confiabilidad
- La introducción de cargas no previstas en el diseño original disminuirá el grado de confiabilidad del sistema, ya que el equilibrio energético se verá afectado por el aumento del consumo.
-
La radiación en la confiabilidad
- Los días sin sol introducen un desbalance en la parte generadora que debe ser corregido incrementando su capacidad de reserva.
Confiabilidad y costo
- El costo de un sistema generador de energía eléctrica de cualquier tipo aumenta exponencialmente cuando el valor de la confiabilidad se incrementa.
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- El incremento en el costo es extremadamente rápido cuando el grado de confiabilidad se incrementa del 95% al 100%.
-
- En sistemas fotovoltaicos donde la carga debe ser abastecida las 24 horas del día, un aumento en el valor de la confiabilidad se traduce en un aumento de la capacidad del banco de reserva, ya que los días nublados exigen que la carga sea alimentada por la reserva.
- El número de baterías en el banco de reserva guarda una relación directa con el número de días sin radiación solar.
Diseño
- Los factores que determinan principalmente el diseño son: La radiación solar, el período o perfil del consumo, las características eléctricas de las cargas y las características de cada uno de los componentes elegidos.
-
- Los pasos enumerados a continuación no constituyen un esquema rígido, sino una guía para el diseño:
- Determinación del perfil de carga.
- Estimación del consumo.
- Estimación de pérdidas.
- Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles.
- Determinación de la tensión nominal de la instalación.
- Dimensionamiento del bloque generador.
- Dimensionamiento del banco de batería.
- Dimensionamiento del regulador de carga.
- Dimensionamiento del Inversor.
- Dimensionamiento de la sección del conductor.
-
- Muchas veces se debe volver pasos a atrás en la metodología de diseño y volver a re diseñar y recalcular diversos parámetros.
Determinación del perfil de carga
- El perfil de carga nos da información sobre la simultaneidad de los consumos y nos sirve para calcular los sistemas de acondicionamiento de potencia y de distribución.
- El perfil de carga determinará si el sistema tendrá o no un banco de baterías de reserva.
Perfil de consumo constante
- Este perfil es típico de aplicaciones como sistemas de alarma, señalización marina, señalización ferroviaria, repetidores de radio, estaciones meteorológicas, etc.
Perfil de consumo nocturno
- La variación de este consumo es inversamente proporcional a la duración del día, siendo en el invierno los consumos mayores que en verano.
- Este perfil es típico de aplicaciones de Iluminación, señalización de carreteras, carteles publicitarios, faros marinos, señalización de navegación aérea, etc.
Perfil de consumo diurno
- Un ejemplo característico es el de bombeo de agua. El perfil anual de este consumo es similar al de radiación solar, alta en verano y más bajo en invierno.
Perfil de consumo doméstico
- En éste caso concreto para hacer el perfil del consumo hay que tener en cuenta los hábitos del lugar estudiando en cada caso en concreto. Por lo tanto no se puede establecer una gráfica concreta.
Estimación del consumo
- El consumo diario de la carga, es la energía que consume la carga a los largo de un día.
Consumo energético de CC [Wh/día]
- Es la energía que consumen los artefactos de CC de manera diaria.
- Por ejemplo, si se tienen 5 lámparas LED de 10 W que se utilizan durante 6 horas al día, el consumo energético sería: 5 lámparas x 6 Horas x 10 W = 300 Wh/día.
Consumo energético de AC [Wh/día]
- Es la energía que consumen los artefactos de CA de manera diaria.
- Si se tienen 2 notebooks que consumen 50 W cada una y se utilizan durante 4 horas al día, el consumo energético será: 2 notebooks x 4 Horas x 50 W = 400 Wh/día.
- Energía total
- La energía total consumida por la carga es la suma de la energía consumida por los dispositivos de CC y la consumida por los dispositivos de CA.
- Por ejemplo, si se tienen 300 Wh/día de consumo de energía de CC y 400 Wh/día de consumo de energía de aparatos de CA, la energía total diaria será 300 Wh/día + 400 Wh/día = 700 Wh/día.
- La estimación de las horas de uso requiere un análisis de los hábitos de los integrantes del grupo familiar que utilizará el sistema tanto en invierno como en verano, ya que en estas dos estaciones varía el hábito de consumo.
- Los valores de potencia nominal dado por el fabricante de un dispositivo se encuentran impresos en una etiqueta metálica o grabados en el plástico de los dispositivos.
- Es importante destacar que las Heladeras y freezers funcionan normalmente 1/3 del tiempo, por lo tanto, si bien funcionan las 24 horas el tiempo real será 1/3 del total (8 horas).
Estimación de las pérdidas
- La energía a generarse por los paneles debe tomar en consideración las pérdidas de energía anticipadas en el sistema (cableado, control de carga, inversor y baterías).
- Estas pérdidas deben ser compensadas por el bloque generador.
- A continuación se enumeran las pérdidas energéticas a considerarse:
- ηB: Eficiencia debido al rendimiento de la batería que, típicamente puede oscilar entre 75% y un 90%.
-
- ηinv: Eficiencia debido al rendimiento del inversor utilizado (si lo hay), es decir, principalmente en instalaciones de 220 V. Los valores por defecto suelen oscilar entre el 85% y el 98%.
-
- ηR: Eficiencia debido al rendimiento del regulador empleado. Suele depender de la tecnología utilizada, pero si no se conoce, se escoge un valor por defecto del 90%.
-
- ηX: Eficiencia que contempla las pérdidas no contempladas:
- Temperatura.
- Pérdidas por dispersión de parámetros y suciedad.
- Las pérdidas por errores en el seguimiento del punto de máxima potencia.
- Cableado.
- En base a las eficiencias de cada componente, puede calcularse la eficiencia total del sistema (ηT):
-
- Un valor típico de eficiencia (ηT) en sistemas con inversor y batería es de 0,6. A efectos de cálculo y por simplicidad, suele utilizarse este valor.
-
- Esto implica que el bloque generador deberá generar un 40% más de energía para poder satisfacer el consumo de las cargas.
-
- Si se utilizase otro valor, deberá desglosarse los diferentes factores de pérdidas utilizados para su estimación.
-
- En un sistema mixto de CC y CA, se puede desglosar las eficiencias de continua y de alterna.
-
- Por ejemplo, la eficiencia ηinv debidas al inversor sólo deberían afectar a la potencia generada destinada a alimentar el consumo de CA.
-
- En caso de acoplo directo de cargas al generador (por ejemplo, una bomba), deberá hacerse un cálculo justificativo de las pérdidas por desacoplo del punto de máxima potencia.
-
- La eficiencia total del sistema desde el bloque generador hasta la salida del inversor se puede calcular como:
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
- Este dimensionamiento implica calcular la energía total necesaria a generar (considerando la estimación de pérdidas) y en base a la insolación del lugar, determinar la cantidad de paneles y la forma de conexión (serie y paralelo).
-
- El coeficiente ¥ es un factor de seguridad para afrontar la degradación de potencia y prestaciones de los diferentes componentes del sistema fotovoltaico.
-
- También se utiliza como margen para parámetros imponderables en el proceso de diseño.
-
- Usualmente se utiliza un valor ¥ = 1,1.
- Energía generada por un panel
- La energía diaria que entregará un panel dependerá del valor de insolación para un determinado lugar, de la inclinación de los paneles y del tipo de regulador de carga que se utilice (con o sin MPPT).
-
- La utilización de la Hora Solar Pico (HSP) facilita enormemente los cálculos de la energía producida por un panel.
- Regulador de carga con MPPT
- Si se utiliza un regulador de carga con MMPT, la energía diaria producida por un panel puede calcularse utilizando directamente la potencia pico del panel debido a que la tensión de los paneles es independiente de la de las baterías.
- En este caso (Vnp/Vp)=1
-
- Regulador de carga sin MPPT
- Si no se utiliza un regulador con seguimiento de punto de máxima potencia MPPT, deberá tenerse en cuenta que será entonces la batería la que marque la tensión del sistema.
- Para este caso se considera que la corriente que entrega el panel en el punto de trabajo impuesto por las baterías no varía significativamente respecto a la corriente en el punto de máxima potencia.
- Sin embargo, si se considerará la variación de tensión que existe entre la tensión de las baterías y la del panel en su punto de máxima potencia.
- Para el cálculo se pondera la potencia nominal (Wp) con el cociente entre la tensión nominal del panel y la tensión pico, dejando constante la corriente entregada por el mismo en el punto de máxima potencia.
Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles
- Los paneles con soporte fijo o automáticos con un grado de libertad, deben ir orientados al Sur si se instalarán en el hemisferio Norte y al Norte si se instalarán en el hemisferio Sur.
- El ángulo de inclinación de los soportes fijos se calcula para que maximice el ajuste entre la captación y la demanda de energía en la época del año de mayor consumo.
- De todas formas, puede utilizarse la corrección por el peor caso de insolación (Invierno) y elegir una inclinación en función de la latitud.
Determinación de la tensión nominal de la instalación
- La tensión de funcionamiento se puede determinar a partir de la potencia de la instalación, que lógicamente está relacionada con la energía consumida. Se suelen emplear las tensiones estándar: 12 V, 24 V, 48 V o 120 V.
-
- En general se recomienda:
- 12 V para potencias menores de 1,5 kW.
- 24 V o 48 V para potencias entre 1,5 kW y 5 kW.
- 48 V o 120 V para potencias mayores de 5 kW.
- Cantidad total de paneles (NTP)
- La cantidad total de paneles será la cantidad de paneles necesarios para poder abastecer a la carga.
-
- Cantidad de paneles en serie (NPS)
- La asociación de paneles en serie se hace con el fin de aumentar la tensión del bloque generador.
-
- Cantidad de paneles en paralelo (NPP)
- La asociación de paneles en paralelo se realiza con el fin de aumentar la capacidad de corriente del bloque generador una vez que la tensión nominal se alcanzó mediante la asociación de paneles en serie.
- Los valores de NTP, NPS y NPP se redondean por exceso, excepto si se aproximan mucho a las cifras por defecto.
Dimensionamiento del banco de baterías
- El banco de baterías deberá suministrar la energía requerida por la carga cuando no haya sol, o en días nublados.
-
- En el gráfico se muestra el proceso de carga/descarga para el banco de baterías que toma lugar durante dos días con plena radiación solar, durante tres días sin radiación solar, y al comienzo del período de recuperación, al retornar la radiación solar.
- El banco baterías debe soportar cuatro descargas consecutivas, pese a que son tres los días sin sol. Esto se debe a que el último día soleado terminó con la descarga nocturna del día.
-
- El período de recuperación dependerá del exceso de generación, así como de la ausencia de un nuevo período sin radiación solar mientras el banco de reserva se repone.
-
- En este ejemplo se asume:
- Que no se quiere sobrepasar el límite del 80% para la profundidad de descarga.
- Que el banco de baterías está dimensionado para tres días seguidos sin sol.
- Que los días nublados tienen radiación solar nula.
Cálculo de la capacidad del banco de batería
- El banco de baterías debe acumular la energía necesaria para alimentar la carga durante los días sin sol y durante la noche. Esta energía debe contemplar las pérdidas producidas por los diversos componentes.
- Para el cálculo de la capacidad del banco de baterías, se necesita definir principalmente los siguientes parámetros:
- Daut: Días de autonomía con baja o nula insolación.
- PDmax: Profundidad máxima de descarga de la batería, que vendría dada por el fabricante de las baterías; por defecto se escoge un valor del 60% o 80 %.
- ηD: Eficiencia de descarga: Debe contemplar la eficiencia de descarga de la batería, la eficiencia del inversor, la del regulador de carga en caso de que tenga salida de CC, pérdidas en cables, etc.; por defecto puede usarse un valor del 75%.
Dimensionamiento de las baterías
- El banco de baterías estará compuesto por una o varias baterías conectadas en serie y/o paralelo de manera de satisfacer los requerimientos del sistema, tanto en capacidad como en potencia.
- Cantidad total de baterías (NBT)
- La cantidad total de baterías será la cantidad de baterías necesarias para poder obtener la capacidad deseada.
-
- Cantidad de baterías en serie (NBS)
- La asociación de baterías en serie se hace con el fin de aumentar la tensión del bloque acumulador.
-
- Cantidad de baterías en paralelo (NBP)
- La asociación de baterías en paralelo se realiza con el fin de aumentar la corriente máxima del bloque acumulador.
- Existe una limitación en la cantidad de ramas en paralelo debido a las corrientes de ecualización. Normalmente la máxima cantidad de ramas en paralelo es de 4 o 5 dependiendo del fabricante.
-
- Cuando se tiene cargas que demandan mucha potencia [W] simultánea, éstas demandan una fuerte corriente [A] de las baterías.
- En algunos casos, pese a que la capacidad del banco de batería está bien dimensionada, se necesitan agregar más baterías en paralelo, sobredimensionando la capacidad total del banco, para poder satisfacer la demanda de corriente sin dañar las baterías.
Dimensionamiento del regulador de carga
- El regulador se conecta en serie con los paneles fotovoltaicos, por lo que circulará por él la corriente generada por ellos.
-
- Esta corriente estará determinada por la cantidad de paneles conectados en paralelo (NPP).
-
- Si el regulador tiene una salida para la carga de continua, esta corriente (Icarga_CC) también debe calcularse.
-
- Como regla de diseño, la corriente nominal del regulador se elige un 20% o 25% mayor a la corriente de cortocircuito (NPP .ICC) entregada por el bloque generador o el mayor valor de la corriente de carga de continua (Icarga_CC).
-
- De ser necesario, pueden utilizarse más reguladores que serán colocados por grupos de paneles.
-
Dimensionamiento del inversor
- La potencia del inversor vendrá determinada en función de la potencia de los aparatos de consumo de CA, el rendimiento del mismo inversor y la simultaneidad de uso de dichos aparatos.
-
- La tensión de entrada en el inversor de una instalación fotovoltaica no será siempre constante, por lo que el inversor debe ser capaz de transformar distintas tensiones continuas dentro de un determinado rango determinado por el estado de carga de las baterías.
- Para elegir la potencia nominal del inversor, debe tenerse en cuenta la potencia nominal de carga de CA sin los transitorios de arranque (Pcarga_CA), la eficiencia del mismo inversor y el factor de simultaneidad (FS) de la carga de CA.
- Como regla de diseño, la potencia nominal del inversor se elige un 25% mayor a la potencia aparente requerida por la carga CA de modo de contemplar posibles variaciones de temperatura, FP, cargas no previstas, etc.
-
- Para elegir el inversor debe utilizarse la potencia de salida (nominal) del mismo inversor_out.
-
- Para el dimensionamiento de los conductores y protecciones de CC de entrada debe utilizarse el valor de la potencia inversor_in.
-
- Factor de simultaneidad (FS)
- La potencia del inversor no se calcula para la suma de potencias de todos los aparatos de consumo instalados (potencia instalada), ya que no todos los elementos estarán encendidos de manera simultánea.
-
- Para tener en cuenta este hecho se aplica un factor de simultaneidad (FS), que representa la probabilidad de utilización simultánea de los aparatos de consumo de CA.
-
- El valor de este coeficiente resulta de una estimación debida a la experiencia o a una reglamentación .
Diseño óptimo
- El mejor diseño para un sistema fotovoltaico es aquel que incorporando el menor número de paneles y baterías, satisfaciendo las condiciones impuestas por la carga eléctrica, con un determinado grado de confiabilidad para el sistema y al menor costo.
Confiabilidad
- El grado de confiabilidad es la relación entre el tiempo durante el cual el sistema fotovoltaico puede suplir los requerimientos de la carga y el tiempo en que el sistema debió proporcionar dicho servicio.
-
- Para servicios críticos (refrigeración de medicamentos, equipos de telecomunicaciones, etc.), el grado de confiabilidad es cercano al 100%.
-
- La carga en estos servicios permanece activa los 365 días del año, y en algunos sistemas durante todo el día.
-
- Los servicios que no son críticos pueden tener un grado de confiabilidad menor (cerca del 90%).
-
- Un valor de confiabilidad del 100% es un valor inalcanzable en la práctica, ya que siempre existirán fenómenos meteorológicos (vientos intensos, hielo, lluvias, rayos, etc.), así como desperfectos de componentes que impiden alcanzar el 100%.
-
- Si un sistema alcanza un factor de confiabilidad del 99%, significa que sólo ha dejado de proveer servicio 4 días del año.
La carga en la confiabilidad
- La introducción de cargas no previstas en el diseño original disminuirá el grado de confiabilidad del sistema, ya que el equilibrio energético se verá afectado por el aumento del consumo.
-
La radiación en la confiabilidad
- Los días sin sol introducen un desbalance en la parte generadora que debe ser corregido incrementando su capacidad de reserva.
Confiabilidad y costo
- El costo de un sistema generador de energía eléctrica de cualquier tipo aumenta exponencialmente cuando el valor de la confiabilidad se incrementa.
-
- El incremento en el costo es extremadamente rápido cuando el grado de confiabilidad se incrementa del 95% al 100%.
-
- En sistemas fotovoltaicos donde la carga debe ser abastecida las 24 horas del día, un aumento en el valor de la confiabilidad se traduce en un aumento de la capacidad del banco de reserva, ya que los días nublados exigen que la carga sea alimentada por la reserva.
- El número de baterías en el banco de reserva guarda una relación directa con el número de días sin radiación solar.
Diseño
- Los factores que determinan principalmente el diseño son: La radiación solar, el período o perfil del consumo, las características eléctricas de las cargas y las características de cada uno de los componentes elegidos.
-
- Los pasos enumerados a continuación no constituyen un esquema rígido, sino una guía para el diseño:
- Determinación del perfil de carga.
- Estimación del consumo.
- Estimación de pérdidas.
- Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles.
- Determinación de la tensión nominal de la instalación.
- Dimensionamiento del bloque generador.
- Dimensionamiento del banco de batería.
- Dimensionamiento del regulador de carga.
- Dimensionamiento del Inversor.
- Dimensionamiento de la sección del conductor.
-
- Muchas veces se debe volver pasos a atrás en la metodología de diseño y volver a re diseñar y recalcular diversos parámetros.
Determinación del perfil de carga
- El perfil de carga nos da información sobre la simultaneidad de los consumos y nos sirve para calcular los sistemas de acondicionamiento de potencia y de distribución.
- El perfil de carga determinará si el sistema tendrá o no un banco de baterías de reserva.
Perfil de consumo constante
- Este perfil es típico de aplicaciones como sistemas de alarma, señalización marina, señalización ferroviaria, repetidores de radio, estaciones meteorológicas, etc.
Perfil de consumo nocturno
- La variación de este consumo es inversamente proporcional a la duración del día, siendo en el invierno los consumos mayores que en verano.
- Este perfil es típico de aplicaciones de Iluminación, señalización de carreteras, carteles publicitarios, faros marinos, señalización de navegación aérea, etc.
Perfil de consumo diurno
- Un ejemplo característico es el de bombeo de agua. El perfil anual de este consumo es similar al de radiación solar, alta en verano y más bajo en invierno.
Perfil de consumo doméstico
- En éste caso concreto para hacer el perfil del consumo hay que tener en cuenta los hábitos del lugar estudiando en cada caso en concreto. Por lo tanto no se puede establecer una gráfica concreta.
Estimación del consumo
- El consumo diario de la carga, es la energía que consume la carga a los largo de un día.
Consumo energético de CC [Wh/día]
- Es la energía que consumen los artefactos de CC de manera diaria.
- Por ejemplo, si se tienen 5 lámparas LED de 10 W que se utilizan durante 6 horas al día, el consumo energético sería: 5 lámparas x 6 Horas x 10 W = 300 Wh/día.
Consumo energético de AC [Wh/día]
- Es la energía que consumen los artefactos de CA de manera diaria.
- Si se tienen 2 notebooks que consumen 50 W cada una y se utilizan durante 4 horas al día, el consumo energético será: 2 notebooks x 4 Horas x 50 W = 400 Wh/día.
- Energía total
- La energía total consumida por la carga es la suma de la energía consumida por los dispositivos de CC y la consumida por los dispositivos de CA.
- Por ejemplo, si se tienen 300 Wh/día de consumo de energía de CC y 400 Wh/día de consumo de energía de aparatos de CA, la energía total diaria será 300 Wh/día + 400 Wh/día = 700 Wh/día.
- La estimación de las horas de uso requiere un análisis de los hábitos de los integrantes del grupo familiar que utilizará el sistema tanto en invierno como en verano, ya que en estas dos estaciones varía el hábito de consumo.
- Los valores de potencia nominal dado por el fabricante de un dispositivo se encuentran impresos en una etiqueta metálica o grabados en el plástico de los dispositivos.
- Es importante destacar que las Heladeras y freezers funcionan normalmente 1/3 del tiempo, por lo tanto, si bien funcionan las 24 horas el tiempo real será 1/3 del total (8 horas).
Estimación de las pérdidas
- La energía a generarse por los paneles debe tomar en consideración las pérdidas de energía anticipadas en el sistema (cableado, control de carga, inversor y baterías).
- Estas pérdidas deben ser compensadas por el bloque generador.
- A continuación se enumeran las pérdidas energéticas a considerarse:
- ηB: Eficiencia debido al rendimiento de la batería que, típicamente puede oscilar entre 75% y un 90%.
-
- ηinv: Eficiencia debido al rendimiento del inversor utilizado (si lo hay), es decir, principalmente en instalaciones de 220 V. Los valores por defecto suelen oscilar entre el 85% y el 98%.
-
- ηR: Eficiencia debido al rendimiento del regulador empleado. Suele depender de la tecnología utilizada, pero si no se conoce, se escoge un valor por defecto del 90%.
-
- ηX: Eficiencia que contempla las pérdidas no contempladas:
- Temperatura.
- Pérdidas por dispersión de parámetros y suciedad.
- Las pérdidas por errores en el seguimiento del punto de máxima potencia.
- Cableado.
- En base a las eficiencias de cada componente, puede calcularse la eficiencia total del sistema (ηT):
-
- Un valor típico de eficiencia (ηT) en sistemas con inversor y batería es de 0,6. A efectos de cálculo y por simplicidad, suele utilizarse este valor.
-
- Esto implica que el bloque generador deberá generar un 40% más de energía para poder satisfacer el consumo de las cargas.
-
- Si se utilizase otro valor, deberá desglosarse los diferentes factores de pérdidas utilizados para su estimación.
-
- En un sistema mixto de CC y CA, se puede desglosar las eficiencias de continua y de alterna.
-
- Por ejemplo, la eficiencia ηinv debidas al inversor sólo deberían afectar a la potencia generada destinada a alimentar el consumo de CA.
-
- En caso de acoplo directo de cargas al generador (por ejemplo, una bomba), deberá hacerse un cálculo justificativo de las pérdidas por desacoplo del punto de máxima potencia.
-
- La eficiencia total del sistema desde el bloque generador hasta la salida del inversor se puede calcular como:
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
- Este dimensionamiento implica calcular la energía total necesaria a generar (considerando la estimación de pérdidas) y en base a la insolación del lugar, determinar la cantidad de paneles y la forma de conexión (serie y paralelo).
-
- El coeficiente ¥ es un factor de seguridad para afrontar la degradación de potencia y prestaciones de los diferentes componentes del sistema fotovoltaico.
-
- También se utiliza como margen para parámetros imponderables en el proceso de diseño.
-
- Usualmente se utiliza un valor ¥ = 1,1.
- Energía generada por un panel
- La energía diaria que entregará un panel dependerá del valor de insolación para un determinado lugar, de la inclinación de los paneles y del tipo de regulador de carga que se utilice (con o sin MPPT).
-
- La utilización de la Hora Solar Pico (HSP) facilita enormemente los cálculos de la energía producida por un panel.
- Regulador de carga con MPPT
- Si se utiliza un regulador de carga con MMPT, la energía diaria producida por un panel puede calcularse utilizando directamente la potencia pico del panel debido a que la tensión de los paneles es independiente de la de las baterías.
- En este caso (Vnp/Vp)=1
-
- Regulador de carga sin MPPT
- Si no se utiliza un regulador con seguimiento de punto de máxima potencia MPPT, deberá tenerse en cuenta que será entonces la batería la que marque la tensión del sistema.
- Para este caso se considera que la corriente que entrega el panel en el punto de trabajo impuesto por las baterías no varía significativamente respecto a la corriente en el punto de máxima potencia.
- Sin embargo, si se considerará la variación de tensión que existe entre la tensión de las baterías y la del panel en su punto de máxima potencia.
- Para el cálculo se pondera la potencia nominal (Wp) con el cociente entre la tensión nominal del panel y la tensión pico, dejando constante la corriente entregada por el mismo en el punto de máxima potencia.
Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles
- Los paneles con soporte fijo o automáticos con un grado de libertad, deben ir orientados al Sur si se instalarán en el hemisferio Norte y al Norte si se instalarán en el hemisferio Sur.
- El ángulo de inclinación de los soportes fijos se calcula para que maximice el ajuste entre la captación y la demanda de energía en la época del año de mayor consumo.
- De todas formas, puede utilizarse la corrección por el peor caso de insolación (Invierno) y elegir una inclinación en función de la latitud.
Determinación de la tensión nominal de la instalación
- La tensión de funcionamiento se puede determinar a partir de la potencia de la instalación, que lógicamente está relacionada con la energía consumida. Se suelen emplear las tensiones estándar: 12 V, 24 V, 48 V o 120 V.
-
- En general se recomienda:
- 12 V para potencias menores de 1,5 kW.
- 24 V o 48 V para potencias entre 1,5 kW y 5 kW.
- 48 V o 120 V para potencias mayores de 5 kW.
- Cantidad total de paneles (NTP)
- La cantidad total de paneles será la cantidad de paneles necesarios para poder abastecer a la carga.
-
- Cantidad de paneles en serie (NPS)
- La asociación de paneles en serie se hace con el fin de aumentar la tensión del bloque generador.
-
- Cantidad de paneles en paralelo (NPP)
- La asociación de paneles en paralelo se realiza con el fin de aumentar la capacidad de corriente del bloque generador una vez que la tensión nominal se alcanzó mediante la asociación de paneles en serie.
- Los valores de NTP, NPS y NPP se redondean por exceso, excepto si se aproximan mucho a las cifras por defecto.
Dimensionamiento del banco de baterías
- El banco de baterías deberá suministrar la energía requerida por la carga cuando no haya sol, o en días nublados.
-
- En el gráfico se muestra el proceso de carga/descarga para el banco de baterías que toma lugar durante dos días con plena radiación solar, durante tres días sin radiación solar, y al comienzo del período de recuperación, al retornar la radiación solar.
- El banco baterías debe soportar cuatro descargas consecutivas, pese a que son tres los días sin sol. Esto se debe a que el último día soleado terminó con la descarga nocturna del día.
-
- El período de recuperación dependerá del exceso de generación, así como de la ausencia de un nuevo período sin radiación solar mientras el banco de reserva se repone.
-
- En este ejemplo se asume:
- Que no se quiere sobrepasar el límite del 80% para la profundidad de descarga.
- Que el banco de baterías está dimensionado para tres días seguidos sin sol.
- Que los días nublados tienen radiación solar nula.
Cálculo de la capacidad del banco de batería
- El banco de baterías debe acumular la energía necesaria para alimentar la carga durante los días sin sol y durante la noche. Esta energía debe contemplar las pérdidas producidas por los diversos componentes.
- Para el cálculo de la capacidad del banco de baterías, se necesita definir principalmente los siguientes parámetros:
- Daut: Días de autonomía con baja o nula insolación.
- PDmax: Profundidad máxima de descarga de la batería, que vendría dada por el fabricante de las baterías; por defecto se escoge un valor del 60% o 80 %.
- ηD: Eficiencia de descarga: Debe contemplar la eficiencia de descarga de la batería, la eficiencia del inversor, la del regulador de carga en caso de que tenga salida de CC, pérdidas en cables, etc.; por defecto puede usarse un valor del 75%.
Dimensionamiento de las baterías
- El banco de baterías estará compuesto por una o varias baterías conectadas en serie y/o paralelo de manera de satisfacer los requerimientos del sistema, tanto en capacidad como en potencia.
- Cantidad total de baterías (NBT)
- La cantidad total de baterías será la cantidad de baterías necesarias para poder obtener la capacidad deseada.
-
- Cantidad de baterías en serie (NBS)
- La asociación de baterías en serie se hace con el fin de aumentar la tensión del bloque acumulador.
-
- Cantidad de baterías en paralelo (NBP)
- La asociación de baterías en paralelo se realiza con el fin de aumentar la corriente máxima del bloque acumulador.
- Existe una limitación en la cantidad de ramas en paralelo debido a las corrientes de ecualización. Normalmente la máxima cantidad de ramas en paralelo es de 4 o 5 dependiendo del fabricante.
-
- Cuando se tiene cargas que demandan mucha potencia [W] simultánea, éstas demandan una fuerte corriente [A] de las baterías.
- En algunos casos, pese a que la capacidad del banco de batería está bien dimensionada, se necesitan agregar más baterías en paralelo, sobredimensionando la capacidad total del banco, para poder satisfacer la demanda de corriente sin dañar las baterías.
Dimensionamiento del regulador de carga
- El regulador se conecta en serie con los paneles fotovoltaicos, por lo que circulará por él la corriente generada por ellos.
-
- Esta corriente estará determinada por la cantidad de paneles conectados en paralelo (NPP).
-
- Si el regulador tiene una salida para la carga de continua, esta corriente (Icarga_CC) también debe calcularse.
-
- Como regla de diseño, la corriente nominal del regulador se elige un 20% o 25% mayor a la corriente de cortocircuito (NPP .ICC) entregada por el bloque generador o el mayor valor de la corriente de carga de continua (Icarga_CC).
-
- De ser necesario, pueden utilizarse más reguladores que serán colocados por grupos de paneles.
-
Dimensionamiento del inversor
- La potencia del inversor vendrá determinada en función de la potencia de los aparatos de consumo de CA, el rendimiento del mismo inversor y la simultaneidad de uso de dichos aparatos.
-
- La tensión de entrada en el inversor de una instalación fotovoltaica no será siempre constante, por lo que el inversor debe ser capaz de transformar distintas tensiones continuas dentro de un determinado rango determinado por el estado de carga de las baterías.
- Para elegir la potencia nominal del inversor, debe tenerse en cuenta la potencia nominal de carga de CA sin los transitorios de arranque (Pcarga_CA), la eficiencia del mismo inversor y el factor de simultaneidad (FS) de la carga de CA.
- Como regla de diseño, la potencia nominal del inversor se elige un 25% mayor a la potencia aparente requerida por la carga CA de modo de contemplar posibles variaciones de temperatura, FP, cargas no previstas, etc.
-
- Para elegir el inversor debe utilizarse la potencia de salida (nominal) del mismo inversor_out.
-
- Para el dimensionamiento de los conductores y protecciones de CC de entrada debe utilizarse el valor de la potencia inversor_in.
-
- Factor de simultaneidad (FS)
- La potencia del inversor no se calcula para la suma de potencias de todos los aparatos de consumo instalados (potencia instalada), ya que no todos los elementos estarán encendidos de manera simultánea.
-
- Para tener en cuenta este hecho se aplica un factor de simultaneidad (FS), que representa la probabilidad de utilización simultánea de los aparatos de consumo de CA.
-
- El valor de este coeficiente resulta de una estimación debida a la experiencia o a una reglamentación .
Enunciado
- Se desea alimentar una casa aislada de la red eléctrica mediante energía solar fotovoltaica.
- La misma se encuentra en la Provincia de Buenos Aires.
- La casa cuenta con los siguientes electrodomésticos:
- 5 luces de bajo consumo de 10 W.
- Un televisor de 20” de 75 W.
- Un decodificador digital de 30 W.
- Un refrigerador de 80 W.
- Una notebook de 40 W.
- No se prevé realizar una instalación de CC.
- Se requiere una alta confiabilidad del sistema en lo que respecta a días con baja irradiancia (nublados).
- Habitualmente los días nublados seguidos ocurren cada 15 días y el máximo número de días nublados consecutivos es de 3 días.
- Se utilizará un reguladores de carga con MPPT.
Estimación del consumo
Tabla de consumo de la casa para ambas estaciones:
- Cómo puede verse en la tabla anterior, el mayor consumo se da en Invierno.
Estimación de las pérdidas:
- Eficiencia de las baterías 80%
- Eficiencia del inversor 85%
- Eficiencia del regulador 95%
- Eficiencia por otras perdidas95%
- Temperatura
- Cableado
- Errores
Cálculo de eficiencia
- El bloque generador deberá generar 40% más de energía para compensar las pérdidas.
Ángulo de inclinación de los paneles
- La menor insolación se produce durante el mes de Junio. Cómo el mayor consumo ocurre también en invierno, se utilizará un ángulo de inclinación de |latitud| + 15°.
- Al ser el caso más desfavorable, esta configuración también funcionará a lo largo de todo el año.
Determinación de la tensión nominal de la instalación
- Si bien la demanda es menor a 1,5 kW, se utilizará una tensión nominal de 24 V para disminuir la corriente de la instalación de modo de reducir la sección de los conductores y las pérdidas.
- Por otro lado, los reguladores de carga y los inversores tienen el mismo costo sean de 12 V o 24 V.
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
- Debido al consumo de la carga [W], se deberán usar paneles que tengan la mayor potencia nominal (Wp) disponible tal que la cantidad necesaria sea un número par.
- Para el ejemplo se utilizará un panel de 85 Wp.
Energía diaria generada por un panel de 85Wp sin MPPT
- Para el cálculo se necesita conocer algunos parámetros climáticos del lugar, las Horas Solares Pico (HSP) , la potencia pico del panel (Wp) y la tensión pico (Vp).
- HSP = (3,68 kWh/m2/día)/(1 kW/m2) = 3,68h/día.
- Wp = 85 W; Vp = 17,4 V.
- Como el consumo máximo se da en invierno y la temperatura ambiente promedio no supera los 8 °C, puede utilizarse directamente el valor nominal de potencia de los paneles brindada por el fabricante.
- Esto puede hacerse debido a que la instalación se realizará con soportes al aire libre y en un lugar donde hay constantes brisas diurnas, por lo que la temperatura de trabajo se estima menor a 25 °C.
Energía extra de recuperación
- Se considera que los días nublados continuos ocurren cada 15 días, y que el máximo número de días consecutivos es de 3 días.
Cantidad de paneles
Verificación por temperatura
- Si bien el consumo máximo ocurre en invierno, en verano se producen mayores temperaturas de trabajo, por lo que la eficiencia de los paneles solares disminuye.
- Por esta razón se debe recalcular la potencia generada por el bloque generador contemplando el aumento de temperatura en verano.
- La máxima temperatura ambiente de verano es de Ta = 32 °C, pero debido al nivel de radiación en verano y a la ventilación generada por el viento, la temperatura de trabajo de los paneles se puede estimar como: T = Ta + 20 °C = 32 °C + 20 °C = 52 °C
- La insolación promedio de verano (5,48 kWh/m2/día) para la inclinación calculada anteriormente (maximizada para el invierno), por lo que se puede calcular la energía que producirán los 12 paneles de 85 Wp cómo:
- Dónde ΔT = T – 25 °C = 52 °C – 25 °C = 27 °C es el incremento por sobre los 25 °C y Cd es el valor porcentual del coeficiente de degradación a usarse (típicamente 0,8%/°C).
- Realizando el mismo cálculo para el invierno se tiene:
- Pese a una pérdida de eficiencia de más del 20%, los 4382 Wh/día generados en verano son superiores a los 3753,6 Wh/día generados en invierno por los mismos paneles y la misma inclinación, por lo que el sistema funcionará sin problemas durante todo el año.
Dimensionamiento del banco de baterías
- Para el cálculo de la capacidad del banco de baterías, se necesita definir los siguientes parámetros:
- Daut: Días de autonomía con baja o nula insolación = 3 días (4 noches).
- PDmax: Profundidad máxima de descarga de la batería = 80%.
- ηBD: Eficiencia de descarga de batería = 90%.
- Para el banco de baterías, se utilizarán baterías de libre mantenimiento de 12 V y 220 Ah nominal.
Cantidad total de baterías:
Cantidad de baterías en paralelo:
Máxima corriente de carga y descarga del banco de baterías
- A continuación, se calculará la corriente máxima de carga C5 y de descarga C20 para el banco de baterías calculado.
Dimensionamiento del regulador de carga
Aspectos importantes de los reguladores MPPT
- La potencia del generador fotovoltaico puede exceder la máxima potencia de entrada del mismo. En este caso, el regulador limitará dicha potencia, proporcionando la corriente nominal máxima especificada por el fabricante. El dispositivo no sufrirá ningún daño.
- Estos reguladores permiten funcionar con una tensión de entrada mayor a la del banco de baterías. El mismo funcionará de manera más eficiente al aumentar la tensión de entrada. Sin embargo, nunca debe excederse la máxima tensión de entrada (Voc) especificada por el fabricante ya que se dañará el dispositivo.
- El mínimo voltaje de máxima potencia del arreglo (Vp) compensado por temperatura debería estar por encima el máximo voltaje de batería para que una recarga efectiva ocurra.
Consideraciones importantes
- Los niveles de radiación máximos diarios son típicamente menores que las condiciones estándar (STC) nominales de los paneles fotovoltaicos.
- Inclinación, acimut, la hora del día o del año, tiempo, el clima, el polvo, la contaminación y otros son factores que reducen la potencia de salida del arreglo dejando parte de la capacidad del regulador sin utilizar.
- El aprovechamiento de energía durante períodos de menor producción (días nublados) es a menudo más valioso que durante los períodos en que el arreglos solar puede operar al 100% de su capacidad (día soleado).
- Los reguladores MPPT tienen su punto de máxima eficiencia al trabajar en potencias cercanas a las nominales.
- Como el costo de los reguladores se incrementa con la potencia nominal del mismo, dimensionar un regulador en base a la potencia pico del generador conlleva un gasto innecesario.
Exceder la potencia nominal de un controlador MPPT tiene las siguientes ventajas:
- Mejor producción en las mañanas y en las tardes del día.
- Operación a la máxima potencia nominal del controlador obteniendo todo el potencial de carga del controlador MPPT con mayor frecuencia.
- Mejor producción durante períodos de baja insolación (días nublados).
- Niveles de corriente de carga más consistentes (gracias a la operación del regulador en niveles máximos).
- Típicamente, se utiliza un Ratio de Potencia (RP) = 0,9 (RP = Potencia Nominal del Regulador / Potencia Pico del Generador).
Para el dimensionamiento del regulador de carga, es necesario tener en cuenta la potencia pico del generador fotovoltaico y la tensión nominal del banco de baterías:
- Tensión nominal del banco de baterías: 24 V.
- Potencia pico del generador fotovoltaico: 1.020 Wp (12 x 85 Wp).
- Tensión de circuito abierto de los paneles fotovoltaicos: 21,7 V.
Por lo tanto, se utilizará un regulador MPPT de 45A nominal y 1200 Wp de potencia nominal, funcionando con un banco de baterías de 24 V nominal.
Configuración del generador fotovoltaico
- Se utilizarán 3 ramas en paralelo de 4 paneles en serie, de modo que la tensión de entrada de los mismos, siempre se encuentre por encima de la del banco de baterías a plena carga.
- La máxima tensión de cada arreglo de 4 paneles en serie puede calcularse como:
Para este caso, la máxima tensión de entrada no excede la máxima tensión de entrada del regulador de carga especificada por el fabricante (150 V).
Máxima corriente de carga y descarga del banco de batería
- Máxima corriente entregada por el banco
- El consumo de potencia total de la carga estará dado por la suma de potencia (nominal) de todos los componentes eléctricos en régimen permanente y tiene un valor de 275 W.
- Para determinar la corriente de descarga de la batería, deberá tenerse en cuenta la eficiencia del inversor ηinv, la potencia activa de la carga de CA [W] y un margen de seguridad del 25%:
- El valor del Factor de Potencia (FP) se debe principalmente a los balastros de las lámparas de bajo consumo y al motor de la heladera.
- Máxima corriente de carga
- La máxima corriente de carga podrá calcularse en base a la potencia nominal del regulador para un banco de baterías de 24 V.
- En este caso, ni la corriente de carga ni la de descarga superan los valores de C20 y C5 del banco de baterías respectivamente.
Dimensionamiento del inversor
- Las lámparas de bajo consumo especifican su potencia en (W), siendo esta su potencia activa. Lo mismo pasa con la heladera. Debido a esto se utiliza un FP de 0,8.
-
- Debido al tamaño de la instalación y las características de la misma, se utilizará un FS igual a 1, ya que es muy probable que todos los aparatos estén encendidos al mismo tiempo.
- Para este ejemplo, se utilizará un inversor de senoidal modificada de 24 V.
- Para potencias menores a 1000 VA, los fabricantes suelen ofrecen inversores de 24 V de entrada a pedido.
- La potencia nominal de la heladera es de 80 W y durante el arranque del motor de la misma tendrá picos de corriente 8 veces mayores a los nominales.
- La corriente máxima de pico que se consumirá se puede calcular como:
- El fabricante especifica que el inversor puede entregar una corriente máxima de 11 A durante un minuto, que es mayor a los 3,8 A pico necesarios.
- El inversor que se elijará para esta potencia será un Inversor de 24 – 600 de 600 VA.
- 12 paneles de 85 Wp.
- 1 regulador de carga de 45 A nominal con MPPT.
- Inversor de 24V y 600 VA.
- 4 baterías de 220 Ah.
Estructuras de Anclaje
- Los paneles se ubicarán con las estructuras correspondientes sobre una plataforma de hormigón.
- Cada estructura puede alojar 4 paneles de 85 Wp (Total = 3 estructuras).
En instalaciones realizadas sobre terreno, el costo de las estructuras soporte puede estimarse como el 25%del costo total de los paneles.