Cálculo de instalación solar fotovoltaica autónoma

201608_diagrama_instalacion_1200

Por José Pérez de Lama

Próximamente, con Miguel Ángel López, desarrollador de la impresora 3D p-minfab, y el equipo del Fab Lab Sevilla, queremos montar una instalación de demostración con paneles fotovoltaicos que generen la energía necesaria para hacer funcionar la impresora de forma más ecológica/renovable.

Sigue un diseño y cálculo más o menos amateur de la la instalación, que de momento pensamos implementar con productos de fácil acceso y fabricación española para que sea sencilla de reproducir. El diseño y cálculo de la instalación  se ha hecho siguiendo las instrucciones publicadas en diversas webs con criterios de open source, cuyas urls se indican al final de este post [nota 0].

El objetivo para fases siguientes erá el de poder fabricar localmente parte de los componentes de la instalación, además de la propia impresora, que se ha montado en el propio fab lab, según el diseño de M.A. López.

Componentes de la instalación

Una instalación de este tipo consta de (1) los paneles fotovoltaicos que captan la energía solar y la transforman en energía eléctrica, (2) un regulador, dispositivo electrónico que modula la energía recibida en los paneles y la envía, bien a una batería para su almacenamiento y posterior utilización, bien a los dispositivos que vayan a consumir la energía directamente, en nuestro caso la p-minifab, (3) la batería para almacenar la energía, por ejemplo, si ésta se capta durante el día y se fuese a usar durante la noche, y (4) un inversor, dispositivo que transforma la corriente continua de 12V o 24V voltaje al que sería producida por una instalación pequeña como ésta, en corriente alterna a 220-230V, si fuera a ser suministrada a dispositivos convencionales. Finalmente, estarían los dispositivos que van a utilizar la energía captada, en nuestro caso, como ya se ha dicho, la impresora 3D.

Cálculo de la instalación

0/ Estimación de las necesidades (demanda) de energía

En el presente caso es relativamente sencillo, pues sólo pretendemos alimentar la impresora. Según la estimación del desarrollador su consumo en funcionamiento es de 60W. Dado que es un consumo relativamente bajo, veremos que cabría considerar montar dos impresoras en la instalación. La estimación es que se vaya a usar -en la demostración – durante un período de 6 a 8 horas. El consumo (Wh) será por tanto

60W * 8h = 480 Wh

Esta cantidad se puede mayorar por seguridad aplicando un coeficiente de rendimiento de la instalación de 0.9, con lo que obtendríamos una energía necesaria para el cálculo de:

480 / 0.9 = 533 Wh

1/ Producción de energía de los paneles fotovoltaicos; cálculo del número de paneles

1.1/ La capacidad de generación de los paneles fotovoltaicos se mide habitualmente en W-pico (potencia pico) que es la potencia (_W) que produciría el panel con una irradiación de 1.000 W/m2 (más detalles en: https://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_pico).

1.2/ La energía captada dependerá no obstante de la radiación específica del sitio y fecha en que se vaya a montar la instalación. En nuestro caso concreto se va a calcular para el 30 de septiembre en Sevilla (Lat 37N 5E).

Los valores de la radiación pueden obtenerse de diferentes fuentes en la web. En concreto se han comparado los valores teóricos que calcula http://www.pveducation.org/pvcdrom/calculation-of-solar-insolation, con los datos observados por la Agencia Andaluza de la Energía (https://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/Radiacion/radiacion3.php) y los estimados en la web de la Comisión Europea http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php.

Tomando los datos de la Agencia Andaluza de a energía se obtiene que el valor medio de la radiación para el 30 de septiembre, día de cálculo, para una superficie inclinada 45º y orientada al sur, entre la salida y la puesta de sol es de 5 kWh/m2 (mediana 5.7 kWh/m2). Este sería el valor total de la energía recibida a lo largo del día por metro cuadrado. Tomaremos este dato como referencia de contraste para el cálculo que se hará con otra web.

Por criterios varios se van a usar paneles de 100W-pico ultraligeros de la marca Xunzel.

Para calcular la energía se usa la aplicación de la web de la Unión Europea. Ésta da un valor de 6.42 Kwh/m2/día de energía recibida sobre una superficie de 45 grados para el mes de septiembre (algo superior al valor de la AEA), y para un panel de 100 W-pico  estima una producción de electricidad de 458.00 Wh / día. El sistema de cálculo aplica algunas reducciones por rendimiento típico de las instalaciones. (El panel elegido tiene una superficie de 0.624 m2).

Si instalamos dos paneles tendremos entonces una producción diaria (para el 30Sep)de 916 Wh según la estimación de la herramienta de la UE.

Cómo habíamos visto la energía necesaria para hacer funcionar una impresora 3D durante 8 horas era de 533 Wh, por lo que tendríamos la posibilidad de conectar dos impresoras (1066 Wh) con los dos paneles, aunque no podrían estar funcionando las dos durante 8 horas.

En el caso de que la energía se suministrara a las impresoras a 220V, lo que supondría utilizar un inversor para transformar la corriente, habría que aplicar un coeficiente de rendimiento del inversor de 0.9 (la energía que se pierde en la transformación), con lo que tendríamos:

para una impresora funcionando ocho horas: 533 Wh / 0.9 = 592 Wh

para dos impresoras: 1188 Wh, lo que supondría tener que reducir más el tiempo de uso de una de las dos impresoras.

Vemos entonces, de momento, que los dos paneles nos podrían servir para alimentar las dos impresoras, y que sería preferible hacerlo a 12V.

2/ Cálculo del regulador

Para el cálculo del regulador es necesario determinar 3 parámetros, como son, el voltaje al que funcionará el sistema (que será de 12V), y las intensidades de la corriente de entrada y de salida del regulador.

La intensidad de entrada vendrá determinada por la potencia de los paneles y el voltaje.

A = W / V;

200 W (dos paneles en serie) / 12 V = 16.67 A

  • Cabe señalar que el valor de la intensidad máxima de los paneles elegidos que parece en la hoja de datos (Impp corriente de potencia máxima) 5.68 A

Se recomienda aplicar un coeficiente de seguridad de 1.25, con lo que obtendríamos un valor de cálculo de:

16.67 * 1.25 = 20.83 A

La intensidad de salida será la correspondiente a las impresoras:

120 W / 12V = 10 A, con lo que tomamos el valor superior de la entrada.

Los reguladores se especifican con V/A; viendo los reguladores disponibles de la marca Xunzel selecciono el de 12V/20A – que quizás esté algo justo[?]

3/ Cálculo de las baterías / sistema de acumulación

El sistema de acumulación se dimensiona en función de la energía que se vaya a utilizar y los días que se estime que se necesite tener de reserva – por ejemplo en una vivienda para prevenir los días sin sol y para el uso nocturno. Las baterías se especifican en Amperios * hora (Ah).
* Conviene recordar que al hacer la instalación, lo primero que hay que conectar es la batería. Y lo última que hay que desconectar es también la batería.

Para el cálculo se usa la siguiente fórmula:

Capacidad de la batería = (energía necesaria/día * días de autonomía) / (voltaje * profundidad de descarga de la batería)

La profundidad de descarga oscila entre 0.5 y 0.8. Un valor normal puede ser 0.6.

Si fuéramos a alimentar las impresoras en corriente continua a 12V tendríamos lo siguiente y sólo para un día:

(1066 Wh (dos impresoras) * 1) / (12V * 0.6) = 148.06 Ah

  • Vimos que en realidad el consumo máximo en a la fecha de estudio sólo podrá ser de 916 Wh que es la energía que proporcionarán los paneles.

Viendo los modelos disponibles en Xunzel se podría elegir una batería Ah 210/240.

Si quisiéramos garantizar la autonomía para tres días saldría lógicamente una batería mucho mayor

(1066 * 3) / (12 *0.6) = 444.17 Ah

En el caso de que la fuésemos a alimentar a 220V en corriente alterna tendríamos lo siguiente (incluyendo la mayoración del consumo por el rendimiento del inversor); para un sólo día:

(1184 * 1) / (220 * 0.6) = 8.97 Ah

para tres días:

(1184 * 3) / (220 * 0.6) = 26.90 Ah

4/ Cálculo del inversor

Si decidiéramos alimentar las impresoras en corriente continua a 220V necesitaríamos un inversor.

La potencia del convertidor de CC/AC la tendremos que elegir en función de la suma de todas las potencias nominales de los equipos consumidores, multiplicada por el coeficiente de simultaneidad de uso de estos. (normalmente valores que van de 0,5-0,7).

Potencia: 120 W
Simultaneidad: 1
Potencia inversor = 120 W * 1 = 120W

En el catálogo de Xunzel: Inversor MJ 12V (300W)

Resumen de componentes del sistema

Como resumen de lo hasta ahora expuesto una posible configuración podría ser la siguiente:

  • Circuito general a 12V
  • Dos impresoras (60W) funcionando en torno a 14 h (suma de las horas de funcionamiento de las dos) durante un día; alimentadas a 12V.
  • Dos paneles solares de 100 Wp (SolarPower HD (ultrafinos)
  • Un regulador de 12V/20A
  • Una batería de 210/240Ah
  • Estructura  para colocación de paneles y equipos
  • Material auxiliar

En esta configuración prescindiríamos del inversor.

La instalación no sería particularmente eficiente pero tendrá el interés de plantear el aspecto de la energía en el ciclo de fabricación digital, y esperemos que pueda dar lugar en el futuro próximo a otros desarrollos de mayor interés.

Nota final

Si algún lector observa errores o cuestiones que puedan resolverse mejor, se agradecerá que lo pudiera comentar.

Referencias usadas para el diseño y el cálculo (con agradecimientos):

Para el cálculo de la radiación:

Para el diseño y cálculo del sistema:

Xunzel:

 

 

 

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