Cálculo de la demanda de energía eléctrica de una vivienda con aplicación a la energía solar (página 2)
Coeficiente de Transmisión: Es el
porcentaje de la energía incidente que es transmitida a
través del cuerpo.
Luego, por el Principio de
Conservación de la Energía:
G = G(a + G(? + G(t (1)
( a+?+t=1 (2)
Fig. Nº3. Balance
energético sobre un cuerpo
Para un cuerpo negro: a=1 ;
?=t=0Para un cuerpo opaco: t=0 ;
a+?=1
En general, a, ? y t; dependen de la
temperatura
del cuerpo, pero para fines prácticos, se pueden
considerar como constantes características de cada
material.
Fundamento
teórico
¿Cómo dimensionar la
instalación?
Un adecuado dimensionamiento de las instalaciones
supone, además, asegurar la fiabilidad de las mismas y su
utilización a lo largo del tiempo,
evitando que queden inservibles al cabo de pocos años al
utilizarse con fines para los cuales no habían sido
concebidas. Como ya se ha dicho, en el dimensionado de los
sistemas
fotovoltaicos es fundamental conocer la radiación
incidente sobre el sistema y
determinar con precisión el consumo. Como
quiera que estos datos son
difíciles de conocer con exactitud, surgen distintos
métodos
aproximados que permiten determinar cuál es el
tamaño necesario de paneles en Wp, y de batería, en
Ah, con los que satisfacer un consumo dado en una
situación concreta (temporal y espacialmente).
En el método del mes peor se realiza un
balance de energía seleccionando un periodo de tiempo,
normalmente un mes en el que se dan las condiciones más
desfavorables del sistema. La idea es que si el sistema funciona
en este mes, funcionará también los demás
meses del año. Se cuenta además con la capacidad de
acumulación necesaria para cubrir un cierto número
de días de bajo nivel de radiación (días e
autonomía). Para explicar de una forma clara los pasos a
seguir, vamos a realizar el cálculo de
una instalación conforme se explican los distintos
aspectos que se deben considerar. Se trata de calcular la
cantidad de paneles fotovoltaicos que hay que instalar, y la
capacidad de la batería que debe conectarse para
satisfacer por completo las necesidades de energía
eléctrica de una vivienda unifamiliar situada en el
distrito de Tacna.
EQUIPO | POTENCIA (W) |
Iluminación Iluminación intensa Televisor B/N Televisor color Radiocassette Video Lavadora Plancha Ordenador Frigorífico Congelador Pequeños Máquinas herramientas | 10-20 20-40 20-30 50-100 5-15 50 400 600-1200 200 70-120 90-150 50-200 200-500 |
Evaluación de la energía necesaria
(consumo de los equipos)
Para la estimación de la energía consumida
por la instalación se habrán de evaluar, por
separado, la aportación al consumo total de los equipos de
corriente alterna
y continua. A la hora de realizar esta estimación deben
tenerse en cuenta las variaciones estacionales, ya que la
incidencia de determinadas aplicaciones (especialmente los
bombeos de agua) es muy
importante frente a los consumos de otros usos, por lo que deben
calcularse los consumos de varios meses diferentes. En el caso de
que se trate de sistemas de electrificación con consumos
idénticos a lo largo de todo el año, bastará
con realizar una única estimación.
Consumo de los equipos en corriente continua
(T1)
EQUIPO | FUNCIONAMIENTO (HORAS/DIA) |
Iluminación Iluminación intensa Televisor B/N Televisor color Radiocassette Video Lavadora Plancha Ordenador Frigorífico Congelador Pequeños Máquinas herramientas | 1 3 3 3 1 1 0.5 0.25 0.5 4 5 0.25 0.25 |
La energía que la aplicación considera
necesita consumar cada mes va a depender, exclusivamente, del
tipo de equipos que componen la carga, así como el tiempo
de utilización de los mismos.
Los datos necesario que habrán de conocerse de
cada equipo serán:
La potencia, tomada como la nominal de los equipos,
y que aparece en las características de los
mismos.El número de horas de funcionamiento
diario.
Como orientación, se incluyen en el cuadro datos
sobre el número de horas de funcionamiento típicos
en instalaciones fotovoltaicas.
La energía necesaria para el consumo del equipo
en cuestión será el producto del
número de equipos iguales por la potencia y por el
número de horas diarias de funcionamiento.
Evaluación del consumo mensual en corriente
alterna (T2)
Lo consignado como elementos generales en los
párrafos anteriores es también de aplicación
en el caso del consumo de los equipos de corriente
alterna.
Supongamos que en el ejemplo de la vivienda unifamiliar
en el distrito de Tacna queremos conectar en el salón un
equipo de iluminación en corriente continua de 40W
(con lámparas de alta eficiencia) que
prevemos puede estar funcionando 4 horas al día. Este
equipo supondrá, por tanto, un consumo diario de
40·4=160Wh.
Queremos además disponer de un punto de luz en la cocina,
de 20W y consideramos que cada día estará en
funcionamiento 1 hora, es decir, un consumo energético de
20Wh cada día.
Análogamente, en las habitaciones tendremos
equipos de 20W, corriente continua y cada uno se usará
unas 2 horas al día. Si tenemos un total de 4 equipos de
estos, supondrá un consumo de
4·20·2=160Wh.
Además disponemos de una nevera de corriente
continua de 120W de potencia y que durante un día tiene el
motor funcionando
durante unas 4 horas. Esto supone un consumo diario de
4·120=480Wh.
Sumando los consumos diarios de todos los equipos de
corriente continua se tiene:
T1 = 160 + 20 + 160 + 480 =
820Wh
En cuanto a los equipos de corriente continua alterna
están una lavadora, de 450W de potencia y que funciona una
media de 0.5 horas al día, lo que supone un consumo de
225Wh, un televisor de 100W, con tres horas diarias de
funcionamiento (300Wh al día), un video, de 60W, 1
hora de funcionamiento al día (60Wh) y diversos
pequeños electrodomésticos (batidora,
máquina de afeitar, taladradora, etc.) que podemos
asignarlas 200W, 0.3h, (60Wh al día).
Sumando los consumos diarios de todos los equipos de
corriente alterna se tiene:
T2 = 225 + 300 + 60 + 60 =
645Wh
Evaluación del consumo total
(Gt)
Para la evaluación
del consumo total se tiene en cuenta dos factores:
Margen de seguridad de captación (Eb):
Corresponde a las pérdidas en el cableado,
pérdidas en conexiones, variaciones en los consumos
previstos inicialmente, etc. En principio puede estimarse en
un 15% para la mayoría de los casos.Eficiencia del inversor (Ei): Es la
relación entre la energía que se aporta al
inversor y la realmente disponible para el consumo. Como ya
se mencionó en el capítulo dedicado a los
elementos que componen la instalación, el inversor
tiene un consumo propio constante y un rendimiento variable
en función de la carga a la que suministre. En
principio, y salvo disponer de informaciones más
precisas, puede tomarse como valor medio el 85%.
Los consumos en corriente continua (Gc)
serán, por tanto, el producto de (100+Eb)/100 por lo
calculado para el conjunto de los equipos de consumo
(T1):
Los consumos en corriente alterna (Ga)
serán el resultado de la operación
siguiente:
El consumo diario total (Gt) de los equipos
será:
(Gt)= (Gc) + (Ga)
En el caso de nuestro ejemplo, considerando un margen de
seguridad de
captación del 15% y una eficiencia del inversor del
85%.
Consumos en c.c. Gc = (100 +15)·820/100 = 943
Wh/día
Consumos en c.a. Ga = (100 +15)·645/85 = 873
Wh/día
Considerando que es muy difícil que necesitemos
operar todos los equipos de c.a. simultáneamente, puede
ser razonable pensar en un inversos de 500W.
Consumos totales: Gt = Gc + Ga = 943 +873
= 1816 Wh/día
Evaluación de la radiación solar
disponible (Rd)
La energía que capta un panel solar
fotovoltaico va a depender tanto de la climatología del
lugar como el ángulo de inclinación que el panel
posea respecto a los rayos solares.
A continuación aparecen los valores
medios de la
energía recibida durante un día y por unidad de
superficie correspondiente a la provincia de Tacna para los
distintos meses del año. Esta energía está
expresada en forma de KWh/m². (Algunos datos no son
auténticos sólo son para este ejemplo).
Fuente: Elaboración propia
2009
Fig. Nº4
A continuación se calcula para cada
mes la relación de consumos/radiación
disponible (P) según:
De las distintas estimaciones de consumos comparadas con
la radiación disponible, se tomará el valor mayor,
que denominaremos Pmax.
En el caso de nuestro ejemplo, los consumos son de 1816
Wh. El mes de peor radiación, (que nos dará un
valor de relación consumos/radiación mayor) es
Agosto, que en Tacna sólo da: 3.53 kWh/m²/día,
con lo que el Pmax es:
Pmax = 1816/3.53 = 515
Tamaño del campo de
captación
La potencia de captación (C) del panel
elegido, en watios-pico (Wp), es necesaria para calcular el
tamaño del campo de captación.
A partir de la potencia del panel elegido y del mayor
valor de P (Pmax) se calcula el número de paneles
(Np) necesario:
El factor 1.1 se aplica para compensar posibles
pérdidas debidas a errores en l orientación, la
limpieza de los paneles, conexiones, etc.
El número de paneles será, entonces, el
primer número entero mayor que el Np calculado
según la fórmula anterior.
Supongamos que hemos decidido colocar paneles de 90 Wp,
el número de paneles necesarios para nuestro ejemplo
es:
Np = 1.1·582/90 =
7.11
Si queremos ser conservadores pondríamos 8
paneles.
Dimensionemos el sistema de
acumulación
Para evaluar el tamaño del sistema de
acumulación es necesario definir previamente los
siguientes factores:
Días de autonomía (D):
Corresponden al tiempo que podrá funcionar la
instalación sin recibir radiación solar en
condiciones adecuadas. Habitualmente, para instalaciones de
electrificación rural este factor puede ser de 4 o 6
días, mientras que para aplicaciones profesionales
puede superar los 10.Profundidad de descarga máxima (M):
Corresponde al límite de descarga que puede alcanzar
la batería. Para los casos más habituales de
electrificación rural, puede tomarse este valor como
de un 70%. Las baterías empleadas en otros tipos de
sistemas pueden permitir profundidades de descarga superiores
al 90%.Tensión de trabajo de la
instalación (V): Elegida en función de las
características de la instalación, lo
más usual son tensiones de 12 ó 24 V en el caso
de instalaciones de electrificación rural.La capacidad de acumulación (Q): en
amperios-hora (Ah), se calcula con la siguiente
fórmula:
Volviendo a nuestro ejemplo, supongamos 6 días de
autonomía, y que la instalación sea de 12V, y
permitamos una profundidad de descarga de 70%.
Por tanto, como resumen se tenderá el siguiente
cuadro para la electrificación de una vivienda en
Tacna:
Fuente: Evaluación Energética
Comparativa de un Sistema Híbrido
Eólico-Fotovoltaico (SHEFV) de Baja Potencia para la
Electrificación de una Vivienda Urbana (Tesis).
Fig. ?5
Costes
Evidentemente para saber el coste definitivo
abría que hablar con los suministradores de los distintos
dispositivos, pero para darnos una buena aproximación son
suficientes los siguientes datos.
Supongamos que cada panel de 90Wp cuesta 540 euros (os
precios suelen
rondar los 6 euros/Wp). Al necesitar de 8 paneles, el coste por
este concepto
sería de 4330 euros. El coste del regulador
podríamos cifrarlo en unos 180 euros.
Un inversor de 500W cuesta alrededor de 480 euros. Y
finalmente la batería podría estar en 2100
euros.
Coste total = 4.330 + 180 + 480 +
2.100 = 7.090 euros
A esta estimación de costes habría que
sumarle el IVA y los
costes derivados de estructuras y
cableados.
Conclusión
El sistema fotovoltaico es una integración de varios componentes, cada
componente cumple con una función
específica, a fin de poder suplir
la demanda de
energía eléctrica impuesta por el tipo de carga
usando como único combustible la energía
solar.
Es importante conocer la energía solar local de
la región (helofanía) así también la
potencia de captación del panel elegido (Potencia pico,
Wp). Se puede notar la diferencia entre los sistemas conectados a
red y los
sistemas aislados. Es notorio que a mayor demanda de la
energía eléctrica más costosa es la
instalación.
Tener conocimientos previos de la radiación solar
y de paneles fotovoltaicos es importante para poder realizar
estas estimaciones.
Referencias
bibliográficas
1. Bayod Á. y otros; GUÍA DE LAS
ENERGÍAS RENOVABLES APLICADAS A LAS PYMES;
Tacna-Perú; Editorial Santa María; 1969; en:
http://www.conectapyme.com/files/publica/Guia_E_Renovables.pdf2. Pacco K. Evaluación Energética
Comparativa de un Sistema Híbrido
Eólico-Fotovoltaico (SHEFV) de Baja Potencia para la
Electrificación de una Vivienda Urbana (Tesis). 2009:
Tacna.3. Pacco K. Evaluación Energética
Comparativa de un Sistema Híbrido
Eólico-Fotovoltaico (SHEFV) de Baja Potencia para la
Electrificación de una Vivienda Urbana (Perfil). 2009:
Tacna.
Autora:
Bach. Karina P. Ramírez
Escritora/Física/Investigadora
y desarrolladora experimental en energías renovables y
software.
Datos del artículo:
Fecha de realización: 25 de Junio del
2009
CATEGORÍA: Tecnología
Tacna, Perú
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