Cálculo técnico de un sistema de autoconsumo fotovoltaico asistido a la red.

Vamos a desarrollar un cálculo técnico de un SISTEMA ASISTIDO para unas instalaciones TIPO.

Como sabemos perfectamente la mayor parte de la aplicación del AUTOCONSUMO
SOLAR, actualmente en España, éste va dirigido a :

-VIVIENDAS RESIDENCIALES DE USO PERMANENTE
-PEQUEÑAS INDUSTRIAS
que es el mercado de mayor volumen, poca inversión y rápida amortización.

De acuerdo con EUROSTAT - IDAE y según documento editado en 2012 por ambos, titulado: CONSUMOS DEL SECTOR RESIDENCIAL EN ESPAÑA,  los datos que aparecen son:

-CONSUMO MEDIO DE ELECTRICIDAD/AÑO POR HOGAR: 3.847 KW/H
-PISOS: CONSUMO MEDIO DE ELECTRICIDAD/AÑO POR HOGAR: 2.700 KW/H
-UNIFAMILIARES: CONSUMO MEDIO DE ELECTRICIDAD/AÑO POR HOGAR: 5.600 KW/H
En la página 4 del citado documento se indica lo siguiente:
-Nº de pisos en España: 12.040.000
-Viviendas unifamiliares: 5.160.000
y en éste estudio, nos centramos en las VIVIENDAS UNIFAMILIARES

Lógicamente, son datos estadísticos. Esto sirve para el desarrollo genérico del proyecto.

Por otra parte, se indica en el estudio, el consumo eléctrico medio dependiendo de la zona climática de España: Zona Atlántica, Continental y Mediterránea.

Por lo que en cada caso se deberá realizar el correspondiente proyecto, siguiendo éstas
pausas, dependiendo del consumo/año real de la vivienda y de su localización geográfica.

Nosotros, en el caso de las VIVIENDAS UNIFAMILIARES DE USO PERMANENTE, utilizaremos los datos estadísticos:

1º.- Nº de viviendas unifamiliares en España: 5.160.000
-Consumo eléctrico medio anual: 5.600 Kwh/año
Ahora vamos a suponer que al 100% de las VIVIENDAS UNIFAMILIARES las hacemos funcionar con AUTOCONSUMO ASISTIDO al 100%
Entonces tendríamos que mediante la Energía Solar fotovoltaica, estamos generando al
año: 5.160.000 viviendas x 5.600 Kwh/año = 29.000Gw/año.

Esto, aproximadamente corresponde la 18% del Consumo Eléctrico Nacional/año por medios convencionales, que de acuerdo con Red Eléctrica Española es de 169 Gw/año.(datos 2013).

Por otra parte y según datos de Red Eléctrica Española, la capacidad de producción eléctrica convencional es de 70 Gw.

Y ESTE ES EL MOTIVO POR LO QUE LAS ELECTRICAS ESTÁN EN CONTRA DEL DESARROLLO DEL SECTOR.

Si seguimos con el desarrollo del proyecto, tenemos:
Consumo medio / año: 5.600 Kwh
De lo que se trata, es que en el caso que ésta energía /año, la generamos mediante la Energía Solar fotovoltaica, el usuario sería autosuficiente y podría desconectarse de la Compañía Eléctrica.

Ahora bien, entre la electricidad convencional que se puede utilizar y la Energía solar fotovoltaica, existen las siguientes diferencias a favor de la CONVENCIONAL:

1º.- Está disponible las 24 horas del día
2º.- Se ajusta a los consumos permanentemente. Si consumimos más, damos más ilimitadamente.

FOTOVOLTAICA:
1º. - Dependemos de la radiación solar., así como de las estaciones meteorológicas:
Producimos más en Verano que en Invierno.
2º.- El consumo está limitado por la producción.
3º.- En momentos determinados nos podemos quedar sin alimentación a los consumos
4º.- Hay que realizar una inversión inicial
Sin embargo, la energía generado por la fotovoltaica, una vez amortizada la inversión , es GRATIS.

Entonces, para garantizar el servicio permanente al USUARIO, debemos utilizar ambas tecnologías aprovechando las ventajas de las dos.

Así pues, es por lo que planteamos las INSTALACIONES ASISTIDAS, dónde FUNDAMENTALMENTE, la Energía Eléctrica convencional , será utilizada en aquello momentos que la energía fotovoltaica sea deficitaria.

Siguiendo con el desarrollo del proyecto, vemos que si generamos al año, los 5.600 Kw
necesarios en la vivienda, seriamos autosuficientes.

Supongamos que:
1º.- Vivienda unifamiliares de uso permanente
2º.- Localización: Madrid
3º.- Consumo /año: 5.600 Kw
4º.- Potencia contratada: 3 Kw

Para calcular las Horas de Sol pico en Madrid, utilizaremos la Base de Datos de: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Dónde nos indica que las HSP media en Madrid es de 2.070 horas
Consumos del Sector Residencial
Por lo tanto, deberemos calcular la potencia a instalar de módulos solares:
Para ello, bastará dividir la energía necesaria ( 5.600 Kwh/año) por las HSP:
5.600/2070 = 2,7 Kw de paneles

Estos paneles serán instalados con su correspondiente soporte de los mismos y el regulador de carga conveniente.

BATERÍAS.- Las baterías a instalar, tienen como función principal:
1º.- Dar servicio cuando el consumo es superior a la producción
2º.- Proporcionar energía en periodos de baja insolación y horas nocturnas.

No vamos a desarrollar el cálculo de las mismas ya que es sobradamente conocido.

CONVERTIDOR-CARGADOR
Varias son las funciones de éste equipo:

1º.- Convertir la corriente continua de las baterías en corriente alterna necesaria para hacer funcionar las cargas.

2º.- Recargar la batería a través de la red en el caso de necesidad.
El convertidor, a través de su propio funcionamiento es el encargado de realizar todas las funciones que necesitemos en base a una programación predeterminada.

Entre las funciones más importantes del convertidor-cargador se encuentran las siguientes:

1º.- Conmuta directamente a la red en el caso que las baterías se encuentren descargadas.

2º.- Tiene la opción de cargar , a través de la red, las baterías, hasta lo que nos interese.
O bien por tiempo, o bien por Ah.

3º.- Podemos hacer, si nos interesa, que la salida del convertidor, se acople con la red, en caso de que el consumo supere la potencia del convertidor.

Para ello, su funcionamiento es el siguiente:
En condiciones normales, es decir con batería cargada, el convertidor alimenta directamente el consumo.

La potencia del convertidor será igual a la potencia contratada con la Compañía eléctrica
Tal como se ha comentado, el sistema funciona 100% a través de la instalación fotovoltaica.

En caso necesario, ésta instalación se desconecta del consumo y a través del sistema de conmutación, incorporado en el interior del convertidor-cargador, el servicio será alimentado por la Red Eléctrica.

Cuando el sistema fotovoltaico se reponga, automáticamente el servicio será alimentado de nuevo por la Instalación fotovoltaica.

Consumos del Sector Residencial en España. Resumen de Información Básica en España


EJEMPLO PRÁCTICO PROMEDIO
-VIVIENDA : USO PERMANENTE
-UBICACIÓN : MADRID
-POTENCIA CONTRATADA : 3 KW MONOFÁSICO
-CONSUMO ANUAL: 4000 KW/año
-FRA. ANUAL APROX: 1400€

Con los datos indicados, tenemos que :
1º.- Aproximadamente al día se consume : 4.000 Kw / 365 días = 10,9 Kw/día
2º.- Si producimos ésta energía con los paneles solares diariamente el consumo eléctrico de la Compañía Eléctrica = CERO (100% ahorro)

CALCULO DE PANELES NECESARIOS:

Según http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php e introducimos MADRID, los datos de radiación son los siguientes:

PVGIS estimates of solar electricity generation
Location: 40°25'0" North, 3°42'13" West, Elevation: 665 m a.s.l.,
Solar radiation database used: PVGIS-CMSAF
Nominal power of the PV system: 1.0 kW (crystalline silicon)
Estimated losses due to temperature and low irradiance: 10.0% (using local ambient temperature)
Estimated loss due to angular reflectance effects: 2.5%
Other losses (cables, inverter etc.): 14.0%
Combined PV system losses: 24.6%



Lo que nos indica mes a mes y día a día las horas de sol pico que tenemos

Vemos que anualmente tenemos 2.070 HSP
Si dividimos los 2.070 HSP/año entre 365 días, nos dará las horas medias diarias que dispondremos a lo largo del año:
2070HSP/AÑO/ 365 DÍAS = 5,68 HSP DÍA

De acuerdo con las especificaciones del fabricante de los paneles y por ejemplo escogemos uno de 260 w, éste panel nos proporcionará diariamente:

260w x 5,68 HSP = 1.475 w/día

Como el consumo diario es de 10,6 Kw/día, necesitaremos :
10,9 Kw / 1,475 Kw = 8 paneles de 260 w.

Estos paneles nos proporcionaran diariamente el 100% de la carga necesaria.

NOTA: Vemos que mensualmente tenemos 4 meses ( Noviembre,Diciembre , Enero y Febrero) que manteniendo el consumo promedio, durante esos meses producimos un poco menos de lo que consumimos.

En ese caso, utilizaríamos el déficit con la batería o podríamos utilizar en ese caso la Red Eléctrica.

REGULADOR DE CARGA

Para evitar la sobrecarga de la bacteria utilizaremos el regulador de carga.

Para ello, tenemos que conocer la máxima corriente que los paneles proporcionan a la batería.

El panel de 260 w produce como máximo 10 amperios, por lo que considerando 8 paneles conectados en paralelo, la máxima corriente que suministraran será de :
10 Amperios x 8 paneles = 80 amperios
que será el modelo de regulador a instalar capaz de que por él pase los 80 amperios.

CALCULO DE LA BATERÍA

La función de la batería es fundamentalmente suministrar energía en horas nocturnas además de complementar en momentos determinados el déficit de energía producido por los paneles.

Aunque el precio de las baterías es elevado, aconsejamos, a la hora de calcular la capacidad necesaria, escogerla por exceso.

Esto nos garantizará mas autonomía al sistema y menos conexiones con la Red Eléctrica.

Para calcular la capacidad de la batería, debemos tener en cuenta los siguiente:
1º.- Consumo nocturno
2º.- Días de autonomía que deseemos
3º.- Tensión de trabajo del sistema
4º.- Máxima descarga prevista

1º.-CONSUMO NOCTURNO:
De acuerdo con los datos editados por el IDAE, en una vivienda el consumo nocturno es
aproximadamente el 60 % del consumo diario total ( en nuestro caso : 10,6 Kw/día x 60% = 6,3 Kw). Por lo tanto y si queremos ser 100% autosuficiente,en ningún caso, la capacidad de la batería debe ser inferior al consumo nocturno ( 6,3 Kw / 24 Vcc = 262 Ah)

2º.- DIAS DE AUTONOMIA PREVISTA
Considerando que disponemos del apoyo de la red, no deberemos dar más de un día de autonomía. Esto significa que debemos mantener el 100% del servicio aún en el caso que durante un día, la generación solar sea igual a CERO.

3º.- TENSION DE TRABAJO DEL SISTEMA
Suponemos que la instalación solar será realizada a 24 Vcc.

4º.- MAXIMA DESCARGA DE LAS BATERÍAS.
Para evitar el deterioro de las misma no es conveniente descargar la batería más del 60%.

Con todos éstos datos, tenemos:
TENSION DE BATERÍA= 24 Vcc
CORRIENTE NOCTURNA CONSUMIDA: 6.300 W/ 24 V = 262 Ah
DÍAS DE AUTONOMIA = 1 DÍA( CONSUMO 262 A)
DESCARGA PREVISTA 60%

Así pues, la capacidad de la batería debe de ser:
262 Ah / 0,7 = 380 Ah a 24 V

CALCULO DEL CONVERTIDOR-CARGADOR
Como hemos dicho anteriormente, la potencia del convertidor debe ser igual a la potencia contratada con la Compañía Eléctrica.. En este caso, el convertidor será de 24V/220V- 3 Kw.

Ahora bien, varias y muchas son las funciones que nos proporciona y nos puede proporcionar el convertidor- cargador :

1º.- Convierte la corriente continua de las baterías, en corriente alterna a 220 V. que necesarios para el funcionamiento de las cargas.

2º.- Nos proporciona energía en los periodos nocturnos, de baja radiación solar y días nublados.

3º.- A través del cargador y a elección, procedente de la red, ÉSTA nos puede recargar las baterías cuando éstas las necesiten. Ésta función, y seleccionando la programación, nos permitirá desde una corriente de carga de las baterías desde “CERO” hasta la corriente máxima que puede suministrar el cargador en función del modelo elegido.

4º.- Realizará SIN CORTE, la transferencia al consumo desde el equipo convertidor a la red, cuando la capacidad de la batería esté en niveles no deseables para la vida de la misma.

5º.- Volverá a suministrar energía al consumo a partir de una situación determinada de carga de batería.

6º.- En el caso ( no probable) , se desea se podrá conectar en paralelo con la red en el si puntualmente el consumo excede la `potencia máxima del convertidor.

Independientemente, el convertidor - cargador, en condiciones de sobrecarga, puede admitir en condiciones puntuales y sin que actúe la red, hasta el 50% de su potencia nominal .

7º.- En el caso de ampliación de la instalación, se pueden conectar hasta 10 equipos en
paralelo.

8º.- El equipo admite instalaciones trifásicas. Para ello, unicamente , y después del cálculo correspondiente, conectar un equipo monofásico a cada fase del sistema.

En fin, la versatilidad del convertidor-cargador, nos permitirá las mejores condiciones del funcionamiento del sistema.

La salida del convertidor se conectaría a la entrada de la vivienda y a la vez , la red eléctrica se conectará al convertidor.

Otra gran ventaja de la INSTALACIONES ASISTIDAS es que la INYECCIÓN A RED = CERO

CÁLCULO ECONÓMICO

Lógicamente el costo de este tipo de instalaciones dependerá de cada caso en particular y del número de instalaciones que se realicen, además del lugar de la instalación.

A continuación, indicamos a efectos ORIENTATIVOS, lo que representaría aproximadamente el COSTO AL USUARIO FINAL

PRECIOS PVP ( SIN IVA) APROX .
MÓDULOS: 1.800€
SOPORTE DE PANELES: 280€
REGULADOR DE CARGA: 380€
BATERIAS 24v/380 Ah : 1.000 €
CONVERTIDOR-CARGADOR 24/3 KW : 1.800 €
INSTALACIÓN Y PUESTA EN MARCHA: APROX : 1200 €
TOTAL: 4.680€ + IVA

Con ésta inversión y considerando que el usuario está pagando al año una factura eléctrica de 1.000€ año, el periodo de amortización de la inversión sería aproximadamente de 4,6 años.

NOTAS IMPORTANTES.-
1º.- En éste caso particular hemos desarrollando el proyecto de tal forma que en condiciones óptimas, NO sería necesario la actuación de la Red Eléctrica, porque hemos previsto que generamos el 100% de la que consumimos.

Pero en condiciones excepcionales, es decir, cuando la batería está descargada y estamos demandando consumo, solamente en éste caso, a través de la conmutación, incorporado en el convertidor-cargador , la carga se alimenta de la red .

Este tipo de instalación ASISTIDA, es modular. Es decir, en el caso que no se quiera ahorrar el 100% de la electricidad, por ejemplo el 50%, la inversión sería aproximadamente la mitad, el ahorro, la mitad y el periodo de amortización sería el mismo. Pero el COSTO INICIAL se reduciría a la mitad.

Posteriormente se puede ampliar la instalación.

INSTALACION ASISTIDA ESQUEMA. INFORMACIÓN INTERESANTE.-

El estudio realizado anteriormente, está basado en una instalación de 3kw contratados y
un consumo de 1.000 € aprox /año.

El desarrollo del proyecto significa la desconexión de la Cía. Eléctrica.

Pero cabe la posibilidad que en un momento determinado y no previsto, (días nublados,exceso de consumo, etc...) nos encontremos sin servicio ya que las baterías se han descargado y por protección se han desconectado de la carga.

Para evitar ésta situación extrema y deseemos mantener el servicio, debemos disponer
de una fuente de generación exterior.

Existen varias posibilidades:

1.- Un grupo electrógeno que en éstos casos nos proporcionen la energía necesaria hasta que las baterías se recuperen.

2.- Un grupo de gas, haciendo las mismas funciones.

3.- Tener la red eléctrica de reserva. Desarrollaremos éste tema:

RED ELÉCTRICA DE RESERVA.-

1º.- La red entrará EXCLUSIVAMENTE cuando las baterías se desconecten

2º.- Esta situación EXCLUSIVAMENTE se produce de noche.

3º.- POTENCIA CONTRATADA.- En éste caso, si no queremos reducir la potencia pico
usual, deberemos contratar la potencia pico máxima prevista ( 3 Kw).. Esto comporta un
pago por término fijo que de acuerdo con las tarifas actuales ( octubre 2015) es de :
3Kw x 3,57€/kw x mes x 12 meses = 128 €/año

4º.- ENERGÍA CONSUMIDA.- Dado que EXCLUSIVAMENTE la Red actuará en los horas
de noche, DEBEMOS CONTRATAR, tarifa nocturna. Esto significa el pago por kw
consumido de 0,056€/ kw consumido, en vez del pago de 0,15€/ Kw consumido el la
tarifa Standard.

Bien es cierto que el consumo eléctrico anual por este concepto será mínimo, ya que
únicamente utilizaremos la Red es situación extrema.

En el caso de las INDUSTRIAS, dónde el consumo nocturno en MÍNIMO, se puede
contratar una tarifa mucho menos, por lo que se reduce sensiblemente el pago por
término fijo.

Además, en éste caso, claramente debemos contratar TARIFA NOCTURNA, ya que
definitivamente el consumo nocturno será muy inferior al consumo diurno.

RESUMEN
Después de desarrollado este artículo de opinión en Suelosolar.com, llegamos a las siguiente conclusiones:

1º.- Debemos analizar los consumos del usuario.

2º.- Debemos calcular perfectamente la solución solar, incluyendo la capacidad de
las baterías a emplear.

3º.- Debemos calcular la potencia a contratar con la Cía Eléctrica ( término fijo).

4º.- Debemos contratar tarifa nocturna.

Si todos éstos cálculos están bien realizados, prácticamente ahorraremos el 100% de la energía eléctrica consumida/ año.