¿Cómo dimensionamos un sistema fotovoltaico?

¿Cómo dimensionamos un sistema fotovoltaico?

Este es uno de los temas que más nos apasiona en Sonnenworks, por que es dónde buscamos la mejor relación costo/beneficio para nuestros clientes. Buscamos los elementos que mejor se adapten al sitio de instalación para conseguir los mejores resultados de productividad en el largo plazo.


En esta publicación, vamos a ejemplificaremos el cálculo de los paneles solares necesarios para un sistema de placas solares que deseamos usar para una casa, negocio, comercio o industria que demanda una cierta cantidad de energía.


Te presentaremos como se conectan los paneles solares en serie o paralelo, cuánta energía produce un panel solar y en función de eso, cómo calcular las placas fotovoltaicas necesarias para una casa , por ejemplo.


Energía generada por un panel solar


Para poder calcular la energía generada por un panel solar durante un día (Epanel), debemos usar la siguiente ecuación:


Epanel = Ipanel · Vpanel · HSP · 0.9 [Whd]


Ipanel = Corriente máxima del panel.

Vpanel = Tensión máxima del panel.

HSP = son las Horas Sol Pico

0.90 = Coeficiente del rendimiento del panel (comunmente 85-90% al descontar ya las pérdidas por altas temperaturas, suciedad, sombras, etc).

La energía resultante estaría expresada en Whd.


Esa sería la energía generada por un solo módulo solar, pero si lo que queremos es saber cuánta energía va a generar una instalación solar con varias placas solares, simplemente habría que aplicar la fórmula siguiente:


Esistema fotovoltaico = Isistemafotovoltaico · Vsistema-fotovoltaico · HSP · 0.9


La corriente, en este caso, sería la máxima resultante de la asociación de los módulos fotovoltaicos conectados en paralelo de cada rama (string), y la tensión sería la resultante del la suma de tensiones de cada rama (string) conectados en serie.

El símbolo eléctrico que se suele utilizar para representar gráficamente un panel fotovoltaico es el siguiente:


simbolo panel solar

Conexión en serie y paralelo


En la mayoría de proyectos fotovoltaicos, principalmente en instalaciones de sistemas aislados y en función de la potencia de la instalación, será necesario asociar varias placas en serie o paralelo para obtener los niveles de tensión y corriente deseadas.


Tenemos tres opciones para la conexión de placas solares fotovoltaicas:

  • Conexión en Paralelo: se logra conectando todos los módulos por sus polos positivos y, por separado, por todos los polos negativos. Con esto, logramos incrementar la corriente generada en la rama (suma de las corrientes de cada panel en Amperios) pero se mantiene la misma tensión que la de uno de los paneles que componen la rama (volts).

En otras palabras, si conectamos los paneles en paralelo, a la salida de la rama tendremos la suma de las corrientes de cada “sub-rama” y la tensión de salida de cada “sub-rama”. Por ejemplo, si tuviéramos una instalación fotovoltaica aislada compuesta por 3 ramas en paralelo con una placa solar de 12V, de tensión nominal máxima 18,4V y corriente máxima de 8,37A. Si no hubiera pérdidas de ningún tipo (caso hipotético), el esquema de conexión de placas solares en paralelo se podría representar así:


Conexion en paralelo de sistema aislado

Como podemos ver en el esquema, en color naranja tenemos los valores de salida del sistema de generación fotovoltaico (los llamados paneles solares de 12V por ser usados para sistemas aislados con baterías), donde la tensión de salida que tendremos sería 18,4V (pues los paneles están conectados en paralelo) y la corriente 33,48A (pues al estar en paralelo se suma la corriente de cada rama a, b y c).


  • Conexión en Serie: para este tipo de configuración se conecta el polo positivo de un módulo, con el polo negativo del siguiente, así sucesivamente con cuantos paneles sean necesarios. Con esto se consigue aumentar la tensión (volts) y mantener el mismo valor de corriente generada (amperios).

La tensión generada será igual a la suma de cada una de las tensiones de cada panel que compone la rama (string), o dicho de otro modo, multiplicamos la tensión por panel por el número de paneles de la rama, pues siempre debemos conectar paneles de las mismas características unos con otros. Por ejemplo, consideremos en esta ocasión una instalación fotovoltaica de autoconsumo compuesta por una rama con 3 paneles en serie de placas con 37,45V de tensión y 8,98A de corriente máximas. Si no existieran pérdidas de ningún tipo (caso hipotético), el esquema de conexión de las placas en serie se podría representar así:


Conexión de celdas en serie

Observando el esquema anterior, tenemos en color naranja el resultado a la salida de la rama (c), tendremos la tensión resultante de la suma de cada una de las tensiones de cada panel que componen la rama en serie (112.35V) y la corriente será la misma que la de uno de los paneles (8.98A).


Al tener una conexión en serie, ¿Qué sucedería si se presenta alguna falla en un panel y hay que reemplazarlo por uno diferente?. Lo más probable es que no encontremos en el mercado el mismo panel, dada la evolución tecnológica de los mismos. Supongamos que adquirimos uno de 31.40V de tensión y 9.33A de corriente máxima.


Lo que sucederá al conectar este módulo en serie con los demás paneles ya instalados, es que toda la rama (string) se pondrá a trabajar a la corriente de menor magnitud, por lo que el sistema volverá a operar a la normalidad. Siempre debemos reemplazar un modulo dañado por uno de corriente mayor (A) a los ya instalados, ya que si hacemos lo contrario tendremos un efecto en cadena de caída en la producción en resto de las unidades.


  • Conexión mixta : esta sería la última opción de configuración que nos podemos encontrar, se trata una configuración donde encontramos ramas con paneles conectados en serie y a su vez, estas ramas, conectadas en paralelo. Esta configuración se usa cuando es necesario obtener determinadas corrientes y tensiones de salida y lo que hacemos es "jugar" con las opciones que nos dan los distintos tipos de conexión. Para muestra el siguiente ejemplo:


Conexión mixta para lograr un determinado nivel de tensión y corriente.

Notemos que bajo el esquema de conexión mixta, en el punto (nodo) (c) de la primera rama (string) tenemos la suma de tensiones de los paneles y la corriente unitaria, en el punto (nodo) (d), que es la salida del sistema, tendremos la misma tensión de salida de cada una de las ramas, pero como corriente de salida será la suma de la corriente de salida de cada una de las ramas, al encontrarse las dos ramas conectadas en paralelo.


En resumen, podemos concluir que bajo conexiones en serie la corriente total (de salida medida en A) es igual a la de uno de los paneles  que componen la rama (string) y la tensión total (de salida medida en volts) es la suma de la tensión de cada panel conectado en serie.  En conexiones en paralelo la tensión total de salida (medida en volts) es igual a la de salida cada rama y la corriente total de salida (medida en amperios) es la suma de corrientes de cada rama.


Caso práctico: Energía generada por un sistema de paneles solares


En los parrafos anteriores vimos la parte teórica en cuanto a energía generada por un panel y a su vez los tipos de conexiones. Ahora es momento de ponerlo en práctica que represente una herramienta para que cualquiera pueda calcular los paneles solares necesarios para sus sistema solar fotovoltaico.


Supongamos que nos inclinamos por unos módulos solares SolarWorld Sunmodule Plus SW 260 Poly. Este modelo tiene las siguientes características:

  • Tensión de circuito abierto (Voc): 38,4V

  • Tensión máxima (Vmpp): 31,4V

  • Corriente de cortocircuito (Isc): 8,94A

  • Corriente máxima (Impp): 8,37A


Bajo el supuesto de que nuestro sistema este compuesto por 10 paneles SolarWorld SW 260 Poly conectados en 2 ramas en paralelo con 5 paneles en serie por rama.

Vamos a calcular entonces, en función de lo explicado anteriormente, cuánta energía vamos a obtener de nuestros paneles.


Recordamos que, para saber la energía generada por nuestros paneles, tenemos la fórmula:


Esistema fotovoltaico = Isistemafotovoltaico · Vsistema-fotovoltaico · HSP · 0.9



En este caso, como tenemos 2 ramas en paralelo, con 5 paneles en serie por rama, podemos calcular fácilmetne la Isistemafotovoltaico y la Vsistema-fotovoltaico. Suponiendo un entorno ideal (sin pérdidas), tendríamos que:


Isistemafotovoltaico = Corriente máxima por panel · Número de ramas en paralelo = 8,37A · 2 = 16,74A


Vsistema-fotovoltaico = Tensión máxima por panel · Número de paneles en serie en cada rama = 31,4 · 5 = 157V


Nota: Estamos considerando siempre que todos los paneles usados son iguales y que cada rama tiene el mismo número de paneles conectados en serie.


Así pues, la energía generada diariamente, si nos encontramos en una zona con 4 HSP, sería la siguiente:


Esistema fotovoltaico = Isistemafotovoltaico · Vsistema-fotovoltaico · HSP · 0.9 16,74A · 157V · 4 · 0,9 = 9.461Whd = 9.46 kWhd


De este modo se puede calcular los paneles solares necesarios para una casa, un hotel, una fábrica… etc


https://www.sfe-solar.com/paneles-solares/calcular-paneles-solares-necesarios/

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