I. Descripción general de los sistemas de generación de energía fotovoltaica
1. Concepto: La tecnología de generación de energía fotovoltaica se refiere a la conversión de energía solar en energía eléctrica. Utiliza el efecto fotovoltaico en las interfaces de semiconductores para convertir directamente la energía luminosa en energía eléctrica.
2. Ventajas: En comparación con los sistemas de generación de energía térmica comúnmente utilizados, las ventajas de la generación de energía fotovoltaica se reflejan principalmente en:
2.1 Sin riesgo de agotamiento;
2.2 Seguro, fiable, silencioso y libre de contaminación;
2.3 No está limitado por la distribución geográfica de los recursos y puede aprovechar las ventajas de construir en los tejados;
2.4 Permite generar y suministrar electricidad localmente sin consumir combustible ni construir líneas de transmisión;
2.5 Alta calidad energética;
2.6 Corto plazo de construcción y corto tiempo de obtención de energía.
3. Clasificación: Los sistemas de generación de energía fotovoltaica se dividen en: sistemas aislados de la red y sistemas conectados a la red.
Sistema aislado: Se refiere a un sistema solar que no se conecta a la red eléctrica y que suministra energía directamente a la carga. El exceso de energía eléctrica se almacena en baterías. Este sistema generalmente incluye: paneles solares, inversores, baterías, cuadros de distribución, etc.
Sistema conectado a la red: Se refiere a un sistema donde la electricidad generada por las células solares se transmite directamente a la red eléctrica a través de un inversor conectado a la red. Este sistema suele incluir varios componentes, como un panel solar, un inversor conectado a la red y un sistema de control de refuerzo, eliminando así la necesidad de un banco de baterías. Si bien este tipo de sistema tiene un costo unitario menor, requiere soporte de la red eléctrica.
II. Descripción general de la ubicación del proyecto
1. Ubicación del proyecto: El emplazamiento del proyecto es Katmandú, Nepal.
La República Democrática Federal de Nepal, comúnmente conocida como Nepal, tiene su capital, Katmandú, ubicada a 27°42'N, 85°19'E, en un país montañoso sin litoral del sur de Asia.
2. Clima y medio ambiente: Nepal experimenta una estación seca de octubre a marzo del año siguiente, con escasas precipitaciones y diferencias de temperatura significativas entre el día y la noche, que oscilan entre unos 10 °C por la mañana y 25 °C al mediodía. La temporada de lluvias (verano) se extiende de abril a septiembre, siendo abril y mayo especialmente calurosos y húmedos, alcanzando a menudo máximas de 36 °C. Las lluvias que comienzan en mayo suelen preceder a la temporada de lluvias y continúan hasta finales de septiembre, caracterizadas por abundantes precipitaciones e inundaciones frecuentes.
La geografía de Nepal varía considerablemente de norte a sur, lo que da lugar a climas regionales diferenciados. Se divide en tres zonas climáticas: las tierras altas del norte, la zona templada central y la zona subtropical sur. La parte norte es una región montañosa fría y de gran altitud con una cubierta de nieve durante todo el año y temperaturas mínimas que alcanzan los -41 °C; los valles fluviales centrales tienen un clima templado con un clima primaveral durante todo el año; las llanuras del sur son cálidas todo el año, con máximas en verano que alcanzan los 45 °C.
3. Análisis de los recursos de energía solar: Nepal limita con el Tíbet y China, y es una de las regiones más ricas del mundo en recursos de energía solar. Katmandú se caracteriza por su aire enrarecido y alta transparencia, con largas horas de sol al año, que suman aproximadamente entre 2500 y 2550 horas. La intensidad de la radiación es alta, con una radiación total anual promedio de 7000 megajulios por metro cuadrado.
III. Esquema de diseño de un sistema de generación de energía solar aislado de la red eléctrica
Con base en la información proporcionada por el propietario (superficie construida de 100 m²) y la carga eléctrica, la carga eléctrica de este sistema se resume en la siguiente tabla:
El sistema de generación de energía solar fuera de la red eléctrica está diseñado de la siguiente manera: Los paneles solares son dispositivos de generación de energía solar que convierten directamente la luz solar en electricidad de corriente continua (CC). Dependiendo de las diferentes necesidades de potencia y voltaje del usuario, los paneles solares pueden fabricarse para uso individual o pueden conectarse varios paneles solares en serie (para cumplir con los requisitos de voltaje) o en paralelo (para cumplir con los requisitos de corriente) para formar un sistema de suministro de energía que proporcione mayor potencia eléctrica. Los paneles solares se caracterizan por una alta relación área-potencia, una larga vida útil y una alta confiabilidad; durante una vida útil de 20 años, la potencia de salida generalmente disminuye en un 20 % como máximo.
3.1 Cálculo de la generación de energía solar
1. El cliente consume 14,4 kWh de electricidad al día.
2. Consumo eléctrico diario: 14,4 kWh
3. Duración equivalente de la luz solar: 4,5 h
4. Módulo fotovoltaico: 550 W
5. Eficiencia del sistema aislado: 80 %
6. Generación de energía diaria efectiva por módulo: 0,55 kW × 4,5 × 0,8 = 1,98 kWh
7. Número de módulos necesarios: 14,4 ÷ 1,98 ≈ 7,27. Se necesitan 8 paneles solares.
8. 8 paneles × 550 W = 3850 kWp. Considerando la necesidad de energía adicional para cargar la batería y minimizar los costes, añadimos 2 paneles solares más. Total: 10 paneles solares
9. Generación diaria de energía solar: 550 * 10 * 0,8 * 4,5 = 19,8 kWh
10. Parámetros del panel solar
Potencia máxima (Pmáx/W): 550 W
Tensión de circuito abierto (Voc/V): 49,8
Corriente de cortocircuito (Isc/A): 13,99
Tensión de pico de potencia (Vmp/V): 41,95
Corriente de pico de potencia (Imp/A): 13,12
3.2 Batería solar
Almacena la energía eléctrica generada por la generación de energía fotovoltaica durante el día y proporciona energía continua a la carga durante la noche o en días nublados o lluviosos, garantizando así un funcionamiento estable del sistema. Este sistema utiliza baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO₄), que ofrecen ventajas como alta seguridad, larga vida útil, alta eficiencia de descarga y bajos costos de mantenimiento. Al configurar racionalmente la capacidad y el nivel de descarga de la batería, se pueden satisfacer eficazmente las necesidades energéticas diarias de los usuarios, mejorando así la fiabilidad y la continuidad del suministro eléctrico fuera de la red.
3.2.1 Cálculo de la capacidad de la batería
El cliente necesita energía de respaldo para un día, por lo que la capacidad de la batería debe ser mayor o igual a 14 kWh. Aquí, se asume un nivel de descarga de la batería del 95 %, una eficiencia del 97 % y una eficiencia del inversor del 97 %.
Capacidad = Consumo diario ÷ (η1*η2*η2) = 14,4 ÷ (0,95*0,97*0,97) = 16,1 kWh
Aquí, se selecciona una batería de 51,2 V y 314 Ah. 51,2 V * 314 Ah = 16,07 kWh. Esta batería solar de iones de litio admite actualizaciones remotas mediante aplicación, pantalla táctil, selección automática del protocolo de comunicación del inversor, bits de dirección virtual y no requiere interruptores DIP.
3.2.2 Parámetros de la batería
Voltaje: 51,2 V
Capacidad: 314 Ah
Corriente de descarga: 200 A
Corriente de carga: 200 A
3.3 Cálculo de la potencia del inversor
Generación de energía solar: 550 * 10 = 4950 W. Potencia total de todos los electrodomésticos: 7 kW. Las cargas inductivas consumen de 3 a 4 veces su corriente nominal al arrancar. El aire acondicionado y el refrigerador son cargas inductivas en la carga del cliente. La potencia de arranque del aire acondicionado es de aproximadamente 9 kW. Por lo tanto, seleccionamos un inversor aislado de 8 kW con una potencia máxima de 12 kW.
Parámetros del inversor
Potencia nominal: 8 kW
Potencia pico: 12 kW
MPPT: 2
Voltaje de funcionamiento del MPPT: 60 V-480 V
Voltaje de salida: 230 V
Voltaje de la batería: 48 V
Cada MPPT está conectado a 5 paneles solares.
4. Sistema de montaje solar
Se utilizan soportes de acero galvanizado en caliente, que ofrecen alta resistencia, resistencia al viento y la nieve, resistencia a la corrosión (galvanizado en caliente ≥80 μm), bajo coste y una vida útil de 20 a 25 años o más.
5. Caja de distribución
La caja de distribución se utiliza para la distribución y protección segura de la energía eléctrica en sistemas fotovoltaicos aislados.
Distribuye la energía de forma eficiente a los distintos circuitos y, mediante disyuntores, dispositivos de corriente residual (RCD) y protectores contra sobretensiones, proporciona protección contra sobrecargas, cortocircuitos, fugas y rayos, garantizando eficazmente la seguridad de los equipos y de las personas. Simultáneamente, la caja de distribución facilita la inspección y el mantenimiento diarios del sistema, garantizando así un funcionamiento estable y fiable a largo plazo del sistema aislado de la red.
Se instalan SPD, MCB y fusibles en el extremo fotovoltaico; MCB en el extremo de la batería; y RCD, MCB, SPD y fusibles en el extremo de la carga.
IV. Análisis de los Costos de Inversión del Sistema y Generación de Energía
1. Costos de Inversión del Sistema
El costo total de construcción de este sistema es de aproximadamente 8400 USD.
2. Análisis de la Generación de Energía del Sistema (Ángulo de Inclinación del Panel Fotovoltaico: 29 Grados)
Según los recursos de energía solar en el emplazamiento del proyecto, el análisis realizado con el software pertinente indica que la generación de energía del sistema durante el primer año es de aproximadamente 7492 kWh, y la generación de energía promedio a lo largo de 25 años es de 6673 kWh.
