Dimensionamiento de una instalación fotovoltaica para generación de electricidad

Pasos prácticos para dimensionar un sistema y pronosticar producción

9 de enero de 2018

David E Tipping

Ingeniero de proyectos
tippingdavide@gmail.com

Del dimensionamiento resultan las especificaciones de los componentes, la disposición de los mismos y pronósticos de la producción eléctrica a lo largo de la vida operativa de la instalación.

La tecnología fotovoltaica – Una fuente de electricidad fiable

Recordamos la sequía que golpeó a Colombia en 2016 provocada por la condición meteorológica del Niño. El agua en los embalses hidroeléctricos bajó tanto que las centrales no pudieron generar electricidad para responder a la demanda. El gobierno estuvo a punto a iniciar un programa de racionamiento.

¿Cómo responder a este fenómeno que afecta a Colombia cada 5 o 6 años? Una solución sería reducir la dependencia de la hidráulica con la puesta en marcha de centrales eléctricas alimentadas con petróleo o gas. No obstante, estas generadoras emitirían el gas CO2, la causa principal del calentamiento global, con impactos negativos en el medio ambiente.  Una alternativa que ha despertado interés en Colombia es la tecnología fotovoltaica que permite la generación de energía eléctrica a través de paneles solares. Por ejemplo, desde el inicio de 2017, la empresa Celsia viene instalando sistemas en centros comerciales impulsado por los incentivos del Decreto 2143 del 4 de noviembre de 2015 y el Decreto 348 del 1 de marzo de 2017 para inversiones en el sector de energías renovables.

La experiencia a nivel mundial ha demostrado la fiabilidad de la tecnología fotovoltaica para el hogar, centros comerciales y la industria. Hoy en día, los sistemas tienen una vida operativa que excede los 25 años. No obstante, para asegurarse un rendimiento máximo para las condiciones de la superficie disponible, es aconsejable dimensionar el sistema. El dimensionamiento tiene como objetivo identificar las especificaciones técnicas de los componentes y su configuración en el sitio considerado.

A continuación, resumimos las etapas de conceptualización. Además, consideramos las características de la energía fotovoltaica y las medidas que se pueden poner en práctica para que haya suministro de electricidad siempre que se necesite.

Destinamos este documento a individuos, promotores e inversionistas interesados en informarse sobre los elementos para tener en cuenta al evaluar la factibilidad de un proyecto fotovoltaico. Por lo tanto, presentamos una reseña de

  • Los componentes principales de una instalación fotovoltaica
  • El procedimiento para calcular el potencial energético en un sitio
  • La modelización para identificar la configuración de componentes idóneos para las condiciones
  • Características para tener en cuenta durante el dimensionamiento.

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Componentes principales de un sistema

Paneles fotovoltaicos

La mayoría de paneles fotovoltaicos comercializados son constituidos por cristales de células de sillico cristalino que transforman la energía térmica de los rayos solares en una carga eléctrica. Este fenómeno ocasiona la producción de una corriente (I) cuando haya una tensión (V) entre la extremidades del panel. La potencia eléctrica (P) es el producto de la corriente y la tensión

P = I.V

Por un nivel de irradiación dado, el panel genera una corriente que varia según la tensión a la que se le somete. Entonces, se busca sujetar el panel a una tensión para que la potencia (P) sea maximizada.

Un panel solar no produce suficiente electricidad para uso práctico. Por lo tanto, un sistema está constituido por una agrupación de paneles conectados entre sí en paralelo y en serie. El dimensionamiento tiene como objetivo identificar la agrupación que maximice la potencia. Por lo tanto, se utilizan dos principios eléctricos:

  • Cuando los paneles están conectados en serie, la tensión de la cadena es la suma de la tensión de cada panel mientras que la corriente es igual para todos los paneles.
  • Cuando los paneles están conectados en paralelo, la tensión de cada panel es igual pero la corriente del sistema es la suma de la corrientes que pasan por cada cadena.

 

Por consiguiente, el objetivo principal del dimensionamiento es establecer la disposición de paneles sobre la superficie disponible para maximizar el rendimiento. En otros términos, determinar el numero idóneo de paneles por cadena para obtener una potencia máxima.

Inversores

Aunque la disposición identificada sea una con capacidad productiva optimizada, es necesario convertir la corriente continua en corriente alterna para la utilización directa en equipos eléctricos o para inyección en la red eléctrica, por lo que se conectan los paneles a uno o múltiples inversores.

En segundo lugar, el inversor  posee una segunda función que es la de ajustar la tensión operacional del sistema con el fin de mantener la potencia al  máximo.  Si se mantiene la tensión constante, la evolución de la irradiación solar incidente sobre los paneles durante el día ocasiona variaciones en la corriente . Por lo tanto, la generación eléctrica cambia

Para mantener la potencia constante, los inversores están conformados por dispositivos informáticos que monitorean la potencia producida. El aparato induce continuamente pequeñas perturbaciones de tensión en el sistema y compara la potencia con la registrada durante la perturbación anterior. Si la potencia se incrementa, se ajusta la tensión a la que corresponde a la nueva perturbación. Este sistema de monitoreo se llama seguimiento de máxima potencia (MPP por sus siglas en ingles).

Etapas del dimensionamiento

El propósito del dimensionamiento es diseñar un sistema que optimice la producción eléctrica teniendo en cuenta la irradiación solar sobre el sitio, los costos de los componentes, la superficie disponible para la instalación, y las previsiones de demanda eléctrica. Hoy en día se conceptualizan sistemas con programas informáticos puesto que permiten simular la producción de instalaciones con pocos clics en el teclado del computador. Ejemplos de programas ampliamente utilizados a nivel mundial son PVsyst (www.pvsyst.com) y HelioScope (www.helioscope.com).

Etapas principales de dimensionamiento

Fuente: Elaboración propia

Aspectos a tener en cuenta

Sombreado

La sombra sobre los paneles disminuye significativamente la corriente producida en las células afectadas. En consecuencia, restringe la potencia eléctrica que pasa por todos los paneles en la cadena. Resulta una producción eléctrica severamente impactada. Además, la corriente de las células que recibe el sol pasa por las células sombreados y, por lo tanto, induce una caída en las mismos. Esto puede ocasionar sobrecalentamiento y, por lo tanto, daños a las células.

La solución es desviar la corriente para evitar que transite por las células sombreadas. Se le logra con la instalación de dispositivos eléctricos, diodos de protección. Entonces cuando la intensidad solar sobre un panel disminuye a un nivel dado, los diodos accionan para efectivamente aislar el panel impactado de la cadena. Aunque el modulo deja de contribuir a la generación eléctrica del sistema, lo importante es que los otros paneles continúen funcionando.

Manejo de la demanda con la producción

La producción energética de un sistema fotovoltaico depende del nivel de irradiación solar incidente sobre los paneles. Asimismo, la generación aumenta por la mañana a medida que el sol sube, alcanza un máximo en la tarde y desciende a medida que se acerca el anochecer. La evolución de la producción al transcurso del día generalmente no coincide con la demanda. Por ejemplo, en el hogar, las necesidades energéticas bajan en la tarde y, en seguida aumentan en la noche. Por lo tanto, la instalación produce un exceso de energía en la tarde y nada durante la noche. Para responder a la demanda se presentan dos soluciones:

  • La instalación de baterías que permitan almacenar electricidad en periodos cuando hay un exceso de producción electrica Ejemplos de proveedores de baterías son Tesla (www.tesla.com/powerwall) y Sonnen (sonnenbatterie.de/de/home).
  • La conexión del sistema fotovoltaico a la red eléctrica. En las horas valle de demanda se inyecta el exceso de producción en la red. En las horas pico de demanda, se recurre al proveedor normal que suple las necesidades por la red. En Colombia desde el Decreto 348 del primero de marzo de 2017 se permite la conexión así de pequeñas generadoras de capacidad hasta de 100 k W y, también las generadoras fotovoltaicas. El Decreto también prevé un sistema de créditos por los excedentes vertidos a la red que está por establecer.

El dimensionamiento de una instalación comercial muestra los pasos

Consideremos la instalación de un sistema fotovoltaico en el techo de un centro comercial. Para asegurarnos de que tengamos electricidad en las horas que no haya producción suficiente y ofrecernos la oportunidad de vender los excedentes, dimensionemos un sistema conectado a la red.

Seguimos los pasos presentados anteriormente, iniciamos el dimensionamiento con el calculo de la irradiación solar sobre el techo del edificio. La superficie disponible es de 380 m2. A partir de las coordinadas de latitud y longitud, se obtiene la irradiación solar promedia diaria cada mes del año.

Irradiación solar sobre el techo del inmueble

Consideremos las configuraciones de tipos de paneles e inversores dentro del aplicativo informático. La modelización con el programa permite simular la producción eléctrica para cada configuración constituida por componentes de especificaciones contempladas. Comparemos diferentes disposiciones para identificar el sistema idóneo . La tabla a continuación ilustra el sistema seleccionado.

Capacidad generadora

A partir de una simulación de la generación del sistema seleccionado, calculamos una producción anual de 68,84 MWh lo que sería aparentemente suficiente para suplir las necesidades energéticas de un centro comercial pequeño, sin embargo, como se puede apreciar en la gráfica, la producción varía según el día del año y la hora del día, resultaría necesario recurrir a la red en los periodos donde la demanda excede la producción.

El Dimensionamiento permite optimizar el diseño de un sistema

El ejemplo demuestra los pasos para dimensionar un sistema constituido por componentes que optimice la producción. Gracias a la disponibilidad de datos de irradiación solar, múltiples proveedores de componentes fiables y la modelización, es posible calcular con precisión la electricidad pronosticada de modelización durante un periodo en exceso de 25 años.

El autor

David Tipping es ingeniero de proyectos con M.Sc. Management of Technology, Imperial College, Reino Unido y Magister de Energías Renovables de la Universidad Europea, España. Ha ejercido 28 años como ingeniero en Europa, África, Rusia y América Latina. Actualmente, se dedica a fomentar la implementación de renovables para la generación de energía

1 Comment

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