Calculando un sistema Fotovoltaico (Solar) para Telecomunicaciones Rurales
Por: Jorge Pareja
En las instalaciones de telecomunicaciones rurales, encontramos que uno de los mayores problemas es conseguir la energía que alimentará a los equipos de comunicaciones, por lo general en estas instalaciones, la potencia de uso es continua durante 24 horas y los perfiles de uso por lo general tienen a considerar el máximo consumo de todos los equipos.
Por ejemplo vamos a considerar una instalación de telecomunicaciones en una zona en el Perú, ubicada en San Juan de Tarucani, Arequipa, en un centro poblado denominado La Yunta a 4,273 m.s.n.m.
Para nuestro ejemplo hipotético tenemos las cargas siguientes:
No es necesario el uso de un sistema de acondicionamiento o climatizador ya que en la zona la temperatura media es 11°C, si se necesita que la sección de baterías del contenedor de telecomunicaciones este aislada térmicamente del exterior, para evitar el congelamiento de estas.
Máxima Capacidad de Energía. Es la potencia eléctrica necesaria para la operación continua del sistema de telecomunicaciones. Para nuestro caso es de 5,280 Vatios-Hora por día (5,82KW-Hr/día).
Reserva de Carga. Es el porcentaje adicional que consideramos para una posible ampliación de la carga en un futuro y que no significa modificación de la estructura y capacidad instalada actual. Se recomienda un 20%.
Reserva (Vatios) = 20% * 5.280 W-Hr/día = 1056 W-Hr/día adicionales.
Potencia de diseño. Es la potencia total incluida la reserva, en vatios o en kilovatios.
Voltaje de Operación. Es el voltaje principal en el cual operan los equipos del contenedor de telecomunicaciones. Para nuestro ejemplo es -48VDC.
Eficiencia de carga de las baterías. Las baterías al poseer elementos electroquímicos, no son 100% eficientes en el proceso de carga y recarga, así se tiene que:
Ampere − hora eficiencia = Ampere – hora de Salida / Ampere – hora Entrada
La eficiencia de carga de una batería está en función de su resistencia interna y de la temperatura.
La eficiencia está en el orden del 95% al 99% para baterías de Plomo-Acido y baterías de litio.
Energía Total Requerida (E). Es la potencia (vatios) en un periodo de tiempo y es el equivalente al trabajo que realiza la fuente de suministro eléctrico durante un periodo de tiempo determinado. Se mide en Vatios-Hora o KW-Hr.
Para el caso de una instalación remota podemos decir:
ET = Lcc ηbat Por: Jorge Pareja + ηbatLac
ηinv
Donde ET es la energía total
Lcc es la energía total en corriente continua requerida por el sistema
Lac es la energía total en corriente alterna requerida por el sistema
ηbat es la eficiencia de carga de las baterías
ηinv es la eficiencia del sistema inversor DC/AC en caso de haber alguno
Fp es el factor de potencia, que se tomará en cuenta cuando usemos corriente alterna
Para nuestro ejemplo consideramos una eficiencia de carga de las baterías del 95% (eff=95%) y no tenemos equipos o energía alterna (ac) en uso.
Luego para 24 horas = 1 dia:
ET = (5,28kW-Hr/día + 1,056 kW-Hr/día) * 1 día = 6,336 kW-Hr.
Para 3 días de autonomía en baterías:
ET = (5,28kW-Hr/día + 1.056kW-Hr/día) * 3 días = 19,008kW-Hr.
En otras palabras, necesitamos generar para 3 días: 19,008 Kilowatts en total operando 72 horas continuas.
Ahora calculamos los bancos de baterías, donde nuestro nivel de voltaje nominal es de 48Vdc.
Para efectos del cálculo básico partimos desde el concepto inicial, esto significa que:
ET = BB ∗ (1 − SOC) t
∗ ηbat ∗ ηse
Aquí: BB es el tamaño del banco de baterías, toda vez definido su voltaje nominal, para nuestro caso 48VDC.
SOC es el estado de carga de la batería, esto equivale a la profundidad de descarga (DOD) que deseamos alcanzar, extrayendo energía a la batería. Por ejemplo podemos elegir un DOD del 80%.
SOC + DOD = 1
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ηbat es la eficiencia de carga de las baterías
ηSE es la eficiencia del sistema eléctrico en general, incluyendo los cables, para efectos de simplicidad lo consideraremos equivalente a 1. (para efectos del cálculo real, utilizar 0,95, asumiendo una pérdida del 5% en el sistema eléctrico)
t es el número de horas de autonomía requerido, puede expresarse en horas o en días.
Podemos reescribir la ecuación como sigue:
BB = ET ∗ t
(DOD) ∗ ηbat ∗ ηSE
Luego tenemos: BB = 19,008kW−Hr
80%∗95%∗1 = 25,011kW-Hr
Vamos a elegir una batería del tipo OPzV, para uso solar (fotovoltaico), con celdas de 2 Voltios nominales; en total requerimos:
Numero Celdas = 48 2 VDC
V = 24 celdas
Por recomendación del fabricante requerimos operar el banco de baterías hasta un voltaje de celda que no supere los 1,80 Voltios, elegimos la tabla de potencias:
La potencia por celda para 72 horas (3 días de descarga continua) a 1,8 Vpc es 20 Watts.
Un banco de baterías sería conformado como sigue:
24 celdas de 2 Voltios nominales = 48 Vdc
Energía capaz de ser Almacenada en el B.B = 20 Wpc * 24 celdas * 72 Horas = 34,56 KW
Este valor es muy superior al valor del BB calculado y cumple con los requisitos de operación con descarga al 80% (DOD) y a 72 horas.
Calculo del generador fotovoltaico.
La fuente de energía para efectos de nuestro ejemplo es un generador fotovoltaico, que convierte la energía solar en energía eléctrica y esta se distribuye a través del sistema eléctrico del contenedor de telecomunicaciones.
Previamente algunos conceptos básicos.
La radiación del sol es emitida en todas las longitudes de onda, pero tiene un máximo en la región de luz visible. Se tiende a representar en los diagramas solares de la tierra, en color rojo se muestran los lugares donde la radiación solar es mayor, quema más, calienta más, que en zonas de color verde o azul. Las zonas rojas son de mayor irradiancia (W/m2), mayor hora solar pico.
Existen tres categorías de radiación UV, pero son dos las que llegan al planeta Tierra y nos afectan:
- Radiación UV-C: es una longitud de onda corta, no llega a la superficie terrestre debido a que la capa de ozono y oxígeno lo absorben. Longitud de onda; 100nm-280nm.
- Radiación UV-B: esta radiación llega a la superficie, causa cambios en la ADN, es causante del cáncer a la piel, del envejecimiento y cataratas. Longitud; 280nm-320nm.
- Radiación UV-A: de longitud de onda larga, penetra profundamente la piel y causa el bronceado. Conjuntamente con la UV-B causa envejecimiento y catarata. Longitud de onda; 320nm-400nm.
La irradiancia, Es una magnitud representada por el cociente entre la potencia (la energía por unidad de tiempo) y el área que recibe la radiación, esto es cuánta energía incide sobre un área en un tiempo determinado. Para usos prácticos de mediciones de radiación solar diaria y anual se utilizan las unidades kWh/m2/día y kWh/m2/año.
La estimación de la cantidad de energía lumínica proveniente del Sol o irradiancia, se calcula de manera estadística durante un conjunto de años, en las estaciones de medición solar o mediante el uso de sensores remotos (satélites).
Dado que la zona donde vamos a instalar el sistema solar está en la sierra peruana, verificamos la ubicación geográfica:
Latitud Sur : 16° 8′ 22.9″ S (-16.13968885000) Longitud Oeste : 70° 58′ 53.8″ W (-70.98160532000)
Ahora buscamos los datos (para nuestro ejemplo son hipotéticos y se han tomado de una base de datos de un puesto de medición cercano, no necesariamente coincide con la zona en cuestión. Un cálculo real, necesitaría datos exactos sobre la ubicación geográfica y la irradiancia solar real en el punto).
Insolación horizontal promedia mensual (kWh/m2/dia)
Un punto importante es conocer cuanto es (en grados) la inclinación del Sol, dependiendo de las estaciones del año:
Vamos a considerar para efectos académicos, la inclinación siguiente que nos proporcionan las agencias de meteorología:
Inclinación del sol : promedio mensual (°)
Es importante ahora calcular el ángulo relativo con el cual llegan los rayos del Sol, sobre la superficie de los paneles solares, esto lo hacemos de la siguiente manera:
Angulo relativo (°) = (90° − tilt°) + Latitud − Inclinación del sol
El tilt°, es el ángulo de inclinación recomendado para la zona, a modo de homologación sería 15° respecto al norte (mirando al norte).
15°
Angulo relativo de llegada de los rayos del sol sobre el panel (°)
108.56 100.16 89.65 78.15 69.06 64.86 66.66 74.16 84.78 96.32 105.96 110.66
Los datos obtenidos se utilizan para la determinación del factor de inclinación, este factor mide cuanto se pierde o se gana, comparativamente contra una incidencia de los rayos del sol de manera directa sobre el panel solar, esto es con un ángulo de 90°
Calculamos de la manera siguiente el índice o factor de inclinación:
Indiceinclinacion = Sin (2 ∗ π ∗ angulo 360 Por: Jorge Pareja
relativo)
Sin (2 ∗ π ∗ (90 − angulo 360 relativo + Latitud)
Aplicando este algoritmo a los cuadros anteriores, obtenemos:
0.95 0.99 1.04 1.10 1.15 1.18 1.17 1.12 1.06 1.01 0.96 0.94
Ahora multiplicamos este factor al valor de insolación horizontal promedio, para obtener la insolación real:
Insolación Real (kWh/m2/dia)
5.262 5.255 5.392 5.814 6.114 6.193 6.684 6.868 6.601 6.123 5.539 5.341
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Finalmente obtenemos un valor promedio de insolación:
Insolación Promedio = 5.932 KW-Hr/m2/día
Para efectos de selección del arreglo fotovoltaico, es correcto elegir (por tratarse de un sistema estadístico) el valor mínimo de la serie de datos mensuales de Insolación real:
Insolación mínima: 5.255 KW-Hr/m2/día
Con estos datos básicos, pasamos a calcular el arreglo fotovoltaico necesario para satisfacer los requerimientos de energía del sistema, entendiéndose por arreglo fotovoltaico, al conjunto de paneles solares interconectados entre si y asociados al Equipo que utiliza la energía eléctrica convertida (Conversor Solar) y la transfiere a 48VDC para que operen los equipos de telecomunicaciones:
Aquí algunos conceptos previos:
ηconversor Es la eficiencia de la conversión, esta viene dado por el equipo conversor, por ejemplo un conversor PWM tiene una eficiencia del 96%, un conversor MPPT alcanza un 90%, muchas veces se utilizan convertidores que combinan varias tecnologías.
ρMODT son las pérdidas por efecto de la temperatura en las celdas fotovoltaicas, estas pueden alcanzar valores muy altos, porque las celdas solares son semiconductores, en promedio podemos elegir un 10% de pérdidas por este efecto térmico.
ρSyS Son las pérdidas generales del sistema, como son cableados eléctricos, malas conexiones, fugas por mal aislamiento, corrientes parásitas hacia tierra; etc.
EPV Es la energía calculada como requerimiento diario por el sistema
ALR es un ratio que mide la cantidad promedio de energía proporcionada por el arreglo fotovoltaico con respecto a la cantidad de energía que se requiere o se va a consumir. Es un dato estadístico y debe tomarse con especial cuidado, para evitar un sobredimensionamiento del arreglo solar o quedar por debajo y no cumplir con el presupuesto de energía que requiere el sistema de telecomunicaciones, se sugiere mantener un valor igual o mayor a 1,05.
PPV ∗ InsolMIN ∗ (100% − ρSyS) ∗ (100% − ρMODT) ∗ ηConversor = Epv ∗ ALR
Cambiando estos parámetros por valores:
PPV = [(6,336kWHr/dia)*1,05] / [5,255 KW-Hr/m2/día * 0,95 * 0,90 * 0.96] = 1,55 kW
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Entonces, el balance de generación solar es como sigue:
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre
Insolacion Mensual (kWHr/m2/dia)
Por: Jorge Pareja
5.262 5.255 5.392 5.814 6.114 6.193 6.684 6.868 6.601 6.123 5.539 5.341
Potencia Instalada (kW) 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 Energia Generada (KWHr/dia)
8.156 8.145 8.358 9.012 9.477 9.599 10.360 10.645 10.232 9.491 8.585 8.279
Energia consumida (kWHr/dia)
6.336 6.336 6.336 6.336 6.336 6.336 6.336 6.336 6.336 6.336 6.336 6.336
Balance de Energia (kWhr/dia)
1.820 1.809 2.022 2.676 3.141 3.263 4.024 4.309 3.896 3.155 2.249 1.943
El arreglo fotovoltaico de 1,55kW, lo vamos a componer de módulos o paneles solares basados en modelos comerciales del mercado, así; elegimos un modelo de 1,65mts X 0,95 mts del tipo policristalino y de potencia 280Wp.
N módulos = 280Wp PPV
= 1550 280 Wp W
= 6 módulos
Luego para nuestro contenedor de telecomunicaciones en la zona de La Yunta (caso hipotético) tenemos un arreglo de 6 módulos fotovoltaicos de 280Wp.
Finalmente, nuestro generador solar queda como sigue:
- Carga instalada total en DC : 6,336 kW
- Banco de Baterías: 24 celdas de 2Vpc, potencia 34,56kW (equivalente a celdas del tipo OPzV de 240 Amperios Hora)
- Arreglo Fotovoltaico compuesto por 6 módulos de 280Wp. (1,68Wp)
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El Conversor solar debe tener una potencia con capacidad redundante y de compartir carga (Load Sharing), equivalente a la potencia instantánea (carga Instalada) más el crecimiento estimado del 20%: = 240 W * (100% + %crecimiento) = 288W.
ConversorSAL = ∑Potenciasi
ηConversor
Por lo tanto: ConversorSAL = 288 96% W
= 300 W
Se debe de arreglar un sistema con dos (2) módulos convertidores de 300W cada uno, que permitan conectar tres (03) paneles en paralelo cada uno.
No todos los conversores y/o controladores solares tienen la capacidad de compartir carga, por ello es importante verificar que los conversores puedan operar bajo esta condición.
