Cómo dimensionar y calcular paneles solares fotovoltaicos necesarios para un sistema aislado

Energía generada por un panel solar:

Damos por sabido que ya conoces cómo funcionan las placas solares, y los fundamentos de la energía solar fotovoltaica. Sino, puedes encontrar abundante información en nuestro blog. Así pues, para calcular la energía generada por un panel solar durante un día (E_panel), debemos usar la siguiente ecuación:

E_panel = I_panel · V_panel · HSP · 0,9 [Whd]

Siendo, Ipanel y V_panel la corriente máxima y tensión máximas del panel, HSP son las horas sol pico, y 0,9 sería el coeficiente del rendimiento del panel (tipicamente 85-90% al descontar ya las pérdidas). La energía resultante estaría expresada en Whd.

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

E_{generador-fotovoltaico} = Igenerador-fotovoltaico · Vgenerador-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:

Conexión en serie y paralelo:

En la mayoría de proyectos fotovoltaicos, sobre todo de las instalaciones solares aisladas y dependiendo de la potencia de la instalación, será necesario asociar varias placas en serie o paralelo para obtener los niveles de tensión y corriente deseados.

Para la conexión de módulos solares fotovoltaicos, hay tres opciones posibles:

• Conexión de placas solares en Paralelo: se conectan todos los módulos por sus polos positivos y, por separado, por todos los polos negativos. Con esto, lo que conseguimos es aumentar la corriente generada en la rama (suma de las corrientes de cada panel) pero se mantiene la misma tensión que la de uno de los paneles que componen la rama.

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”. Lo vemos mejor con un ejemplo ?

Consideremos que tenemos una instalación fotovoltaica aislada compuesta por 3 ramas en paralelo con, por ejemplo 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:

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 25,11A (pues al estar en paralelo se suma la corriente de cada rama a, b y c).

• Conexión de módulos fotovoltaicos 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 y mantener el mismo valor de corriente generada.

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 unitaria por el número de paneles de la rama, pues siempre debemos conectar paneles de las mismas características unos con otros. Lo vemos entonces con un ejemplo ?

Consideremos que queremos tener unas placas solares para autocaravana, compuesta por una rama con 3 paneles en serie de placas con 37,45V de tensión y 8,98A de corriente máximas. Si no hubiera pérdidas de ningún tipo (caso hipotético), el esquema de conexión de las placas en serie se podría representar así:

Como podemos ver indicado en color naranja, 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).

Seguramente estarás pensado, ¿Qué pasa si se avería un panel y tengo que cambiarlo por otro diferente?. Pues imaginemos que, como no encontramos en el mercado el mismo panel, quieres comprar paneles fotovoltaicos con las siguientes especificaciones: 31,40V de tensión y 9,33A de corriente máximas.

Lo que va a suceder 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, en nuestro caso como el módulo SolarWorld SW 290 tiene una corriente (9,33A) mayor que los módulos ya instalados (8,98A), no sufrirá modificaciones la instalación.

En caso de que nuestro módulo tuviese una corriente inferior a los ya instalados, afectará a todo el string y se producirá una caída de producción, por lo tanto no es recomendable usar módulos de sustitución con corrientes inferiores a las de los módulos instalados.

• Conexión mixta de placas solares: sería la última opción de configuración de las que nos podemos encontrar, en este caso sería una configuración donde encontramos ramas con paneles conectados en serie y a su vez, estas ramas, conectadas en paralelo. Esta configuración se usa cuando debemos lograr unas corrientes y tensiones de salida muy determinadas, y entonces “jugamos” con las opciones que nos dan los distintos tipos de conexionado. Veamos un ejemplo al respecto:

Como podemos ver en el esquema eléctrico, 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.

Como resumen práctico, digamos que en conexiones en serie la corriente total (de salida) es igual a la de uno de los paneles  que componen la rama (string) y la tensión total (de salida) es la suma de la tensión de cada panel conectado en serie.  En conexiones en paralelo la tensión total (de salida) es igual a la de salida cada rama y la corriente total (de salida) es la suma de corrientes de cada rama.

Ejemplo práctico: Energía generada por un sistema de paneles solares

Bien, una vez comprendido cuánta energía genera un panel solar fotovoltaico y los tipos de conexionados que podemos realizar, vamos por último a exponer un caso práctico donde pongamos en uso lo explicado y, de paso, que sirva para que cualquiera pueda calcular los paneles solares necesarios para sus sistema solar fotovoltaico.

Pongamos que vamos a comprar unos módulos solares con 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

Y pongamos que nuestro sistema consta de 10 paneles conectados en 2 ramas en paralelo con 5 paneles en serie por rama.

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

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

E_{generador-fotovoltaico} = I_{generador-fotovoltaico} · V_{generador-fotovoltaico} · HSP · 0,9

En este caso, como tenemos 2 ramas en paralelo, con 5 paneles en serie por rama, podemos calcular fácilemtne la I_{generador-fotovoltaico} y la V_{generador-fotovoltaico}. Si tenemos en cuenta un entorno ideal (sin pérdidas), tendríamos que:

I_{generador-fotovoltaico} = Corriente máxima de cada panel · Número de ramas en paralelo = 8,37A · 2 = 16,74A

V_{generador-fotovoltaico}= Tensión máxima de cada 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:

E_{generador-fotovoltaico} = I_{generador-fotovoltaico} · V_{generador-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.

Otro Ejemplo: ¿Cuántos paneles solares necesito para generar 1 kw de potencia?

En este caso es mucho más sencillo. Imaginemos que necesitas un kit fotovoltaico autoconsumo y que necesitas generar 1kW de potencia con paneles solares, al menos en las hora de máxima irradiación, simplemente divide esa potencia por la unitaria del panel.

Es decir, si tienes un panel solar con 300W de potencia:

1000W / 300W = 3,3 paneles necesitarías. Es decir, o usas 3 o usas 4. Ya depende de las necesidades de cada uno.

Si, por otro lado lo que necesitas es saber cuantos paneles solares necesitas para generar 1 kWh, es decir, 1kwh de energía, entonces es igual que el ejemplo de antes donde se calculó 9,46kWhd pero para 1kwh.

Conexión de paneles solares – Un caso especial:

¿Cómo funcionan las placas solares cuando lo conectamos a un regulador y batería?

En principio si el controlador de carga es PWM (Modulación por anchura de pulsos) sólo dispone de un Diodo en su interior, por lo cual, el panel solar funciona a la misma tensión que las baterías solares.

Esto hace que el módulo solar no trabaje en su punto de máxima potencia, sino que trabaja en el que impone la batería según su estado de carga, produciendo una pérdida de potencia. Es decir, la tensión de salida del panel queda limitada por la tensión de la batería.

Si vamos a comprar un regulador de carga PWM, este es capaz de llenar por completo la batería gracias a que introduce la carga de forma gradual, a pulsos de tensión, en la fase de flotación y fase de absorción (llenado total). Esto se produce porque la corriente se va introduciendo poco a poco hasta que la batería se llena de manera óptima y estable.

Entonces,  si tenemos un panel de 18,4V de tensión máxima y el regulador la carga de absorción como máximo a la batería es de 14,2V, lo que se produce es que el módulo no trabaja en su máxima potencia significando una pequeña pérdida de energía.

Ahora pongamos el caso de que vamos a comprar un regulador solar MPPT , en este caso la energía que entra y sale del regulador es la misma, al igual que en los reguladores PWM, pero la tensión y la corriente son diferentes a un lado y a otro. Con ello se consigue aumentar la tensión del panel solar y aumentar la producción solar respecto a los reguladores PWM.

En este caso el regulador es capaz de trabajar  siempre en el punto de máxima potencia del panel sin tener ningún tipo de pérdida.

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