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Calcular número de paneles solares fotovoltaicos (2 pasos)

por: Eliseo Sebastian
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Cuántos Paneles Fotovoltaicos se necesitan

Proyecto Básico en Huancayo Perú

1. Introducción

Se trata de una Instalación Aislada, pensando solo en baterías solares de 12V y sus cables de transmisión y pequeños aditamentos para completar dicha instalación.

Una Vivienda Ecológica puede ser tan compleja o tan simple como nosotros queramos. Ubicación: Distrito de El Tambo, Provincia de Huancayo, Región Junín de Perú.

2. Proyecto completo

Es importante recalcar que una Instalación Fotovoltaica Aislada completa incluye los siguientes componentes y equipos:

  • Los módulos fotovoltaicos: Los que generan la corriente eléctrica continua a partir de la luz solar.
  • El Regulador de Energía: Controla los procesos de carga y descarga de la batería solar.
  • Fusibles/Disyuntores y Desconectores: Son los protectores de sobretensiones.
  • Caja combinadora: Caja para salida del módulo en paralelo.
  • Batería o Banco de Baterías: Los que almacenan la electricidad. 
  • Monitores y medidores: Informan el estado del sistema y los flujos de energía de forma instantánea y acumulativa.
  • Inversor: Cambia la corriente continua CC de voltaje de flujo a corriente alterna AC de alto voltaje para suministrar a los puntos de consumo.
  • Generador: Proporciona alimentación de AC de respaldo. (No siempre).
  • Cables conductores de energía. Previo estudio según tramos, tensiones y espacio.
  • Montaje fijo o montaje de seguimiento: Soporta y orienta los módulos hacia los rayos solares directamente en ángulo de 90 grados.
  • Centro de energía: Donde se controla y se monitorea todos los sobrecorrientes.

3. Proyecto Básico Aislado de la Red

Es nuestro caso a manera de introducción a la serie de temas más completos y de mayor consumo de Potencia Eléctrica.

Es decir estaremos haciendo práctica de cómo se calcula la cantidad de paneles fotovoltaicos considerando solo una batería de 12 V. Nuestro interés es salvar el uso de la energía solar con lo que podemos comprar sin mucha dificultad: Paneles y Batería, claro más los cables y aditamientos de seguridad.

El comercio de los paneles solares fotovoltaicos es muy conocido hasta tal punto que el amigo de la tienda de equipos eléctricos nos lo puede conseguir además de una batería solar o provisionalmente hacerse de batería de carro pero solo por emergencia.

4. Primeros pasos:

4.1. Preparar una tabla o listado de consumo de energía. Conocer la Potencia Máxima Instalada de cada equipo o artefacto a darle uso (en Watts). [Primera columna de la tabla abajo: 30, 40, 70, etc.].

Tabla No. 1. Consumo de energía en una cabaña ejemplo

4.2. Sumar las Potencia Máxima Instalada. Será un dato para posteriores cálculos. En este ejemplo tenemos en la 4ta. columna, total 1,386 Watt.

4.3. Calcular la Energía Máxima de Consumo de cada equipo o artefacto (Wh/d o kWh/d). Ejemplo: 30 x 2 x 3 = 180 Wh/d (Watts hora por día). Igual de Cada fila.

4.4. Sumar la Energía Máxima de Consumo durante un día promedio de un mínimo de 7 días (Wh/d o kWh/d); será un dato importante como «Consumo de Energía Eléctrica por día».  [1,699 Wh/d de toda la cabaña en esta tabla]

4.5. Identificar si es necesario el tipo de corriente: Corriente Continua (CC) o Corriente Alterna (CA).

3.6. Calcular la intensidad de energía máxima de instalación: Es la cantidad de corriente eléctrica que se necesita como Base para la Cabaña para lo cual se considera uno o más baterías donde se debe almacenar la energía requerida.

4.7. Cálculo de adición de porcentajes de seguridad: A la intensidad de corriente Base debe aumentarse los factores de seguridad sea por envejecimiento de equipos y ciclo profundo según calidad de batería o baterías.

4.8. Cálculo del Rendimiento de Energía de los paneles considerando la Hora Solar Pico o sea la Radiación Solar del lugar donde se instalarán los paneles solares.

5. Desarrollo de estos Pasos

5.1 Preparación de una tabla. Es decir, confeccionaremos tablas similares a la que estamos indicando aquí arriba para cumplir con el «Cálculo de Consumo de Energía Eléctrica» en la vivienda o negocio para instalar paneles.

El objetivo es conocer dos datos importantes para empezar:

  •  La Potencia Máxima Instalada y
  • La Potencia Total de Consumo de Energía por hora en un día promedio.

En este caso de la tabla ejemplo (arriba) las Potencias Máximas Instaladas arrojan la primera de 1,386 W y como Potencias de Consumo total 1,699 Wh/d.

Potencia Máxima Consumo Total: 1,699 Wh/día

Kill a Watt

Recordando que Wh/d = Potencia (W) * horas de cada equipo o artefacto, continuaremos trabajando con la disposición de equipos y artefactos de la tabla arriba indicada.

5.2 Tomar datos de tiempo de consumo durante un lapso de una semana o un mes como mínimo porque no todos los días se tienen el mismo uso de aparatos además que los tiempos varían de acuerdo con las necesidades de un día comparado con otro. En otras palabras, haremos la medición día a día hasta completar la semana o cuatro semanas.

5.3 Ayudarse la medición de datos de consumo con los instrumentos que están a nuestro alcance como los de las figuras a continuación. Muchos artefactos tienen sus propios catálogos por lo que solo bastaría un medidor de tiempo de utilización de cada uno.

Multíemtro

Con estos instrumentos de medición de magnitudes eléctricas tales como potencia, energía, corriente o carga eléctrica se conocen rápidamente estos datos o cualquier característica eléctrica de circuito eléctrico como la capacidad, la resistencia, inductancia y la capacitancia los mismos que son casi imposibles hacerlo visualmente.

Es bueno señalar que con estos instrumentos también se logra mayor información en unidades eléctricas: watts, ohmios, amperios, culombios, henrios, faradios, vatios o julios.

Trabajaremos con la tabla.

Nuestro dato de Energía de Consumo del Proyecto: 1,699 Wh/d)

6. Porcentajes de seguridad

Existen las llamadas «pérdidas fantasmas» de energía originados por las cargas fantasmas o consumo de energía que se producen aún estado el equipo apagado.

Si no está separado el cable de la pared (desenchufado) se sigue consumiendo energía que se traduce en la aparición de cargo como gasto en nuestras facturas de electricidad.

Estas cargas fantasma están en el orden del 10 % del consumo de la potencia Máxima Instalada.

Muchos cálculos del número de paneles solares fotovoltaicos han fracasado por no tener en cuenta este detalle de las «cargas fantasmas».

En algunos países, sus instaladores de Paneles Solares sugieren usar como «factor de seguridad» hasta un 25 % más sobre la base de la Potencia Máxima Instalada.

En nuestro caso estamos considerando estos detalles en el punto 8 abajo. (Todo incluido).

7. Valores de Potencia en tablas preparadas

Como esta tabla (siguiente) existen cuadros de apoyo para contar con las Potencias (W) de cada equipo o artefacto eléctrico.

http://tecnologiabsotos.blogspot.com/2015/11/la-factura-de-la-luz.html

Conocemos hasta aquí la Potencia o cantidad de vatios (watts) que consume por hora en un día dicha Cabaña (Arriba).

Reiteramos, nuestro dato de Energía de Consumo diario asciende a: 1,699 Wh/d y nos olvidamos que estamos en busca de uno o más paneles que reciban sobre su superficie una irradiación anual para mantener con energía eléctrica nuestra Cabaña pasando incluso por momentos «malos» por inclemencias del Clima.

8. Intensidad de Energía Máxima de Instalación – Ley de Ohm

Esta vez nos toca conocer la cantidad de Energía Instalada (I) en Amperes-hora total a usarse en nuestro ejemplo para lo cual hemos decidido usar nuestra batería solar de Potencia 12 voltios. 

Datos hasta aquí:

  • Energía o Potencia Máxima de Consumo: (1,699 Wh/d) => Calculado
  • Baterías de: 12 V => Sugerido

Nos estamos adecuando a un sistema de tensión de 12 V acorde a las baterías más comerciales y fáciles de hallar.  

Es verdad que existen baterías de 24 V o 48 V, pero esta vez se nos ocurre escoger batería de 12 V, 100 Ah que es el más común. Este criterio puede variar de acuerdo a las necesidades y dimensión de cálculo además de presupuesto disponible.

Aplicamos nuestra teoría conocida y procedemos a calcular los Amperios-hora que requiere nuestra Cabaña del ejemplo aplicando la Ley de Ohm.

Ley Ohm:  P = V x I

                  W = V x I

Simplificando para hallar La Intensidad de Energía Máxima en La Cabaña.  Lo escriben Potencia como «P» o como «W», es lo mismo.

  • Despejamos para hallar I: Intensidad, Energía Máxima.
  • Potencia de Energía de Consumo total: W
  • Tensión del Sistema, en este caso escogimos 12 V.

I(intensidad de Energía máx.) = W(potencia consumo)/V(tensión del sistema)

Imax = 1,699 Whd/12 V

142 Ah/d

(Este resultado es sin considerar margen de seguridad)

9. Porcentajes de Seguridad

9.1 Por envejecimiento de los componentes: Baterías (5% a 10%), envejecimiento del Convertidor (5% a 20%), Efecto del Controlador (+/- 10%) y Pérdidas fantasmas (+/- 10%).

Imax = 142 Ah/d  (Amperios -hora /día) hallado en la sección 7 sin considerar factores de seguridad, pero si consideramos un 20% en adición como margen de seguridad por razones de uso, la nueva Imax será:

Imax = (142) x (1.20)

I = 170.40 Ah/d (hasta el momento)

9.2 Por ciclo Profundo de la batería: Cuando apenas se ha descargado se conoce como «descarga superficial de 20 o menos %»  pero si se ha descargado bastante llega a medirse como «descarga profunda de 80 % o más).

Nosotros aquí vamos a usar un 75%. Entonces nuestro valor Imax de 170.40 Ah/d se convierte en 227 Ah/d:

Imax = 170.40 A/0.75

Imax = 227 Ah/d

Estamos en el camino justo de entender que el consumo de energía eléctrica a partir de la luz solar, no es tarea solamente para profesionales, es para los que estamos interesados. Seguimos.

10. Consideraciones Técnicas para el Proyecto

10.1 Irradiación Solar. Para la selección de los Paneles Solares Fotovoltaicos se tiene que conocer el valor de la irradiación solar promedio del día y medido a través de la estadística controlada históricamente del lugar donde se proyecta hacer la instalación. En este caso es la ciudad de Huancayo, región Central de Perú.

10.2 Unidad de energía. La cantidad de energía solar recibida en el sitio del Proyecto se mide en promedio kWh/m²/día.

10.3 Hora Solar Pico. La clave para diseñar un Sistema Fotovoltaico es el valor numérico de las horas pico de sol o la Insolación, conocidos simplemente como Hora Solar Pico cuyo símbolo es el HSP.

Se refieren a la energía solar recibida en un sitio en el transcurso de un día, número de horas pico de sol o sea la cantidad de horas diaria promedio de valor de irradiancia equivalente a 1,000 W/m².

10.4 NASA. Cada pueblo, cada sitio, cada zona donde hay poco o  bastante brillo solar cuenta con esta información de HSP emanada del Gobierno Central o entidad de información mundial como la Administración Nacional de Aeronáutica y Espacio (NASA).

Hora solar pico

Nótese en la ciudad de Huancayo nuestro dato promedio anual es de 6.7 kWh/m²/día

11. En busca de nuestros paneles para instalar en Huancayo

11.1 Características eléctricas. Sea por medio de Internet o visita in situ casas comerciales, solicitaremos previamente las características eléctricas y físicas de los paneles a través de sus catálogos como el que hemos hallado lo que mostramos a continuación como ejemplo. Ojo, existen decenas de catálogos, placas o etiquetas para indicar las características técnicas de los módulos o paneles solares fotovoltaicos.

11.2 Punto de Máxima Potencia. En la búsqueda de nuestros paneles tenemos que acudir a las fichas técnicas dentro las cuales nos importa directamente el punto de máxima potencia IMPP o Imp. del panel.

Característica eléctrica de paneles. Fuente: Tecnosolab

Son los parámetros característicos hechos a condiciones estándar (STC) para una irradiancia de 1000W/m2, temperatura de célula de 25ºC y una distribución espectral de AM 1,5.

12. Compra de los paneles

Estamos llegando al final de nuestro objetivo: Saber cuántos paneles necesitamos para instalar en nuestra cabaña situada en Huancayo Perú.

Habiendo hecho el estudio de ubicación de los mismos, nos lanzamos al mercado para adquirir los módulos solares que requerimos.

13. Cálculo de Energía en cada Panel (Epanel)

Estamos libres de poder calcular la energía de los paneles fotovoltaicos que se van a utilizar finalmente. Para este cálculo requerimos los siguientes 2 datos:

13.1. La corriente en su punto de máxima potencia (IMPP) hallado en el catálogo mencionado en el punto 11.2 es igual a IMPP = 7.48 A para Paneles de 225 W. 

13.2. La Irradiación del lugar donde vamos a instalar los paneles es de 6.7 kWh/m²/día (primera tabla arriba).

14. Rendimiento del Panel (Epanel)

No siempre, pero se asume un trabajo de 90% y no 100% con el fin de asegurar un 10% a favor por diferentes factores como el tiempo de uso, clima o eventualidades que puedan afectar al 100% de respuesta. Mejor nos aseguramos con un 10% adicional; además, para compensar a dos o tres días de AUTONOMÍA.

Entonces, el rendimiento de los Paneles Fotovoltaicos que van a instalarse en Huancayo es de:

Epanel = 6.7 x 7.48 x 0.90

Epanel (Huancayo) = 45.10 A

15. Finalmente. Número de paneles solares fotovoltaicos

              225/45.10 = 5 paneles de 225 W

16. En cuanto al Controlador o Regulador

Nuestro proyecto es una Instalación Básica Aislada. Se recomienda un Regulador MPPT por su trabajo en su punto de máximo rendimiento. Vea nuestro informe aquí.

El controlador de carga MPPT cuesta más, pero evita que las baterías se sobrecarguen y se descarguen excesivamente mientras transfieren más energía (hasta un 20 % más) de los módulos solares al banco de baterías o a las cargas del sistema. 

También le recomendamos para comprar desde Amazon.

17. Sobre el Inversor

Es otro componente para Instalaciones Aisladas. Mucha gente no lo usa porque sus consumos son de 12 V, pero creemos que es necesario porque siempre se presentan consumos de Corriente Alterna de 110 V o 220 V. 

El Inversor trabaja en armonía con la cantidad de irradiancia y temperatura del Sistema por lo que nuestro Inversor define cuál es la tensión y la intensidad de operación para extraer la potencia más conveniente. Más datos.

18. Conclusión 

Hemos concluido con la tarea de calcular la cantidad de paneles fotovoltaicos de una manera didáctica sin tener que acudir a modelos automáticos ni calculadoras programadas con el fin de evaluar el porqué de las cosas para decisión más segura y fundamentada.

Son 5 paneles del tamaño de 225 watts

Hemos trabajado en este proyecto estando seguro de que se aumenta el valor de la Cabaña, que se ahorrará dinero en la factura mensual de servicios públicos: que nos contagia tranquilidad de vida y que los gastos de inversión se amorticen en solo cinco años.

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