CALCULO INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AISLADA DE LA RED (OFF-GRID) PART 2 (CAMPO FOTOVOLTAICO: ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN )

Ejemplo campo fotovoltaico

Una vez tengamos definidos los consumos y la energía real diaria, podemos diseñar la instalación.

En nuestro caso, comenzaremos con el campo fotovoltaico (paneles solares), aunque se puede comenzar por el almacenamiento (baterías) del mismo modo.

Previamente a definir la potencia del campo fotovoltaico, se calculará la inclinación y orientación optimas, así como las Horas Sol Pico (HSP). Estos datos nos servirán para calcular dicha potencia o nº de módulos.

CONCEPTOS BÁSICOS.

En primer lugar, debemos de conocer los siguientes conceptos básicos para la ejecución de estos cálculos:

Ángulo de inclinación β: Ángulo que forma la superficie de los módulos con el plano horizontal (figura 1). Su valor es 0°para módulos horizontales y 90° para verticales.

Ángulo de azimut α: Ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano del lugar (figura 2). Valores típicos son 0° para módulos orientados al sur, –90°para módulos orientados al este y +90° para módulos orientados al oeste.

Figura 1

Figura 2

Una superficie recibe la mayor cantidad posible de energía si es perpendicular a la dirección del Sol. Como la posición del Sol varía a lo largo del día, la posición óptima de la superficie también tendrá que ser variable.

Figura 3

Declinación (δ): Es el ángulo que forma el plano del ecuador de la Tierra con la línea situada en el plano de la eclíptica, que une los centros del Sol y de la Tierra (figura 3). Este ángulo varía a lo largo de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, alcanzando valores máximos en los solsticios de verano (declinación máxima positiva, δ = 23,45º) e invierno (declinación máxima negativa, δ = –23,45º) y valores nulos en los equinoccios (declinación nula, δ = 0º). Aunque la declinación varía se puede suponer que permanece constante a lo largo de un día.

La expresión de la declinación para un determinado día se calcula con la expresión:

Figura 4

Para situar la posición del sol en el cielo se utiliza el concepto de esfera celeste, que es una esfera imaginaria de radio arbitrario, centrada en el observador, sobre la que se proyecta la posición del Sol (figura 4). Cada punto de esta esfera celeste es una dirección en el cielo vista desde la tierra.

Este sistema de representación muestra las posiciones del Sol como si tuviera un movimiento aparente alrededor de la Tierra siguiendo una trayectoria dentro del plano de la eclíptica que forma un ángulo de 23,45 grados con el ecuador de la esfera celeste. El Sol recorre la eclíptica una vez al año y la esfera celeste gira una vez al día en torno a la tierra.

En el sistema de coordenadas de la esfera celeste, que es similar al usado para definir la longitud y latitud terrestres, se especifica la posición del sol mediante dos ángulos que se denominan elevación y acimut (figura 4).

Figura 5

Estas coordenadas solares se definen respecto a la dirección vertical que es la dirección que marcaría una plomada, que apuntando hacia abajo, se dirigiría hacia el centro de la Tierra y hacia arriba interceptaría a la esfera celeste en un punto denominado cenit (figura 5). La intersección con el hemisferio opuesto de la esfera celeste definiría el punto opuesto al cenit denominado nadir. Las definiciones de las coordenadas solares son:

Figura 6

• Elevación solar γs: es el ángulo que forman los rayos solares con la horizontal (figuras 5 y 6). Toma valores que van de (90º – φ – δ) en el solsticio de invierno a (90º – φ + δ) en el solsticio de verano, siendo φ la latitud del lugar y δ la declinación.
• Acimut solar ψs: ángulo formado por el meridiano del sol y el meridiano del lugar,tomando como referencia el Sur en el hemisferio norte y el Norte en el hemisferio sur (figuras 5 y 7). Tiene valores positivos de 0 a 180º hacia el Oeste y negativos de 0 a –180º hacia el Este.



Figura 7

• Ángulo o distancia cenital θzs: ángulo formado por la dirección del sol y la vertical. Es el ángulo complementario de la elevación solar (figura 5).

Figura 8

La figura 8 representa las trayectorias aparentes del sol en los solsticios de verano e invierno y en los equinoccios de primavera y otoño, respecto de un observador que mira al Sur. El resto del año, el Sol sigue trayectorias intermedias entre las representadas. La elevación solar alcanza en los solsticios de verano e invierno sus valores

máximo y mínimo, respectivamente. En la figura 8 se ha marcado la posición del Sol a una hora determinada (10AM). El observador porta un plano en el que se reflejan las diferentes trayectorias anuales del Sol. Este plano recibe el nombre de carta solar. (Fuente: Instalaciones Solares ud1)

ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DEL CAMPO FOTOVOLTAICO

Una vez descritas las coordenadas que nos permiten situar el Sol en el cielo, hay que situar la superficie del generador fotovoltaico de manera que reciba la mayor cantidad posible de energía solar. Esto depende de varios factores:

• La orientación de la superficie del generador fotovoltaico.
• La inclinación de dicha superficie.
• Los consumos a lo largo del año: anual, de fin de semana, vacaciones, etc..,  

La orientación de un generador fotovoltaico se define mediante coordenadas angulares,

similares a las utilizadas para definir la posición del Sol:

figura 9

• Ángulo de acimut (α): ángulo que forma la proyección sobre el plano horizontal de la perpendicular a la superficie del generador y la dirección Sur (figura 9). Vale 0º si coincide con la orientación Sur, es positivo hacia el Oeste y negativo hacia el Este. Si coincide con el Este su valor es –90º y si coincide con el Oeste su valor es +90º.
• Ángulo de inclinación (β): ángulo que forma la superficie del generador con el plano horizontal (figura 10). Su valor es 0º si el módulo se coloca horizontal y 90º si se coloca vertical.

figura 10

Una superficie recibe la mayor cantidad posible de energía si es perpendicular a la dirección del Sol. Como la posición del Sol varía a lo largo del día, la posición óptima de la superficie también tendrá que ser variable. Veamos cómo es esa variación.

figura 11

Hemos definido la declinación (δ) como el ángulo variable que forma el ecuador con el plano de la eclíptica. Por lo tanto la dirección de la radiación solar incidente sobre la tierra varía en función de la declinación. La latitud (φ) de un lugar A (figura 11) indica el ángulo que forma la vertical de ese lugar con el ecuador. Por lo tanto, a lo largo del año el ángulo cenital θzs que forma la vertical de un lugar A con la dirección de la radiación solar varía desde θzs = φ – δ en el solsticio de verano a θzs = φ + δ en el solsticio de invierno, pasando dos veces por el valor θzs = φ en los equinoccios del año.

Por lo tanto, para que una superficie reciba la radiación solar perpendicularmente (figura 12) tendremos que inclinar la superficie un ángulo β con la horizontal igual al que forma la vertical del lugar con la radiación solar. Tendremos que variar el ángulo de inclinación desde β = φ – δ en el solsticio de verano (figura 12.c) a β = φ + δ en el solsticio de invierno (figura 12.a ), pasando por el valor β = φ en los equinoccios (figura 12.b).

figura 12

Aunque hay generadores fotovoltaicos que son capaces de seguir la trayectoria solar, lo habitual es que la superficie del generador sea de orientación fija. La orientación óptima será un valor constante, con una inclinación (β) que va a depender de la latitud φ del lugar y un acimut (α) que depende del hemisferio en el que está situado el generador.

La figura 13 muestra una superficie situada en el hemisferio norte, donde el Sol sigue una trayectoria Este-Sur-Oeste. Si pretendemos maximizar la captación de energía solar, la superficie tendrá que estar orientada hacia el Sur y por lo tanto el ángulo de acimut (α) debe ser nulo. El acimut óptimo para que una superficie fija reciba la mayor cantidad posible de energía solar debe ser cero (α = 0º) , la superficie se debe orientar hacia el Sur si está situada en el hemisferio norte o hacia el Norte si es está en el hemisferio sur.

Para determinar la inclinación óptima de una superficie fija se usa una fórmula basada en análisis estadísticos de radiación solar anual sobre superficies con diferentes inclinaciones situadas en lugares de diferentes latitudes, que proporciona la inclinación óptima en función de la latitud del lugar:

βopt = 3,7 + 0,69 · |φ|           βopt: ángulo de inclinación óptima (grados)

                                            φ|: latitud del lugar, sin signo (grados)

La fórmula es válida para aplicaciones de utilización anual que busquen la máxima captación de energía solar a lo largo del año. (Fuente: Instalaciones Solares ud1)

CALCULO INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AISLADA DE LA RED (OFF-GRID) PART 1 (CONSUMOS Y ENERGIA)

Para realizar un calculo de una instalación fotovoltaica aislada de la red, lo primero que debemos conocer es las necesidades energéticas de la vivienda o lugar. Es decir, el consumo eléctrico que tiene la vivienda.
En una vivienda normal los consumos son aproximadamente como refleja la siguiente tabla:

Fuente: IDAE

Según se observa en este dibujo, la iluminación, el frigorífico y el televisor son los puntos que más debemos de tener en cuenta, pues, más de la mitad de la energía será consumida por estos.

Cálculo de consumos 

En una vivienda o cualquier tipo de edificación los consumos eléctricos pueden dividirse en 2 apartados.

• Iluminación: La iluminación puede representar entre el 15 y el 20 % de la demanda de electricidad. Cuanto más eficiente sean los aparatos de iluminación menos necesidades energéticas tendremos.

Así pues, una bombilla incandescente, puede consumir 10 veces más que una de led.

En la tabla adjunta se muestran las equivalencias de distintos tipos de bombillas:

Fuente: www.iluminaciondeled.com

Como puede observarse, los ahorros energéticos pueden ser muy importantes, por lo que se recomienda, que en toda instalación solar, sean utilizadas lamparas de muy bajo consumo.

• Aparatos: Como hemos visto en el primer dibujo, hay algunos elementos que no tienen porque funcionar con electricidad, y otros que, necesariamente son eléctricos.

Comencemos a desglosar por importancia y por necesidad eléctrica:
Frigorífico: Es una de los aparatos fundamentales, y, aunque los hay que funcionan a gas.  Creo que deben ser usados los eléctricos con alta eficiencia (Clase A++), por comodidad y menor riesgo para el hogar.
Televisor: Aparato que existe en la inmensa mayoría de los hogares.
Computador: Aparato que existe en gran cantidad de hogares.
Lavadora: Aparato cada día mas extendido.
Microondas.
Pequeños electrodomésticos: licuadora, tostadora, cargador móvil, etc...
Existen una serie de electrodomésticos que no se deben colocar en una instalación fotovoltaica aislada, a no ser que contemos con energía auxiliar (generador diésel o gasolina). Esto son lo siguientes:
Cocina vitrocerámica: Es un electrodoméstico de muy alto consumo. Puede acabar con la batería en muy poco tiempo, restando mucha energía para el resto de los consumos. Recomendable cocinar con gas o a leña, según la zona geográfica y disponibilidad.
Termo eléctrico para agua caliente: Suelen llevar resistencias de mas de 1000 watios, lo cual encarece la instalación y nos quita mucha autonomía de batería.
Horno eléctrico: Lo mismo que la vitrocerámica. Evitar a toda costa.
Aire acondicionado: Gran consumo. Mejor usar ventilador de bajo consumo. No instalar esta aparato si queremos que nuestra instalación tenga un precio asequible.
Calefacción eléctrica: No instalar este aparato, puede ser la peor inversión en una instalación off-grid.
Secadora: Solo si tenemos apoyo de generador.
Lavavajillas: Este aparato es opcional, si se instala, procurar su uso con moderación.
Bombas: Las bombas suelen tener un potente motor, que va a perjudicar por sus altos picos de potencia al resto de aparatos, además de provocar grandes picos de descarga en batería, lo cual no nos va a beneficiar. Se recomienda poner un bombeo solar, si el uso de la bomba es imprescindible.
Otros: Cualquier aparato de consumos superiores a 200-300 w, deberíamos plantear si es necesario o tenemos alguna alternativa.
 A continuación se ofrece una tabla con valores orientativos de los distintos aparatos:

Una vez tengamos claro los aparatos a utilizar y conozcamos su potencia, debemos estimar las horas de funcionamiento diario, semanal y a lo largo del año.
En primer lugar debemos de identificar nuestros consumos diarios, para conocer la energía diaria que necesitaremos en el peor de los casos.
En la siguiente tabla se muestra un ejemplo de como calcular el consumo diario:

En la tabla de definición de consumos, utilizamos la descripción del aparato, las unidades y la potencia en Watios de cada unidad. Además, tendremos que estimar las horas que se usa cada consumo al día. 
Nota: Si no tenemos la potencia (P) y tenemos la intensidad (I) en Amperios, bastará con multiplicar la intensidad por la tensión (V) para obtener la potencia  (W=I*V*cos phi), donde cos phi=1.
Seguidamente, deberemos de identificar la tensión que queremos para nuestros consumos. Es decir si queremos alimentarnos con corriente alterna (AC) o con corriente continua (DC). 
Si los consumos son muy pequeños, solamente de iluminación y poco más, se puede alimentar el sistema con corriente continua, no teniendo la necesidad de incorporar un inversor u ondulador DC/AC. Cabe añadir, que estos sistemas tienen mayores pérdidas, necesitan de mayor grosor de cableado, y tienen mayor riesgo para las personas.
Si los consumos son diarios y van más allá de la iluminación, será conveniente elegir un sistema con corriente alterna, conforme a la tensión del país donde nos encontremos (110-230 V/AC).
El rendimiento de los aparatos, va a depender de su eficiencia. Normalmente los electrodomésticos están clasificados de la A a la G. Por lo general el rendimiento estará entre el 85 y el 95 %.

Al final obtendremos una energía teórica diaria, que se obtiene de multiplicar las unidades por la potencia, por las horas/día y por el rendimiento.
Esta energía teórica, deberá multiplicarse por un factor de corrección  que explicaremos a continuación, obteniendo la energía real diaria que necesita nuestro sistema.
Calculo de rendimiento
El rendimiento de la instalación, nos va a permitir calcular la energía real diaria, mediante la obtención de un coeficiente corrector en % sobre la energía teórica. También se suele llamar "performance ratio", y es un coeficiente que se obtiene de estimar todas las perdidas posibles. Existen multitud de variables a considerar para la estimación del rendimiento de la instalación. Al tratarse de instalaciones aisladas, y para simplificar los cálculos, yo suelo utilizar las siguientes variables:

• Coeficiente perdidas en batería: Son las perdidas ocasionadas en el proceso de carga y descarga de la propia batería.(+- 5 %).
• Coeficiente autodescarga batería: Son las perdidas de la batería en reposo.(+- 0,5 %).
• Profundidad de descarga batería: Se trata del nivel de descarga a la que sometemos a la batería, a menor profundidad de descarga mayor rendimiento.(Entre el 50 y el 80 %).
• Coeficiente perdidas conversión DC/AC: Son las perdidas ocasionadas por el inversor u ondulador, que dependerán de la eficiencia de este equipo (Entre el 5 y el 8 %).
• Coeficiente perdidas cableado: Estas perdidas dependerán de la longitud y de la sección de los cables. Habrá que dedicar un post completo a este tema, pero como norma general, podemos aplicar un 5 %.
• Autonomía del sistema: Se trata del tiempo de autonomía que dotaremos a nuestra bateria. A mayor tiempo, bateria de mayor capacidad y mas fiabilidad del sistema. Para instalaciones sin apoyo de generador auxiliar, la autonomía deberá ser entre 3 y 5 días. Para instalaciones con apoyo de generador entre 1 y 3 días.

Existen muchas variables, como las perdidas por sombras, por suciedad, por alvedo, etc... que no considero oportuno, por el momento, tenerlos en cuenta. Mas adelante se intentará hacer un post explicando estas otras variables.
También existen otras variables que si vamos a tener en cuenta, en lo referente a módulos y reguladores, pero en el momento de efectuar estos cálculos.
Con estas variables, obtenemos un rendimiento general en %, resultado de restar estas perdidas sobre un 100 %.
En la tabla adjunta, mostramos un ejemplo de como se calcula el rendimiento general:

Como se observa, obtenemos un rendimiento del 81 %, que dividido por la energía teórica, no dará la energía real diaria. (ver tabla anterior)

Ahora, necesitamos conocer los consumos semanales, mensuales y anuales.
Si nuestra vivienda o consumo, es de fin de semana, deberemos de calcular 3 días sobre 7. Si es de uso vacacional, navidades-semana santa-verano, deberemos tener en cuenta los días de ocupación semanal y mensual. Se trata, en resumen de obtener una cifra de energía mensual y anual, que nos servirá para calcular nuestras necesidades de almacenamiento, de potencia máxima, y de campo fotovoltaico.
A mi, personalmente, me gusta ponerle un porcentaje (en %) de ocupación mensual. 
Se que no es la forma más exacta, pero suficiente para una instalación aislada básica.
Como ejemplo, pongo una vivienda con uso vacacional y de fin de semana:

Como se observa, cada mes tiene un porcentaje distinto de ocupación, dependiendo del uso que se le vaya a dar.
Con estos porcentajes podemos obtener una media diaria por meses. Datos que nos servirán para cálculos posteriores.
Continuamos con el ejemplo:

Este cuadro, nos está indicando que nuestras mayores necesidades de energía son los meses de julio y agosto. Dato que nos servirá para calcular la inclinación mas optima de la instalación y las horas sol pico (HSP), además de la capacidad de almacenamiento (baterías).

INSTALACIONES SOLARES AISLADAS DE LA RED- INTRODUCCIÓN

Como queda patente en el post anterior, quedan muchos millones de habitantes en el planeta sin acceso a la electricidad.
Según mi parecer, una buena parte de esta masa poblacional, se abastecerá, en un futuro no muy lejano, de energía solar para producirse su electricidad.
¿Porque?

• Porque las compañías eléctricas (grandes oligopolios en general) no les llevarán sus redes a la mayor parte de esta población. Pues, en la mayoría de los casos, son núcleos diseminados y de baja renta, con lo cual los costes de las infraestructuras, su transporte y mantenimiento no serán rentables. Y los distintos gobiernos, mayormente, no apoyan al ciudadano, sino a estas grandes corporaciones.
• Porque las personas desean comunicarse y emitir-recibir información (internet, TV, etc...) y esto no es posible sin la electricidad.
• Porque hay necesidad, y cada vez mayor, de poder conservar alimentos (refrigerados o congelados) y esto no se puede llevar a cabo de una forma asequible sin la electricidad.
• Porque el conocimiento y la cultura, cada día se mueve más por la red, y a ese conocimiento es muy difícil acceder sin electricidad.
• Porque el precio de una instalación solar ha bajado de manera significativa, pudiendo acceder a estos sistemas rentas mas bajas, que, hace pocos años no se lo podían permitir.
• Porque la fabricación y distribución de los materiales necesarios para una instalación solar, a aumentado considerablemente. Estando al alcance de un mayor nº de personas y en cualquier parte del mundo.
• Porque la tecnología, junto a la fabricación de componentes y las economías de escala, avanzan más rápido que los políticos y los grandes oligopolios energéticos. Y hoy en día ya comienza a ser mas barato la electricidad generada por una instalación solar que la energía suministrada por estas compañías.
• Porque, gracias a la sociedad de la comunicación, la gente es mas difícil de influenciar y manipular, y estas formas de procurarse energía, así como muchas otras, triunfarán por si mismas.
• Porque la sociedad, se preocupa, cada vez mas, por el medio ambiente que le rodea, y estas personas, que en su mayoría viven en la naturaleza,no desean la destrucción de su hábitat, Y toda forma que generar energía que sea respetuosa con su hábitat será bienvenida.

"La energía es el elemento fundacional de la vida y como fundamento de la economía y del desarrollo social es el principal dinamizador de la evolución humana. El hombre, cuya riqueza y calidad de vida van ligadas directamente a la utilización de los recursos energéticos ha avanzado, sin embargo, en la dirección equivocada. La utilización casi exclusiva de fuentes de energía no renovables, como los combustibles fósiles, le ha embarcado en una guerra ecológica contra fuerzas, que lejos de ser enemigas constituyen la base fundamental de la vida humana.
El efecto invernadero, la contaminación del agua y del aire, el agujero en la capa de ozono, la deforestación, la desertización, el incontrolable crecimiento de población y la consiguiente pobreza son los efectos de una política energética cuyos presupuestos y prácticas están llevando al planeta al borde de la extinción.
La autodestrucción colectiva sólo es inevitable si en un plazo de tiempo muy corto se cambian los recursos energéticos tradicionales por otros inagotables e inocuos como la energía solar. Esto implica necesariamente un cambio global en la estrategia tanto política como económica que venza resistencias y prejuicios para impulsar un modelo nuevo."

Texto traducido de la sinopsis de la obra Estrategia Solar de Hermann Scheer.

Dicho esto, vamos a abordar, que es una instalación fotovoltaica aislada de la red.
Una instalación fotovoltaica aislada de la red consta, en general, de los siguientes elementos:

• Sistema de generación: Paneles solares fotovoltaicos y estructura de sustentación.
• Sistema de almacenamiento: Batería.
• Sistema de regulación: Regulador.
• Sistema de conversión corriente continua-alterna (CC-AC): Inversor u ondulador (opcional)
• Sistema de protección para personas y equipos: Fusibles, magnetos, diferenciales, etc..
• Sistema de cableado: Interconexión de sistemas y distribución a consumos.

Opcionalmente a este esquema básico se pueden añadir:

• Sistema de generación eólica: Mini-aerogenerador.
• Sistema de generación hidráulica: Mini-turbina.
• Sistema auxiliar de generación: Generador diesel y gasolina. 

También para el calentamiento del agua, no por menos importante, se puede añadir.

• Sistema de calentamiento de agua: Captador térmico y deposito acumulación. 

Este último, entra a formar parte de los sistemas térmicos, a los cuales, por el momento no entraremos en profundidad en este blog. 

Con este esquema, quedarían resumidas las partes de una instalación fotovoltaica aislada de la red.
En próximos post, profundizaremos en cada una de las partes y se ayudará a la comprensión de una manera fácil, para que, cualquier persona sea capaz de diseñarse su propia instalación en base a sus necesidades.

ACCESO A LA ENERGIA ELECTRICA EN EL MUNDO

"Los servicios modernos de energía son cruciales para el bienestar humano y el desarrollo económico de un país, y sin embargo en todo el mundo más de 1300 millones de personas no tienen acceso a la electricidad y 2700 millones de personas carecen de instalaciones de cocina y aseos. Más del 95% de estas personas se encuentren en el África subsahariana o Asia en desarrollo y el 84% se encuentran en áreas rurales". (Fuente International Energy Agency).

En la siguiente tabla se muestran los valores de personas sin acceso a la electricidad.. De lo que se desprende que en la actualidad, casi un 20 % de la población mundial no tiene acceso a la electricidad.

(Fuente International Energy Agency)

"La falta de acceso a servicios de energía modernos es un grave obstáculo para el desarrollo económico y social, y debe ser superada si los Objetivos de Desarrollo de los distintos países se quieren cumplir". (Fuente International Energy Agency).

Como se observa en la anterior tabla, en el mundo existe una gran población sin acceso a la energía, que, en unos casos no se la pueden permitir por motivos económicos, y en otros casos, las grandes compañías eléctricas no llevan sus redes, por motivos de difícil acceso y rentabilidad. Estos otros grupos de población se autoabastecen de forma colectiva con pequeñas redes (microredes) o con instalaciones individuales, bien con generadores de gasóil o gasolina, o pequeñas instalaciones solares.

.

Introducción

Hola a todos.
Este blog, con sus contenidos, pretende poner luz en aquellos aspectos de la energía solar (sobre todo la fotovoltaica) que son difíciles de entender por el público en general.
Así pués, el principal cometido de este blog será ayudar a cualquier persona a entender de una manera simple la energía solar fotovoltaica y poder calcular su propia instalación.
Siendo este un sector muy amplio, con diferentes aplicaciones. En principio nos vamos a centrar en las instalaciones aisladas de la red, pequeñas electrificaciones rurales y bombeos solares.
Comenzaremos con un primer post evaluando el estado de la energía y seguiremos con otros post de generalidades que sirvan de prologo a temas mas concretos.
Saludos cordiales

Francisco Blasco