¿Cómo calcular una instalación solar fotovoltaica?

energía renovable

En el caso de una instalación de energía solar fotovoltaica autónoma (aislada de la red), es fundamental un correcto dimensionamiento tanto para poder abastecer con garantías la demanda energética que tengamos, como también para acotar el coste económico de la instalación.

Como caso de ejemplo, vamos a tomar la necesidad de electrificar un casa sin conexión eléctrica a la red en una zona rural, que será utilizada por una familia de 4 personas los fines de semana.

Primer paso: Cálculo de consumos estimados
Establecemos para el caso de ejemplo los equipos básicos necesarios que consumirán energía:

  • Bombillas: 4 unidades x 4 horas x 60 Wattios (100%) = 960 Wh
  • Televisión: 1 unidad x 3 h x 70 W (100%) = 210 Wh
  • Ordenador portátil: 2,5 h x 60 W (100%) = 150 Wh
  • Nevera: 24 h x 200 W (50%) = 2400 Wh
  • Microondas: 0,5 h x 800 W (100%) = 400 Wh

En este apartado, tendréis que estimar los consumos para vuestro caso concreto. Se podrían estimar aquí los consumos necesarios para otros tipos de instalaciones, como por ejemplo la demanda de autoconsumo para cubrir de forma parcial las necesidades de una instalación conectada a la red o una instalación pensada para abastecer un punto de recarga de una bici, moto o coche eléctrico, para cargar las baterías, etc.

Más adelante realizaremos artículos más específicos para este otro tipo de casos, hoy nos vamos a centrar en nuestro ejemplo para una casa aislada.

Así pues, si sumamos los diferentes consumos parciales, obtenemos el consumo total estimado para nuestra casa de ejemplo:

  • Total consumos por día estimados (Cde) = 4120 Wh / día

Aplicamos un rendimiento de la instalación del 75% para calcular la energía total necesaria para abastecer la demanda:

  • Total energía necesaria (Ten) = Cde / 0,75 = 5493 Wh/día

Segundo paso: Radiación solar disponible
Para obtener la radiación solar incidente, se pueden utilizar tablas con estimaciones ya existentes. Una buena fuente de estas estimaciones es la aplicación PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System – European Commission, Joint Research Center), que tiene una plataforma on-line desde donde se pueden obtener los datos de insolación para toda Europa de forma fácil y rápida.

Suponiendo que nuestra instalación esta en Granada, utilizando la aplicación PVGIS obtenemos los siguientes valores:

  • Latitud: 37°10’38” Norte
  • Longitud: 3°35’54” Oeste
  • Potencia nominal de la instalación solar fotovoltaica: 1kWp
  • Inclinación de los módulos: 35deg.
  • Orientación de los módulos: 0deg.

Donde:

  • Ed: Producción media diaria de energía eléctrica del sistema (kWh)
  • Em: Producción media mensual de energía eléctrica del sistema (kWh)
  • Hd: suma diaria promedio de irradiación global por metro cuadrado recibida por los módulos del sistema (kWh / m2)
  • Hm: suma promedio de irradiación global por metro cuadrado recibida por los módulos del sistema (kWh / m2)

El mes más desfavorable de radiación, observamos que es en diciembre con 4,27 kWh·m2/día. De forma que dimensionaremos la instalación para las condiciones mensuales más desfavorables de insolación, y así nos aseguramos que cubriremos la demanda durante todo el año.

Una vez conocemos la radiación solar incidente, la dividimos entre la radiación solar incidente que utilizamos para calibrar los módulos. (1 kW/m2), y obtendremos la cantidad de horas sol pico (HSP). A efectos prácticos en nuestro caso este valor no cambia, pero utilizaremos el concepto de HSP (horas sol pico) que es el número de horas equivalente que tendría que brillar el sol a una intensidad de 1000 W /m2 para obtener la insolación total de un día, ya que en realidad el sol varía la intensidad a lo largo del día.

  • HSP = radiación solar tablas / 1kW/m2 = 4,27 HSP

Tercer paso: Cálculo de placas o paneles solares necesarios
Vamos a realizar los cálculos para establecer el número de módulos (placas o paneles solares) en función de las condiciones de radiación más desfavorables. Para realizar este cálculo nosotros hemos elegido módulos de 180 W. Este dato viene dado en las características técnicas de los módulos elegidos según cada modelo y fabricante.

1. Para instalaciones de uso diario utilizaremos la fórmula:

  • Numero de módulos = (energía necesaria) / (HSP * rendimiento de trabajo * potencia pico del módulo)

El rendimiento de trabajo tiene en cuenta pérdidas producidas por el posible ensuciamiento y/o deterioramiento de los paneles fotovoltaicos (normalmente 0,7 – 0,8).

Número de módulos para instalación de uso diario:

  • Nmd = (5493) / (4,27 * 0,8 * 180 )= 8,9 Redondeando 9 módulos

2. Para instalaciones de fin de semana utilizaremos la fórmula:

  • Numero de módulos = (3 * energía necesaria) / (HSP * rendimiento de trabajo * 7 * potencia pico del módulo)

Número de módulos para instalación de uso para fin de semana:

  • Nmfd= (3 * 5493) / (4,27 * 0,8 * 7 * 180) = 3,8 Redodeando 4 módulos

Como nuestro caso de ejemplo es para una casa que se usa los fines de semana, necesitaremos cuatro módulos de 180 W cada uno. Teniendo en cuenta que las necesidades de consumo que hemos establecido son muy básicas, si se introducen consumos mayores en el primer apartado nos resultará una cantidad de placas mayor.

Con los módulos elegidos de 180 Watios pico (Wp), obtendremos una instalación solar de 720 Wp totales (4 x 180 Wp).

Teniendo en cuenta que los módulos trabajan a 12V, si queremos una instalación que trabaje a 24V, podemos realizar una asociación en serie de grupos de dos placas y luego estos dos grupos de dos placas en serie, asociarlos en paralelo. El voltaje de funcionamiento dependerá del sistema de acumuladores que elijamos.

Cuarto paso: Capacidad de los acumuladores
Para diseñar la capacidad de las baterías de acumulación, primero tendremos de establecer la autonomía deseada en caso de tener días desfavorables sin insolación por abundante nubosidad.

En el caso que nos ocupa, para fines de semana la máxima autonomía necesaria la podemos establecer en 3 días (viernes, sábado y domingo). En electrificación de casas rurales para abastecimiento diario podría establecerse entre 4-6 días, teniendo en cuenta que este valor se puede reducir en el caso de que dispongamos de un grupo electrógeno de refuerzo.

  • Capacidad de la batería = (energía necesaria * días de autonomía) / (Voltaje * profundidad de descarga de la batería)

La profundidad de descarga depende del tipo de batería elegido. Estos valores oscilan entre 0,5 a 0,8. Podéis consultar estos valores en las características técnicas para cada modelo y fabricante. En nuestro caso, elegiremos una batería que tolere una descarga de hasta un 60% (0,6).

  • Capacidad de acumulación = (5493 * 3) / (24 * 0,6) = 1144,38 Ah (c100)

El valor c100 indica que la capacidad de la batería será la suministrada por ciclos de carga de 100 h, que es la frecuencia de carga normalmente establecida en electrificación rural.

La selección del sistema de acumulación requiere de diferentes comprobaciones para que el sistema dure y tenga un óptimo rendimiento. Los sistemas de acumulación necesitan una mínima intensidad de carga para asegurar que las baterías carguen correctamente y evitar que tengan una vida útil más corta de la esperada.

Este artículo pretende ser un ejemplo básico del cálculo de los parámetros necesarios para realizar una instalación, pero una vez conocemos la capacidad necesaria para nuestra instalación, te recomendamos contactar con especialistas para saber más detalles o información sobre las características técnicas de un sistema o fabricante concreto de acumuladores. Puedes acceder a nuestro directorio de empresas y profesionales de energías renovables para encontrar instaladores, fabricantes o distribuidores de sistemas solares fotovoltaicos y baterías de acumulación cerca de tu localidad, y realizar consultas sin compromiso.

Quinto paso: Selección del regulador y del convertidor
Finalmente, ya sólo quedaría elegir un regulador de carga y un convertidor de corriente continua a corriente alterna para poder disponer de corriente alterna a 220 V en nuestra vivienda apta para cualquier tipo de aparato o electrodoméstico.

Los reguladores de carga vienen determinados por la intensidad máxima de trabajo y por el voltaje en que hayamos diseñado nuestra instalación.

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 multiplicado por el coeficiente de simultaneidad de uso de estos. (normalmente valores que van de 0,5-0,7). En nuestro caso la potencia total estimada es de 1360 W

  • Potencia convertidor = 1360 * 0,7 = 952 W

Así pues, con un convertidor de 1000 W sería suficiente para nuestro ejemplo, siempre y cuando realmente utilicemos sólo los aparatos contemplados inicialmente. Siempre podemos establecer una potencia mayor por si puntualmente se utiliza algún otro electrodoméstico de mayor consumo.

Instalaciones autónomas o aisladas de la red y otros usos de la energía solar fotovolatica
En este artículo, os hemos mostrado un ejemplo para dimensionar una instalación solar fotovoltaica aislada de la red. Estas instalaciones se dimensionan reduciendo al mínimo los consumos a realizar para tener una instalación de coste asequible, pero esto supone prescindir de algunos elementos de mayor consumo y potencia. Por este motivo, en este artículo no hemos tenido en cuenta ni lavadoras ni hornos, etc. ya que se trata del supuesto de una casa con una instalación eléctrica muy básica para uso de segunda residencia.

Aunque el primer paso para ahorrar con energía renovables es tratar de reducir los consumos, no siempre es posible realizar una instalación tan básica como la planteada en el ejemplo. Para otro tipo de viviendas o edificios, existen otras opciones para ahorrar con instalaciones solares fotovoltaicas. Una opción es la de realizar una instalación solar para autoconsumo conectada a la red eléctrica. En estos casos, la instalación es complementaria y permite ahorrar pero al mismo tiempo seguir conectado a la red. Podéis ver en nuestro artículo “Inyección cero una alternativa para el autoconsumo” cómo funcionan estos sistemas. También podeís ver cuandos módulos son necesarios en nuestro artículo “Kits solares fotovoltaicos para autoconsumo eléctrico ¿Qué son? ¿Cómo funcionan?” o podéis realizar cálculos del número de placas necesarias según vuestro consumo en nuestra calculadora de energía solar fotovoltaica.

Otra opción para la que pueden ser muy útiles los sistemas autónomos como el que hemos explicado en este ejemplo es para abastecer por ejemplo un punto de recarga de baterías de bicicletas, motos o coches eléctricos. Hablaremos de estos casos en próximos artículos. Esperamos que el artículo sea de vuestro interés. Podéis dejar vuestros comentarios y intentaremos resolver vuestras dudas o consultas!