APRENDE A CALCULAR Y DISEÑAR UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA PARA VIVIENDAS contenido del
MÁSTER EN INSTALACIONES DE EDIFICACIÓN SOSTENIBILIDAD Y EFICIENCIA ENERGÉTICA CON BIM
Inicio 28 de Septiembre 2016 | 11ª edición
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ÍNDICE DE CONTENIDO 1.
PRÓLOGO
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2.
RADIACIÓN SOLAR COMO FUENTE DE ENERGÍA: ENERGÍA SOLAR
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2.1 Parámetros geométricos solares
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PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE LA RADIACIÓN SOLAR
11
3.
4.
5.
3.1 Función y composición de una instalación solar fotovoltaica
12
3.2 Células fotovoltaicas
13
3.3 Módulo fotovoltaico
14
3.4 Campo fotovoltaico
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CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS
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4.1 Instalaciones fotovoltaicas aisladas de la red eléctrica
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4.2 Instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica
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CASO PRÁCTICO
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5.1 Introducción
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5.2 Datos de proyecto
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5.3 Comprobaciones
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5.3.1 Calcular la orientación e inclinación óptima y la distancia ente módulos
30
5.3.2 Calcular el número de módulos necesarios
31
5.3.3 Configuración de conexión del generador FV e inversor
32
5.3.4 Potencia y producción energética estimada del generador FV
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5.3.5 Valoración del rendimiento económico de la inversión
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5.4 Cálculo con el programa CYPELEC REBT
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PRÓLOGO El Máster aporta unos conocimientos y habilidades que permiten al participante, una vez terminado el Máster, abordar con rapidez y seguridad cualquier tipo de instalación
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1. PRÓLOGO Los contenidos del presente documento forman parte del “Máster en Instalaciones. Sostenibilidad y eficiencia energética con BIM” de Zigurat. En el Máster se aborda el diseño, cálculo y coordinación de todas las instalaciones que intervienen en una edificación, con un claro enfoque hacia la eficiencia energética y la sostenibilidad, a partir de soluciones basadas en energías renovables, como pueden ser las instalaciones fotovoltaicas. En esta muestra de contenido se explican y analizan, a partir de un primer enfoque teórico, diferentes casos prácticos de instalaciones fotovoltaicas y posteriormente se desarrolla uno de ellos mediante cálculos manuales. Finalizando con una comparativa entre el resultado obtenido manualmente y el simulado con el software CYPELEC REBT de Cype Ingenieros. En el Máster se desarrolla y profundiza en las instalaciones fotovoltaicas, realizando un recorrido por toda la normativa de aplicación y viendo distintos casos de aplicación, como el cálculo de una instalación fotovoltaica en una vivienda aislada.
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A más a más, las aptitudes que ofrece el Máster permiten al estudiante realizar cálculos completos en cualquiera de los ámbitos relacionados con la eficiencia y la optimización energética, posibilitando la toma de decisiones para obtener un ahorro energético considerable, siempre teniendo en cuenta el cuidado de los recursos naturales y la sostenibilidad medioambiental. Una vez estudiados y aplicados los ejemplos prácticos en los diferentes ámbitos de las instalaciones se plantea la resolución de un edificio completo como proyecto final. En este edificio se deberán aplicar todas las restricciones legales impuestas por la normativa, viendo las diferentes soluciones a aplicar en cada caso y calculando el conjunto de instalaciones que conforman el edificio. Gracias al modelado del edificio en 3D con BIM y la interoperabilidad con otros software, se puede observar cómo estas instalaciones interfieren entre ellas y cómo gestionarlas para optimizarlas en cada caso. Una vez terminado el Máster el alumno tendrá conocimientos y habilidades sobre todas las instalaciones pertenecientes a la edificación, gracias al desarrollo teórico realizado en los apuntes, los casos prácticos analizados y el desarrollo del proyecto final.
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ENERGÍA SOLAR La radiación solar incidente en una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar es siempre mayor que en la misma superficie colocada en cualquier otra posición
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2. RADIACIÓN SOLAR COMO FUENTE DE ENERGÍA: ENERGÍA SOLAR La energía solar es la energía contenida en la radiación solar que es transformada mediante los correspondientes dispositivos, en forma térmica o eléctrica, para su consumo posterior dónde se necesite. El elemento encargado de captar la radiación solar y transformarla en energía útil es el panel solar, pudiendo ser de dos clases: captadores solares térmicos y módulos fotovoltaicos. En el desarrollo de los contenidos del temario nos centraremos, como es lógico, en los módulos fotovoltaicos para la generación de energía eléctrica. Desde el punto de vista de su aprovechamiento energético podemos considerar el Sol como una esfera que emite una radiación, que se transmite a través del espacio a la velocidad de la luz, que se distribuye en una banda de longitudes de onda
equivalentes a la de un cuerpo negro a 6.000 ºK. La energía radiante del sol que se recibe en el exterior de la atmósfera terrestre es la denominada constante solar y tiene el siguiente valor: 1.353 W/m2 = 4.872 KJ/h·m2 Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmósfera donde experimenta diversos fenómenos de reflexión, absorción, y difusión que disminuyen la intensidad final. La atmósfera terrestre atenúa la radiación solar debido a los fenómenos de reflexión, absorción y difusión que los componentes atmosféricos (moléculas de aire, ozono, vapor de agua, CO2, aerosoles, etc.) producen sobre ésta.
Figura 2.1: Tipos de radiación solar
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La difusión que se produce debida a la presencia de polvo y a la contaminación del aire depende, en gran medida, del lugar dónde se mida, siendo mayor en los lugares industriales y en los lugares más poblados. Los efectos meteorológicos locales tales como la nubosidad, lluvia o nieve afectan también a la irradiancia solar que llega a un determinado lugar. La radiación que llega directamente del Sol es la denominada Radiación Directa y la que previamente es absorbida y difundida por la atmósfera (muy significativa, por ejemplo, en días nublados) es la Radiación Difusa. La radiación solar, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies en las que incide dando lugar a la Radiación Reflejada. La reflexión dependerá de las características y naturaleza de la superficie reflectora.
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Teniendo en cuenta todos estos parámetros, la irradiancia que incide en un plano horizontal de la superficie terrestre un día claro al mediodía alcanza un valor máximo de 1.000 W/m2 aproximadamente. Este valor depende del lugar, y sobre todo, de la nubosidad. Para poder efectuar el diseño de una instalación fotovoltaica es necesario saber la radiación del lugar. Para ello se debe disponer de las tablas de radiación solar actualizadas de nuestro emplazamiento, siendo los institutos de energía los que elaboran los atlas de radiación. Para el caso concreto de España, se dispone de las tablas de radiación solar media diaria anual disponibles en el Documento Básico de Ahorro de Energía: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica (DB-HE5).
La RADIACIÓN SOLAR GLOBAL es la suma de los tres tipos antes citados, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADA, y es la que podemos aprovechar para su transformación térmica o eléctrica.
Figura 2.2: Apartado 4.1 del DB-HE5 (Zonas climáticas)
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2.1 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS SOLARES Para el cálculo de la producción energética de una instalación solar es necesario conocer la irradiación solar en el plano correspondiente a la instalación y la trayectoria del sol en el lugar y en las diferentes épocas del año. La situación del sol en un lugar cualquiera viene determinada por la altura y el azimut del sol. Otro aspecto importante es la trayectoria del sol, en relación al posicionamiento de la instalación de los módulos fotovoltaicos, en días determinados del año (solsticios de verano e invierno, equinoccios de primavera y otoño). Los demás días del año el sol recorre trayectorias intermedias. La posición del sol en un determinado lugar y un determinado momento es un dato que se puede obtener con relativa facilidad, al igual que el ángulo de incidencia con cualquier plano.
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Para saber más... · Ángulo de inclinación del módulo (β): Ángulo que forma la superficie de los módulos con el plano horizontal (Figura 2.3 y Figura 2.4). Su valor es 0° para módulos horizontales y 90° para verticales. · Ángulo de azimut del módulo (α): Ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano del lugar (Figura 2.3 y Figura 2.4). Valores típicos son 0° para módulos orientados al sur, 90° para módulos orientados al este y +90° para módulos orientados al oeste. · Altura solar (ψ): Ángulo formado por un rayo de sol directo y el plano horizontal (Figura 2.3). · Ángulo cenital solar (ϴ2): Es el formado por el rayo solar y la normal a la superficie horizontal, es decir, sería el complementario a la altura solar (Figura 2.3). También es conocido como distancia cenital. · Ángulo de azimut del sol (γ): Ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal del rayo solar directo y el meridiano del lugar (Figura 2.3).
Figura 2.3: Parámetros geométricos solares
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Para obtener la máxima producción energética posible, en España el DB-HE5 establece que la posición fija de los módulos fotovoltaicos debe ser tal que se considerará como la orientación óptima el sur (α). La inclinación óptima (β) depende de la latitud geográfica y del periodo de producción energética preferentemente fijado: • Invierno: ϕ + 10º (Producción energética óptima para invierno) • Verano: ϕ – 20º (Producción energética óptima para verano)
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La radiación solar incidente en una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar es siempre mayor que en la misma superficie colocada en cualquier otra posición. Al variar el azimut solar y la altura solar a lo largo del día y del año, el ángulo de incidencia de radiación óptimo en una superficie dada no es constante. La situación óptima se daría en un plano (plano de la superficie de captación) cuya inclinación y orientación varía constantemente. Generalmente la superficie de captación es fija, pero también tenemos la posibilidad de colocar captadores con seguimiento solar.
• Anual: ϕ – 10º (Producción energética óptima para todo el año)
Figura 2.4: Ángulo de inclinación (β) y ángulo de azimut (α) del módulo
Figura 2.5: Trayectorias del sol según estaciones del año
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Para instalaciones solares fotovoltaicas se emplea un concepto relacionado con la radiación solar que simplifica el cálculo de las prestaciones energéticas de este tipo de instalaciones, este parámetro son las “horas sol pico” (HSP). Se denomina HSP al número de horas diarias que, con una irradiancia solar ideal de 1.000 W/m2 proporciona la misma irradiación solar total que la real de ese día. Es decir, si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día y se divide entre 1.000, se obtienen las HSP. Se puede deducir fácilmente que si los valores de radiación solar disponibles están expresados en kWh/m2, coinciden numéricamente con los que resultan al expresarlos en HSP.
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Para saber más... Ejemplo: Para una irradiación solar diaria de 5 kWh/m2, el resultado en horas sol pico (HSP) sería:
5 kWh/m2 HSP = 1000 W/m2
5000 W/m2 = 1000 W/m2
=5
El hecho de referir las HSP a una irradiancia de 1.000 W/m2 es de gran interés, ya que la potencia de los paneles está asociada a un valor de radiación solar de 1.000 W/m2, por lo que si conocemos las HSP se podrá obtener la producción energética del panel multiplicando la potencia del panel por las HSP.
Figura 2.7: Concepto de “Horas Sol Pico (HSP)”
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Figura 2.6: Seguidor solar
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ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE LA RADIACIÓN SOLAR La generación de energía eléctrica, sin emisión de contaminantes, se produce como resultado de la captación directa de energía solar mediante la intervención del llamado efecto fotovoltaico
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3. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE LA RADIACIÓN SOLAR 3.1 FUNCIÓN Y COMPOSICIÓN DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA Una instalación fotovoltaica tiene como objetivo producir energía eléctrica a partir de la energía solar. Esta generación de energía eléctrica, sin emisión de contaminantes, se produce como resultado de la captación directa de energía solar y mediante la intervención del llamado efecto fotovoltaico. Se puede decir que un sistema fotovoltaico completo está formado por tres subsistemas. De un lado están los dispositivos fotovoltaicos (células, módulos y generadores) que convierten la energía solar en energía eléctrica (DC o CC). Por otro lado se tiene la carga o consumos para los que se genera la electricidad. Entre ellos, es necesario un tercer subsistema para acondicionar la electricidad generada a las cargas de consumo. Habitualmente a este tercer subsistema se le denomina balance del sistema (BOS). El BOS consiste principalmente en las estructuras soporte para montar los generadores, el sistema de acondicionamiento de potencia y el sistema de baterías. Estos compo-
nentes como los reguladores de carga, las baterías y los inversores tienen la misión de regular, almacenar, acondicionar y suministrar la electricidad. La batería es el componente que almacena la energía eléctrica generada por los módulos fotovoltaicos, en caso de no ir conectada la instalación a la red. El regulador es el que controla el proceso de carga y, en ocasiones, el de descarga de la batería. Y finalmente es el inversor el que transforma la corriente continua en corriente alterna a 220/230V y 50Hz. En esta parte de producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar, nos centraremos en los componentes de la instalación fotovoltaica, sea de forma agrupada o de forma individual, encargados de realizar la captación solar: células fotovoltaicas, módulos fotovoltaicos y los campos fotovoltaicos. Todas estas modalidades tienen la categoría de generador fotovoltaico.
Figura 3.1: Proceso fotovoltaico
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3.2 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS Mediante las células fotovoltaicas, también llamadas celdas fotovoltaicas, la radiación solar se transforma directamente en electricidad, aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores. Cuando la luz del sol (fotones) incide en una de las caras de la célula, genera una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía. Las células fotovoltaicas, (generalmente de color negro o azul oscuro), se asocian en grupos y se protegen de la intemperie formando módulos fotovoltaicos. El material base usado para la fabricación de las células fotovoltaicas es el silicio (se obtiene a partir de arena). La célula fotovoltaica está formada por un material semiconductor en el cual se ha realizado una unión “p-n” que da lugar a un campo eléctrico que posibilita el efecto fotovoltaico. A estos materiales semiconductores se les añaden impurezas, y de acuerdo a la impureza introducida en el material semiconductor se obtienen materiales semiconductores tipo “n” con un mayor número de electrones libres y materiales tipo “p” con un mayor número de cargas positivas o huecos. Información más detallada en los apuntes completos del Máster de Instalaciones
Figura 3.2: Célula fotovoltaica y módulo fotovoltaico (panel solar fotovoltaico)
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3.3 MÓDULO FOTOVOLTAICO Tal y como se indica anteriormente, un módulo fotovoltaico es la asociación de células fotovoltaicas que se protegen de la intemperie. A partir de las células, se pasa a la fabricación y ensamblaje de los módulos fotovoltaicos que conocemos comercialmente. Este módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de células FV eléctricamente conectadas unas a otras, encapsuladas y montadas en un laminado y una estructura soporte o marco. Los módulos se diseñan para suministrar electricidad a un voltaje concreto (normalmente 12 V o 24 V). La corriente producida está en proporción al nivel de insolación. La estructura del módulo da protección a las células contra el medioambiente, haciendo que sean muy duraderos y con gran fiabilidad. Se puede decir que el objetivo principal del módulo fotovoltaico consiste en la interconexión eléctrica de un determinado número de células solares de forma que la tensión y corriente suministrados se incremente hasta ajustarse al valor deseado. La unión eléctrica puede ser en serie, se suman las tensiones unitarias manteniéndose fija la corriente, o en paralelo, se mantiene fija la tensión y se suman las corrientes. Posteriormente, este conjunto es encapsulado de forma que quede protegido de los agentes atmosféricos que le puedan afectar cuando esté trabajando a la intemperie, dándole a la vez rigidez mecánica y aislándolo eléctricamente.
Figura 3.3: Módulos fotovoltaicos
Figura 3.4: Partes de un módulo fotovoltaico
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3.4 CAMPO FOTOVOLTAICO En las instalaciones fotovoltaicas normalmente se requiere el empleo de más de un módulo para satisfacer las demandas energéticas de las mismas, por este motivo se asocian en serie o en paralelo hasta que se adquieren los valores de intensidad y voltaje deseados. El conjunto de todos los módulos que constituyen el sistema de generación recibe el nombre de campo fotovoltaico o array (del inglés, array = tabla, matriz, formación). Por lo general los módulos están interconectados entre si formando unidades que se suelen denominar Grupos. Los grupos se unen para formar el campo de módulos fotovoltaicos. Para mayor simplicidad se supone que el módulo está constituido por células idénticas, con lo cual los valores de voltaje aparecen multiplicados por el número de células en serie, y los de corriente por el número de células en paralelo. En la práctica, debido a la dispersión de los parámetros de las células en el proceso de fabricación, y a la posibilidad de que no todas ellas trabajen en las mismas condiciones. Un ejemplo claro sería el caso en que, un campo de módulos fotovoltaicos de gran área, una parte del mismo estuviese afectado por una nube y otra no, o el caso de un sistema integrado en un edificio en el cual una parte del mismo estuviera sombreado por edificios colindantes y el resto no. Algunos de estos efectos son evitables poniendo especial cuidado en el diseño del sistema, pero otros resultan impredecibles e inevitables, por lo que se ha de recurrir a protecciones en el sistema. Los dos efectos principales que produce esta dispersión de parámetros son: • Reducción de la potencia máxima del campo. • Algunas células pueden convertirse en cargas, disipando parte de la energía producida por las demás. El primer efecto, el de dispersión de los parámetros, se conoce también con el nombre de pérdidas por desacoplo.
Figura 3.5: Campo fotovoltaico
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Los fabricantes de módulos suelen clasificar las células por categorías de forma que las que componen un mismo módulo no tengan una dispersión grande en sus valores de Isc, para minimizar estas pérdidas. De la misma manera operan con los módulos, los clasifican de acuerdo con la corriente en el punto de máxima potencia, para luego asociar en serie sólo módulos que estarían dentro de la misma categoría, suponiendo una considerable reducción de las pérdidas por desacoplo. En general estos factores están muy estudiados en base a los datos de producción de lotes de módulos fotovoltaicos, existiendo expresiones que relacionan los parámetros principales de los módulos con distribuciones estadísticas. El efecto de sombreado parcial es en muchos casos inevitable, y puede provocar que una célula sombreada invierta su polaridad convirtiéndose por lo tanto en una carga que disipará toda la energía producida por el resto de las células. Si la potencia disipada tiene un valor elevado la célula elevará su temperatura pudiendo llegar a su destrucción. Este fenómeno se conoce con el nombre de punto caliente, y para evitarlo se recurre a la inserción de protecciones (diodos).
Video 1: Generación de la energía mediante módulos fotovoltaicos
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CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS Los distintos tipos de configuraciones de instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos grandes grupos de instalaciones: Instalaciones fotovoltaicas conectadas a red e Instalaciones fotovoltaicas aisladas de la red
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4. CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS Los distintos tipos de configuraciones de instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos grandes grupos de instalaciones: • Instalaciones fotovoltaicas aisladas de red
Figura 4.1: Esquema de instalación fotovoltaica aislada de red
• Instalaciones fotovoltaicas conectadas a red
Figura 4.2: Esquema de instalación fotovoltaica conectada a red
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4.1 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS DE LA RED ELÉCTRICA Primeramente encontramos las instalaciones aisladas de la red eléctrica, también llamados sistemas autónomos fotovoltaicos. Son sistemas en los que la energía generada tiene un uso directo o se almacena en baterías para poder disponer de su uso cuando sea preciso. Estos sistemas se emplean sobre todo en aquello lugares en los que no se tiene acceso a la red eléctrica, y resulta más económico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de consumo. Entre las posibles configuraciones de los sistemas fotovoltaicos autónomos, encontramos desde sistemas simples, tales como un generador fotovoltaico (FV) operando con un consumo en DC (DC, corriente continua), hasta sistemas con almacenamiento y con consumos en DC o en DC+AC (AC, corriente alterna). El hecho de incorporar un inversor en un sistema FV, para hacer posible la utilización de consumos en AC, acarrea una disminución en el rendimiento de operación del sistema a potencias muy inferiores a la potencia nominal del inversor, debido a la curva de rendimiento típico del inversor.
Debido a que los paneles solamente producen energía durante las horas de sol, y la energía es necesaria durante las 24 horas del día, tendremos que incluir un sistema de acumulación. Durante las horas de luz solar tendremos que producir más energía que la consumida, para así acumular la restante y poder utilizarla cuando no se esté generando. La energía eléctrica generada por conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir una determinada demanda eléctrica en lugares remotos, aislados de la red eléctrica, y de este modo resultan competitivos respecto a los sistemas convencionales, tanto económicamente como por fiabilidad de suministro. El cálculo de la cantidad de energía que se debe acumular viene determinado por las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad previsto. En zonas dónde el número de días soleados al año sea elevado, se tendrá que acumular poca energía. Si el periodo sin sol es suficientemente largo, se tendrá que acumular más cantidad de energía.
Figura 4.3: Esquema y componentes de una instalación fotovoltaica aislada de red
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Debido a que los paneles solamente producen energía durante las horas de sol, y la energía es necesaria durante las 24 horas del día, tendremos que incluir un sistema de acumulación. Durante las horas de luz solar tendremos que producir más energía que la consumida, para así acumular la restante y poder utilizarla cuando no se esté generando. La energía eléctrica generada por conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir una determinada demanda eléctrica en lugares remotos, aislados de la red eléctrica, y de este modo resultan competitivos respecto a los sistemas convencionales, tanto económicamente como por fiabilidad de suministro. El cálculo de la cantidad de energía que se debe acumular viene determinado por las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad previsto. En zonas dónde el número de días soleados al año sea elevado, se tendrá que acumular poca energía. Si el periodo sin sol es suficientemente largo, se tendrá que acumular más cantidad de energía.
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El número de paneles a instalar debe calcularse considerando: • La demanda energética en los meses más desfavorables. • Las condiciones técnicas óptimas de orientación e inclinación de los módulos, dependiendo del lugar de la instalación. Para optimizar el sistema se requiere un cálculo correcto de la demanda, lo que evita el sobredimensionamiento de la instalación. Es aconsejable la utilización de electrodomésticos y de una iluminación de bajo consumo eléctrico, al igual que cualquier otro tipo de carga que se pretenda abastecer con la instalación fotovoltaica.
Figura 4.4: Configuraciones sistema FV aislada de red
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Las principales aplicaciones de los sistemas aislados son: - Electrificación de viviendas y edificios, principalmente para iluminación y electrodomésticos de baja potencia. - Alumbrado público. - Aplicaciones agropecuarias y ganaderas. - Bombeo y tratamiento de agua. - Antenas de telefonía aisladas de la red. - Señalización y comunicaciones. Otras instalaciones, cuyo número es notablemente inferior a las anteriores, son las instalaciones mixtas, en las que se complementa una instalación fotovoltaica aislada con otro tipo de recurso energético como pueden ser los grupos electrógenos o aerogeneradores.
Figura 4.5: Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos aislados
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4.2 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS CONECTADAS A RED ELÉCTRICA En segundo lugar encontramos las instalaciones conectadas a la red eléctrica, son sistemas en los que la energía generada se envía a la red eléctrica convencional para su distribución dónde sea demandada. Esta aplicación se ajusta muy bien a la curva de demanda de la electricidad. Cuando más energía se genera por los paneles, es decir mayor cantidad de radiación solar, es cuando más electricidad se demanda. Al instalar un sistema FV conectado a la red, disponemos de una minicentral eléctrica que inyecta kWh verdes a la red, para que se consumen allí dónde los demanden. Para que estas instalaciones sean técnicamente viables se requiere: • La existencia de una línea de distribución eléctrica próxima, con capacidad para admitir la energía generada por la instalación fotovoltaica. • La determinación del punto de conexión con la compañía distribuidora. • Proyectar un sistema que incluya equipos de generación y transformación de primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente garantizados y verificados por los fabricantes, de acuerdo a la legislación vigente. • Una instalación realizada por un instalador especializado. En las instalaciones conectadas a red, el tamaño de la instalación no está sujeto al consumo de electricidad de la vivienda o edificio, lo que facilita considerablemente el diseño. Para dimensionar la instalación es obligatorio conocer la inversión inicial, el espacio disponible y la rentabilidad que se quiere lograr, puesto que el consumo de electricidad es totalmente independiente de la energía producida por los paneles FV.
Figura 4.6: Esquema de instalación fotovoltaica conectada a red
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Algunas de las aplicaciones de estos sistemas son las siguientes: - Instalaciones en terrazas, tejados, etc.: Para viviendas que dispongan de conexión a la red de distribución eléctrica. Se aprovecha la superficie del tejado para colocar los sistemas modulares de fácil instalación.
- Integración en edificios: Consiste en la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por nuevos elementos arquitectónicos que incluyen el sistema de captación fotovoltaico, y que por lo tanto son generadores de energía.
- Plantas de producción: Son aplicaciones de carácter industrial que pueden instalarse en zonas rurales no aprovechadas para otros usos (huertos solares y cooperativas energéticas) o sobrepuestas en grandes cubiertas de zonas urbanas (aparcamientos, zonas comerciales, edificios de la administración pública, etc.).
Figura 4.7: Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos conectados a red
Video 2: Clasificación de las instalaciones fotovoltaicas
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CASO PRÁCTICO En este caso práctico se justifica el diseño, cálculo y dimensionado de una instalación fotovoltaica conectada a la red de distribución, de tal manera que esta instalación fotovoltaica está capacitada para inyectar energía en la red eléctrica de distribución
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5. CASO PRÁCTICO 5.1 INTRODUCCIÓN Debido al nivel de complejidad y de fundamentos teóricos que exigirían el desarrollo de un diseño y cálculo completo con alto nivel de detalle, con todos los elementos y equipamiento necesario para la instalación de este tipo, se resuelve este caso práctico basándonos en los métodos de dimensionamiento fácilmente resolubles mediante cálculos manuales. El diseño completo de una instalación, incluyendo la selección de componentes, se llevará a cabo generalmente con programas informáticos de cálculo, cómo es el caso de este curso apoyándonos en CYPELEC REBT. Con ayuda del programa, el diseño y los cálculos serán más precisos y estarán justificados en todo momento. En este caso trataremos de justificar el diseño, cálculo y dimensionado de una instalación FV conectada a la red de distribución, de tal manera que
esta instalación FV está capacitada para inyectar energía en la red eléctrica de distribución, y tiene como misión principal la de abastecer a una vivienda unifamiliar aislada que existe en el mismo terreno dónde se encuentra el campo o generador FV. El diseño no incluye la etapa de acumulación de la energía producida. Se supone que la parcela es lo suficientemente extensa, en cuanto a superficie se refiere, para albergar sin interferencia alguna el generador FV y la vivienda unifamiliar aislada. Tampoco existen obstáculos próximos al generador FV que provoquen sombras sobre los módulos. El terreno es llano, permitiendo una instalación de los módulos FV en horizontal sobre soportes fijos. La instalación trabajará en condiciones de orientación e inclinación de los módulos FV con valores óptimos, considerando el diseño para todo el periodo anual de producción energética.
Figura 5.1: Esquema unifilar de una instalación fotovoltaica conectada a red
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5.2 DATOS DE PROYECTO El emplazamiento de la instalación es la localidad de Rueda, en la provincia de Valladolid, España. La latitud del lugar es 41,66º y la longitud de -4,75º. El periodo de diseño para el que se proyecta la instalación FV es anual, aprovechamiento energético durante todo el año. Los datos de la irradiación del lugar según AEMET son los siguientes:
Figura 5.2: Datos de partida: producción energética estimada
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La estimación de la energía entregada a la red se realizará de acuerdo con la siguiente ecuación:
Ep =
Gdm (α , β ) ⋅ Pmp ⋅ P R GCEM
, (kWh / día )
Dónde: Gdm (α,β) = Valor medio de la irradiación diaria sobre el plano del generador, a partir de los datos de irradiación sobre superficie horizontal. En kWh/m2·día. Para obtener este dato se utiliza la siguiente ecuación:
G dm (α , β ) = 1,15 ⋅ G dm (0) Pmp = Potencia pico del generador solar en kWp. Dependerá del número de módulos de la instalación. PR = Rendimiento energético, donde se estiman: perdidas cableados, transformadores, temperaturas módulos, disponibilidad instalación, suciedades, rendimientos equipos, etc. Se establece como valor medio 75 %. Gcem = 1 kW/m2 (Irradiación sobre los paneles en Condiciones Estándar de Medida). En cuanto al tipo de módulos del generador FV y el tipo de inversor, se utilizan los siguientes: • Módulos fotovoltaicos: Fabricante Eurener - Modelo PEPV-235 • Inversor: Fabricante Ingecon Sun – Modelo 4,6 TL Se pretende instalar un generador FV de aproximadamente 5.500 Wp (5,50 kWp), conectando los módulos de tal manera que se encuentren dentro del rango de funcionamiento del inversor escogido para esta instalación.
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El precio de la energía de consumo pagada a la compañía eléctrica distribuidora es de aproximadamente 0,20 €/kWh, incluyendo impuestos y términos fijos. La energía vertida a la red eléctrica en este caso no contempla remuneración alguna, ni tampoco está sometida al nuevo “Impuesto al sol” aprobado en el RD 900/2015 por tratarse de una instalación menor de 10 kWp. Sin embargo, debe registrarse la instalación y realizar todos los demás exigencias que exige el RD, incluyendo control de consumos. Las comprobaciones que se pretenden realizar en este proyecto son las siguientes: • Calcular la orientación e inclinación óptima de los módulos, así como la distancia entre ellos. • Calcular el número de módulos necesarios para el equipamiento seleccionada • Configuración de conexión del generador FV que sea compatible con inversor. Se facilitan los datos de la temperatura ambiente del emplazamiento de la instalación para realizar las comprobaciones pertinentes. (Figura 3.5) • Calcular la potencia del generador FV instalado y la producción energética estimada entregada a la red y al autoconsumo (por día, por mes y anual). • Valorar el rendimiento económico con números aproximados. Se estima que la inversión de esta instalación FV es de 2,0 €/Wp. Para el autoconsumo de la vivienda se ha estimado, según histórico de facturas y los tipos de cargas de consumo dentro de la vivienda, que la energía promedio mensual consumida en el periodo de producción energético (periodo diario en el que existe radiación solar). (Figura 3.6)
El consumo de energía eléctrica promedio mensual en la vivienda es de 275 kWh. Se estima que con la implantación del generador FV se puede ahorrar un 80% de consumo de la energía de red, que aproximadamente será una media de 220 kWh/mes.
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Figura 5.3: Características técnicas módulo FV: modelo PEPV-235
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Figura 5.4: Características técnicas inversor: modelo 4,6 TL
Figura 5.5: Temperatura ambiente
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Figura 5.6: Consumos energéticos estimados para el aprovechamiento solar
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5.3 COMPROBACIONES 5.3.1 CALCULAR LA ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN ÓPTIMA Y LA DISTANCIA ENTRE MÓDULOS En nuestro caso, según el apartado 4.1.2. “Orientación e inclinación y sombras” del Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red del IDAE, como se comenta en el enunciado no hay restricción para la orientación e inclinación de los módulos, y además no existe posibilidad de sombras.
De esta forma llegamos a la conclusión de que la orientación e inclinación óptima de los módulos fotovoltaicos es:
Como se comenta en los contenidos del temario, en nuestras latitudes, la orientación óptima de los módulos fotovoltaicos es hacia el Sur, por lo que como no tenemos limitación los colocaremos hacia el Sur (α = 0º).
La distancia entre módulos se realiza según el método especificado en el Anexo III del PCT del IDAE. Para ello debemos realizar unos cálculos iniciales partiendo de los datos que tenemos de antemano: inclinación de los módulos β = 31,66º y altura de los módulos 1676 mm (dimensiones según Figura 3.3).
Del mismo modo, la inclinación óptima (β) de los módulos fotovoltaicos depende de la latitud del lugar (ϕ) donde se van a instalar y del período de producción escogido, empleando una inclinación comprendida entre los +10º y -20º, más o menos respecto la latitud. El criterio según el período de producción escogido es: • Invierno: ϕ + 10º • Verano: ϕ – 20º
αopt = 0º βopt = 31,66 º
Para calcular h del Anexo III, tenemos que: h = Largo panel (l) · sen β = 1676 · sen (31,66º) = = 1676 x 0,5248 = 880 mm La distancia mínima entre los módulos, para que no generan sombras entre sí, será de esta forma tal que: d = h / tan (61º - Latitud) = 880 mm / tan (61º 41,66º) = 2507,27 mm
• Anual: ϕ – 10º Como tenemos los paneles orientados hacia el Sur y no tenemos limitaciones, buscaremos el ángulo de inclinación óptimo que no suponga pérdida alguna. De esta forma, siguiendo los pasos que se indican en el Anexo II del PCT del IDAE, para una latitud de ϕ = 41,66º como en nuestro caso, tenemos que:
dmin = 2,50 m
β = ϕ – 10º = 41,66º - 10º = 31,66º
Figura 5.7: Esquema de distancias mínimas
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5.3.2 CALCULAR EL NÚMERO DE MÓDULOS NECESARIOS Para estimar el número de módulos, hay que recordar que la potencia nominal del inversor debe ser aproximadamente el 80% de la generada por los módulos. La cifra de 5,50 kWp es una primera estimación, y resulta conveniente ceñirse a la potencia de los inversores y módulos para conseguir una configuración equilibrada. Para la instalación se ha seleccionado un inversor con una potencia nominal inferior a 5 kW, con lo cual se podrá realizar la conexión de salida en modo monofásico. Según los datos facilitados por el enunciado de esta práctica, debemos tener en cuenta que debemos dimensionar un generador fotovoltaico de 5,50 kWp aproximadamente. Según los datos de la ficha técnica de los módulos a instalar, la potencia de cada módulo es de 235 Wp, y teniendo en cuenta que la potencia nominal del inversor debe ser aproximadamente el 80% de la generada por los módulos tenemos que: Potencia nominal inversor = 0,8 x Potencia módulos (Pn = 0,8 x Pmp) Pmp = Pn / 0,8 = 4.600 / 0,8 = 5.750 Wp del campo de módulos por inversor Pmp = 5.750 Wp del Generador FV Como sabemos que potencia de cada módulo es de 235 Wp: 5.750 Wp / 235 Wp módulo = 24,46 módulos Debemos redondear a un número entero inferior de la parte decimal (si redondeamos a un número entero superior no cumpliríamos la condición de potencia nominal mínima del inversor seleccionado), por lo que debemos colocar 24 módulos.
La solución sería de 24 módulos con una potencia total del generador fotovltaico de: 24 x 235 Wp = 5.640 Wp = 5,64 kWp
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5.3.3 CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN DEL GENERADOR FV E INVERSOR Para plantear una solución con la configuración de los módulos que forman el generador FV, debemos recordar que las agrupaciones en serie suman tensión y trabajan con la misma intensidad, mientras que en paralelo se suma intensidad y se trabaja con la misma tensión. Para la conexión de entrada al inversor, lo recomendable sería diseñar la combinación de serie – paralelo de módulos con la que podemos entrar al inversor dentro del intervalo de tensión permitida al igual que la intensidad máxima de funcionamiento. Se plantea una solución en la que se instala un único inversor para el generador FV, es decir, tenemos una potencia total de 5.640 Wp formada por 24 módulos para ese inversor. Ahora buscamos la configuración más adecuada para no sobrepasar la tensión e intensidad máxima de entrada del modelo de inversor seleccionado. La configuración de 24 módulos (serie – paralelo) no debe sobrepasar los límites establecidos por el inversor: • Mínima tensión - Máxima tensión: 125 - 450 V • Máxima intensidad: 33 A Sabiendo que por módulo tenemos un voltaje máximo de 30,07 V e una intensidad máxima de 7,83 A, a priori, a la espera de realizar todas las comprobaciones, podríamos plantear las siguientes configuraciones posibles: • Opción 1: 2 filas o ramas (ramas conectadas en paralelo) de 12 módulos (en serie) = 24 módulos • Opción 2: 3 filas o ramas (ramas conectadas en paralelo) de 8 módulos (en serie) = 24 módulos Debemos verificar las siguientes comprobaciones para cada una de las opciones propuestas: • Tensión y corriente en el punto de máxima potencia (PMP). • Corrección de tensión y corriente debido a la temperatura.
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Opción 1 Tensión y corriente en el punto de máxima potencia (PMP) Tensión máxima pico del módulo (Vpmp): 12 módulos en serie (se suma la tensión) 12 x 30,7 V = 360,84 V < 450 V (inversor)
cumple
Intensidad máxima potencia del módulo (Ipmp): 2 filas o ramas (12 módulos en serie cada fila) conectadas en paralelo: se suma la intensidad correspondiente a cada fila de 12 módulos 2 filas x 7,83 A = 15,66 A < 33 A (inversor)
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cumple
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Opción 1 Corrección de tensión y corriente debido a la temperatura En la Figura 3.5 se pueden consultar los valores de la temperatura ambiente para cada uno de los meses, dónde encontramos los valores pésimos para verano en el mes de Julio con 21,64 ºC y para invierno en el mes de Enero con 4,24 ºC. Con estas temperaturas ambiente, la temperatura de célula será distinta a 25 ºC, valor considerado como condición estándar de medida y para el cual se muestran los parámetros fundamentales de los paneles o módulos solares. En cuanto a la temperatura ambiente para verano, apenas existe diferencia con la temperatura ambiente de 20 ºC de las condiciones estándar. Para inverno la diferencia de temperaturas es más notable. Las temperaturas ambiente de invierno y de verano apenas modificarán los valores estándar de medida, ya que no se trata de condiciones extremas, y además los coeficientes correctores de temperatura (tensión a circuito abierto y corriente de cortocircuito) para los módulos seleccionadas son muy bajos, por lo que las variaciones son poco notables como se demuestra a continuación. Temperatura ambiente de 21,64 ºC en Julio: Tc = Tamb + ( (TONC - 20) / 800 ) · E Tc = 21,64 + ( (44 - 20) / 800 ) · 1000 = 51,64 ºC Voc (X ºC) = Voc (25 ºC) · [1 + (ΔT · β_Voc)] Voc (51,64 ºC) = 37,32 · [ 1 + (51,64 - 25) · (- 0,00312)] = 34,21 V Isc (X ºC) = Isc (25 ºC) · [1 + (ΔT · α_Isc)] I(sc (51,64 ºC) = 8,40 · [1 + (51,64 - 25) · (0,00075)] = 8,56 A Temperatura ambiente de 4,24 ºC en Enero: Tc = Tamb + ( (TONC - 20) / 800 ) . E Tc = 4,24 + ( (44 - 20) / 800 ) . 100 = 7,24 ºC Voc (X ºC) = Voc (25 ºC) . [ 1 + (ΔT.β_Voc) ] Voc (7,24 ºC) = 37,32 . [ 1 + (7,24 - 25) . (-0,00312) ] = 39,38 V Isc (X ºC) =Isc (25 ºC) . [ 1 + (ΔT . α_Isc) ] Isc (7,24 ºC) = 8,40 . [ 1 + (7,24 - 25) . (0,00075) ] = 8,29 A Tensión máxima a circuito abierto del módulo (Voc), valor más desfavorable para Enero: 12 módulos en serie (se suma tensión) 12 x 39,38 V = 472,56 V > 450 V (inversor)
no cumple
Intensidad máxima de cortocircuito del módulo (Isc), valor más desfavorable para Julio: 2 filas o ramas (12 módulos en serie cada fila) conectadas en paralelo: se suma la intensidad correspondiente a cada fila de 12 módulos 2 filas x 8,56 A = 17,12 A < 33 A (inversor)
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cumple
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Opción 2 Tensión y corriente en el punto de máxima potencia (PMP) Tensión máxima pico del módulo (Vpmp): 8 módulos en serie (se suma tensión) 8 x 30,7 V = 245,6 V < 450 V (inversor)
cumple
Intensidad máxima potencia del módulo (Ipmp): 3 filas o ramas (8 módulos en serie cada fila) conectadas en paralelo: se suma la intensidad correspondiente a cada fila de 8 módulos 3 filas x 7,83 A = 23,49 A < 33 A (inversor)
cumple
Opción 2 Corrección de tensión y corriente debido a la temperatura Nota: Consultar los valores calculados para la Opción 1, son los mismos valores. Tensión máxima a circuito abierto del módulo (Voc), valor más desfavorable para Enero: 8 módulos en serie (se suma tensión) 8 x 39,38 V = 315,04 V < 450 V (inversor)
cumple
Intensidad máxima de cortocircuito del módulo (Isc), valor más desfavorable para Julio: 3 filas o ramas (8 módulos en serie cada fila) conectadas en paralelo: se suma la intensidad correspondiente a cada fila de 8 módulos 3 filas x 8,56 A = 25,68 A < 33 A (inversor)
cumple
Solución La Opción 2 es la correcta para el diseño de la instalación ya que cumple con todas las limitaciones impuestas por normativa.
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5.3.4 POTENCIA Y PRODUCCIÓN ENERGÉTICA ESTIMADA DEL GENERADOR FV Con la configuración de la Opción 2 de diseño, tenemos un total de 24 paneles (3 ramas de 8 paneles en serie: 24 módulos), por lo que la potencia pico de la instalación para el modelo escogido es de 5.640 Wp (5,46 kWp). La estimación de la energía entregada a la red se realizará de acuerdo con la siguiente ecuación:
Ep =
Gdm (α , β ) ⋅ Pmp ⋅ P R GCEM
, (kWh / día )
Dónde: Gdm (α,β) = valor medio de la irradiación diaria sobre el plano del generador, a partir de los datos de irradiación sobre superficie horizontal. En kWh / m2 ·día . Para obtener este dato se utiliza la siguiente ecuación:
G dm (α , β ) = 1,15 ⋅ G dm (0) Pmp = Potencia pico del generador solar en kWp. Dependerá del número de módulos de la instalación. PR = Rendimiento energético, donde se estiman: perdidas cableados, transformadores, temperaturas módulos, disponibilidad instalación, suciedades, rendimientos equipos, etc. Se establece como valor medio 75 %. Gcem = 1 kW/m2 (Irradiación sobre los paneles en Condiciones Estándar de Medida). Teniendo en cuenta que para la estimación de estos resultados se establece un valor promedio aceptable para el rendimiento energético (PR = 0,75) de la instalación, los resultados de cálculo son los siguientes:
Figura 5.8: Producción energética estimada del generador FV
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5.3.5 VALORACIÓN DEL RENDIMIENTO ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN Se estima una inversión de 2,0 €/Wp instalación FV totalmente ejecutada y funcionando, aunque se podría considerar un coste económico menor. Los precios de los paneles FV han bajado estos últimos años drásticamente, aumentando el rendimiento energético de los mismos y todos los demás factores que contribuyen a una mayor eficiencia. Para la valoración económica comparamos el precio total de la instalación con lo que nos produce anualmente. Dentro del total de producción anual nos fijamos en la cantidad de energía solar aprovechada para autoconsumo. De esta manera podemos deducir cuántos años necesitamos para amortizarla. Suponemos el caso en el cual no se necesita financiación alguna de la instalación para su ejecución y puesta en marcha, de esta forma quedan los cálculos como se refleja en los siguientes pasos. Tampoco se tienen en cuenta los costes de mantenimiento anuales de la instalación FV. Coste de la instalación: 2,0 €/ Wp x 5.640 Wp (instalados) = 11.280 € En la siguiente tabla se pueden extraer datos de la producción energética total de generador FV, la producción destinada a autoconsumo y la producción inyectada a red:
Figura 5.9: Producción energética estimada del generador FV
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Aprovechamiento para autoconsumo de la Producción anual – Rendimiento económico: Para todos los meses se produce energía (Ep FV) por encima del valor estimado de consumo diario en periodo de radiación solar (Consumos facturas), excepto para el mes de Diciembre. Suponiendo un precio medio de la energía de 0,20 €/kWh (con impuestos incluidos), en función de la energía estimada consumida anual, se obtiene un ahorro total mensual y anual de: 43,62 €/mes x 12 meses = 523,44 €/año Finalmente se obtienen los años necesarios para amortizar la inversión: (11.280 €) / (523,44 €/año) = 21,55 años
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5.4 CÁLCULO CON EL PROGRAMA CYPELEC REBT CYPELEC REBT es un programa basado en la aplicación del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, creado para asistir al proyectista de instalaciones eléctricas en el diseño, cálculo y dimensionamiento de las líneas en BT para cualquier tipo de proyecto eléctrico. Este software realiza de forma rápida y eficaz el cálculo, comprobación y dimensionado de instalaciones eléctricas en baja tensión para viviendas, locales comerciales, oficinas, instalaciones generales de edificación e industrias. El programa genera automáticamente el Proyecto de la Instalación, la Memoria Técnica de Diseño y el Certificado de la Instalación con el formato proporcionado por diferentes comunidades autónomas, además permite dibujar esquemas de la instalación y realizar el diseño de los cuadros de mando y protección. A continuación se realiza el cálculo del caso práctico analizado anteriormente mediante el programa CYPELEC REBT de Cype Ingenieros. Al realizar el cálculo con un software específico se obtiene de una manera sencilla y fiable la justificación de los cálculos correspondientes a la normativa relativa a instalaciones fotovoltaicas.
Video 3: Resolución del caso práctico mediante CYPELEC REBT
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SOSTENIBILIDAD Y EFICIENCIA ENERGÉTICA CON BIM Si quieres aprenden a diseñar y calcular todas y cada una de las instalaciones que intervienen en una edificación, éste es tu Máster. TEMARIO DEL MÁSTER · Coordinación de Instalaciones · Estudio térmico · Aislamiento acústico
· Fontanería · Saneamiento · Ventilación · Climatización
· Protección contra incendios
· Energía solar térmca
· Eficiencia Energética
· Domótica
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