Dimensionamiento del sistema fotovoltaico
Esta publicación le ayudará a determinar cómo dimensionar un sistema fotovoltaico (PV). Al calcular la potencia, la corriente y el voltaje de salida necesarios, se puede estimar el tamaño y la cantidad de paneles fotovoltaicos. Además, los requisitos de voltaje y corriente determinarán cómo se conectan entre sí los paneles solares del conjunto. Primero, calcularemos la corriente eléctrica de un panel individual y entenderemos exactamente qué significan estos valores. Luego, veremos cómo se pueden conectar varios paneles en un panel solar y cómo calcular la corriente, el voltaje y la potencia de salida de todo el panel solar.
Especificaciones de paneles solares
La corriente eléctrica máxima, el voltaje y la potencia de salida generada por un panel solar los especifica el fabricante. Los valores indicados por el fabricante se miden en condiciones de prueba estándar (STC). Esta es una consideración importante si los paneles fotovoltaicos se utilizarán en condiciones distintas a STC. La temperatura de un panel en STC es de aproximadamente 77 °F, y la irradiancia solar incidente (la potencia por unidad de área recibida del Sol) en un panel en STC es de 1000 vatios por metro cuadrado (W/m2).
A medida que el sol pasa sobre nosotros durante el día, la luz del sol brilla sobre un panel en diferentes ángulos; por lo tanto, la producción de energía será diferente en diferentes momentos del día. Los fabricantes de paneles solares proporcionan un conjunto de números para ayudar a determinar la energía máxima producida por una célula solar. Los valores proporcionados por los fabricantes son:
1) Punto de máxima potencia (MPP): El MPP transmite la mayor potencia de salida en vatios que puede producir un panel solar en STC.
2) Voltaje y corriente en el MPP: El voltaje y la corriente en MPP muestran la cantidad de electricidad suministrada por el panel en STC.
3) Voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito: El voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito son importantes para probar, solucionar problemas y determinar la potencia de salida en MPP, pero no ocurren cuando el panel está en funcionamiento.
4) Coeficiente de temperatura: El coeficiente de temperatura explica cómo la producción de energía se ve afectada por los cambios en la temperatura del panel solar. Se deben considerar las temperaturas a las que estará expuesto el sistema al diseñar un sistema fotovoltaico.
5) Eficiencia de conversión de energía: La eficiencia del sistema para convertir la energía solar en energía eléctrica.
Conexión de varios paneles solares
Ahora que conocemos los tipos de especificaciones proporcionadas por el fabricante, examinaremos cómo conectar varios paneles solares para crear un panel solar. Las conexiones requeridas entre varios paneles en una matriz dependen de los requisitos de energía del sistema. Por ejemplo, es posible que necesite bajo voltaje con alta corriente o alto voltaje con baja corriente. Los requisitos exactos de voltaje y corriente dependerán de la configuración y el equilibrio de los componentes del sistema utilizados en el sistema fotovoltaico. Por ejemplo, un colector de carga y un banco de baterías en un sistema fuera de la red pueden requerir 24 V; por lo tanto, el panel solar debe diseñarse para satisfacer este requisito.
Los paneles solares se pueden conectar en serie, en paralelo o en una combinación de serie y paralelo. Cada panel genera un voltaje y una corriente específicos, y el voltaje total y la corriente total suministrados por el panel solar dependen de cómo están conectados los paneles. Primero examinaremos el sistema fotovoltaico cuando se conectan varios paneles en serie y luego examinaremos el sistema fotovoltaico cuando se conectan varios paneles en paralelo. Por último, examinaremos varias conexiones en serie y en paralelo.
Múltiples paneles solares en serie y paralelo
Supongamos que queremos conectar varios paneles en serie y cada panel produce el mismo voltaje y corriente. Cuando los paneles se conectan en serie, el cable positivo de un panel se conecta al cable negativo del siguiente panel. Suponga que cada panel genera un voltaje de salida de 10 V y una corriente de salida de 1 A. Cuando los paneles se conectan en serie, los voltajes se suman, pero la corriente sigue siendo la misma. Si se usa un multímetro para medir el voltaje total entre los terminales positivo y negativo en los extremos de los paneles, la medición sería de 20 V. Si se mide la corriente total, se leería 1 A. Este conjunto de dos paneles puede suministrar 20 V de electricidad, una corriente total de 1 A y una potencia de salida total de 20 W. La potencia de salida total es solo el voltaje total multiplicado por la corriente total, o 20 W. Este principio se extiende a cualquier número de paneles conectados en serie. Por ejemplo, si conectamos 12 de estos paneles en serie, tendríamos un voltaje total de 120 V, una corriente total de 1 A y una potencia de salida total de 120 W.
Ahora supongamos que tenemos los mismos dos paneles y los conectamos en paralelo. Cuando los paneles se conectan en paralelo, el cable positivo de un panel se conecta al cable positivo del siguiente panel. Cuando conectamos los paneles en paralelo, las corrientes son aditivas, pero el voltaje no cambia. Si se miden el voltaje y la corriente totales en este conjunto, encontraríamos que este conjunto de dos paneles puede suministrar 10 V de electricidad, una corriente total de 2 A y una potencia de salida total de 20 W. Similar a los paneles en serie , este principio se extiende a cualquier número de paneles conectados en paralelo. Por ejemplo, si conectamos 12 de estos paneles en serie, tendríamos un voltaje total de 10 V, una corriente total de 12 A y una potencia total de 120 W.
Ahora que hemos ilustrado las conexiones en serie y en paralelo en las células solares, se puede explorar una combinación de serie y paralelo. Supongamos que conectamos dos de los circuitos en serie en paralelo usando las especificaciones de los paneles de los ejemplos anteriores, donde cada celda genera 10 V y 1 A. Los voltajes se sumarán para cada par de paneles en serie; por lo tanto, el par de paneles generará 20 V y 1 A. Si tomamos dos de estos pares y los conectamos en paralelo, las corrientes son aditivas y el voltaje y la corriente totales de los cuatro paneles serán 20 V y 2 A.
Esta matriz suministraría un voltaje total de 20 V y una corriente total de 2 A. La potencia de salida total es la corriente total multiplicada por el voltaje total, por lo que la potencia de salida total es 40 W. Unir múltiples paneles en combinaciones de serie y paralelo Las conexiones permiten al diseñador aumentar o disminuir el voltaje y la corriente totales de todo el conjunto.
Podríamos extender esta teoría a cualquier número de paneles conectados en combinaciones de serie y paralelo. Por ejemplo, si tenemos tres grupos de paneles que queremos conectar en paralelo, y cada grupo consta de cuatro paneles en serie, podemos usar las mismas reglas para calcular cuánta energía generaríamos. Cada grupo de cuatro paneles en serie generaría 40 V y 1 A. Cuando estos grupos se conectan en paralelo, los tres grupos juntos generan un voltaje total de 40 V y una corriente total de 3 A. La potencia total de salida para todo el conjunto es el voltaje total multiplicado por la corriente total, o 120 W para este ejemplo.
La potencia total de salida en los ejemplos proporcionados hasta ahora es igual a la potencia de salida de cada panel (en este caso, 10 W por panel) multiplicada por el número de paneles. Por ejemplo, si tenemos 15 paneles y cada uno genera 50 W de potencia, la potencia de salida total es 15 x 50 W = 750 W. Ahora que podemos estimar la potencia de salida cuando se conectan varios paneles, podemos determinar cuántos paneles necesitaría para alimentar el hogar estadounidense promedio.
Determinar el tamaño de un panel solar
El hogar estadounidense promedio utiliza alrededor de 10.000.000 de vatios-hora de energía al año. Esto equivale a utilizar una media de 2800 W de potencia en todo momento. Algunos paneles solares pueden suministrar aproximadamente 300 W por panel cuando funcionan en MPP y STC. Si queremos suministrar 2800 W de potencia a una vivienda, podemos calcular el número de paneles que necesitaríamos para suministrar tanta potencia. Esto se puede encontrar tomando la potencia total requerida para suministrar 2800 W y dividiéndola por la potencia por panel (300 W). El cálculo predice que necesitaríamos 10 paneles para suministrar al menos 2800 W a una casa utilizando un panel solar.
El método utilizado para conectar estos 10 paneles dependerá de los requisitos del equilibrio de los componentes del sistema. Los colectores de carga en sistemas fuera de la red están clasificados para un voltaje de entrada máximo de cientos de voltios, pero el fabricante puede recomendar que se les suministre aproximadamente la mitad de este voltaje. Si un colector de carga recomienda que el voltaje total del panel solar no supere los 100 V, será necesario conectar los 10 paneles de modo que el voltaje total máximo generado por el panel solar sea significativamente inferior a 100 V. Debido a que la irradiancia solar en El panel solar no permanece igual en todo momento, el panel solar utilizado en este ejemplo generará mucho menos que el voltaje nominal. Obviamente, la cantidad real de electricidad que se genera y, por tanto, el voltaje de salida, depende de la hora del día, el clima, la latitud y el tiempo del área local.
Conclusión
En esta publicación, conocimos las especificaciones del fabricante en cuanto a potencia de salida, corriente y voltaje. Observamos cómo se pueden conectar varios paneles con una salida eléctrica idéntica para construir un panel solar. En realidad, la corriente y el voltaje generados por diferentes paneles solares no son exactamente iguales. Cuando tenemos paneles en serie que producen diferentes voltajes y corrientes, las reglas que vimos en este post pueden cambiar ligeramente. En realidad, los cálculos deben incluir muchos factores adicionales, incluido el equilibrio de los componentes del sistema, la hora del día, el clima, la latitud y el tiempo en el área local.
