Diseño sistema energía solar de 5kW fuera red almacenamiento en baterías

I. Introducción a los Sistemas de Energía Solar Independientes de la Red 

1.1 Introducción 

Un sistema de energía solar independiente de la red es un sistema de generación de energía autónomo que funciona independientemente de la red eléctrica. Consta principalmente de paneles solares, baterías de almacenamiento de energía, un inversor y una carga. 

Utiliza módulos fotovoltaicos para convertir la energía solar en electricidad y almacenarla en baterías. Cuando la energía solar es insuficiente o durante la noche, las baterías suministran energía a la carga, logrando un suministro energético autosuficiente. 

Este sistema es especialmente adecuado para zonas sin cobertura de red, con suministro eléctrico inestable o en zonas remotas, como zonas rurales, islas, estaciones base de telecomunicaciones, granjas, zonas de pastoreo y situaciones de emergencia.

1.2 Parámetros de carga

Parámetros de carga del usuario

2. Normas y reglamentos pertinentes

Las siguientes normas pueden utilizarse como referencia para la fabricación, las pruebas y la aceptación de sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica aislados de la red:

GB/T 18479-2001 "Directrices para sistemas de generación de energía fotovoltaica (FV) terrestres"

GB/T 20046-2006 "Características de la interfaz de red de los sistemas fotovoltaicos (FV)"

GB2297-89 "Terminología para sistemas de energía de teravoltios"

GB/T 18210-2000 "Medición de campo de las características de la VI de los conjuntos fotovoltaicos de silicio cristalino"

GB/T 20514-2006 "Procedimiento de medición de la eficiencia de los acondicionadores de potencia en sistemas fotovoltaicos"

GB/T 20513-2006 "Monitorización del rendimiento de sistemas fotovoltaicos: directrices para la medición, el intercambio de datos, y Análisis"

GBT 20047.1-2006 "Calificación de Seguridad de Módulos Fotovoltaicos (FV) - Parte 1 - Requisitos Estructurales"

GB/T 14285-2006 "Especificación Técnica para Dispositivos Automáticos de Protección y Seguridad con Relé"

GB4064-1984 "Directrices para el Diseño de Seguridad de Equipos Eléctricos"

GB/T 14549-1993 "Calidad de la Energía - Armónicos de la Red Pública"

DL5027-1993 "Código Típico de Protección contra Incendios para Equipos Eléctricos"

EN50178 "Equipos Eléctricos para Uso en Instalaciones Eléctricas"

3. Composición y Principio del Sistema

3.1 Composición del Sistema de Generación de Energía Solar Independiente de la Red

El sistema de generación de energía solar fotovoltaica independiente de la red incluye principalmente: panel solar, batería, inversor, carga, etc.

(1) Panel solar: El panel solar es el componente principal del sistema de generación de energía solar. Su función es convertir la energía de la radiación solar en energía eléctrica para suministrar energía a la carga.

(2) Inversor: La función principal del inversor es convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), de modo que la electricidad almacenada en la batería o generada por el módulo fotovoltaico pueda ser utilizada por electrodomésticos comunes o sistemas conectados a la red eléctrica.

(3) Batería: Generalmente una batería de iones de litio. Su función es almacenar la electricidad generada por el panel solar cuando hay luz solar y liberarla cuando sea necesario.

(4) Soporte (5) Dispositivo de monitorización de la comunicación del sistema;

(5) Dispositivo de protección contra rayos y puesta a tierra del sistema;

(6) Obra civil, cuadro de distribución eléctrica y otra infraestructura;

(7) Cables de conexión del sistema y materiales de protección.

3.3 Diagrama esquemático de un sistema fotovoltaico aislado de la red eléctrica

El siguiente diagrama muestra el diagrama esquemático de un sistema aislado de la red eléctrica:

4. Proceso de diseño de un sistema de generación de energía aislado de la red 

4.1 Introducción de la solución

El sistema utiliza un inversor aislado de la red que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) a través del inversor para alimentar la carga. 

4.2 Requisitos específicos de uso

(1) Uso continuo requerido en días de lluvia: 3 días;

(2) Tipo de carga: 220 V CA;

(3) Consumo diario de energía:

Según la tabla de consumo de energía del equipo eléctrico del usuario, asumiendo una potencia total de 6060 W, con un uso simultáneo del 80 %, la potencia total del equipo eléctrico es de 4848 W y el consumo promedio diario de energía es de 8255 Wh. 

4.3 Diseño y selección de la batería

El cálculo de la capacidad de la batería se basa en el consumo diario de energía del sistema, los días de autosuficiencia, la eficiencia del inversor y la profundidad de descarga de la batería. La capacidad de la batería es uno de los aspectos clave de un sistema solar fotovoltaico doméstico.

Cálculo de la capacidad de la batería:

Capacidad = (QL × D) / (η1 ×η2 ×η3) = (7,5 kWh ×3) / (0,95 ×0,9 ×0,92) = 28,6 kWh

QL: Consumo medio diario de energía;

D: Número de días de lluvia consecutivos (3 días);

η1: Profundidad de descarga de la batería (0,95);

η2: Eficiencia del inversor (0,9);

η3: Eficiencia de descarga de la batería (0,92);

Usando dos baterías de 51,2 V y 314 Ah en paralelo, el total es de 2 x 51,2 V x 314 Ah = 32,2 kWh, lo que satisface las necesidades del cliente.

4.4 Diseño y selección de paneles solares 

(1) Cálculo de la inclinación y el azimut en el diseño

El diseño de la inclinación horizontal de los paneles solares depende principalmente de la latitud del sistema de generación de energía fotovoltaica y de los requisitos de distribución de la generación de energía a lo largo del año. 

1) Para una generación de energía prácticamente equilibrada a lo largo del año, la inclinación del módulo se puede seleccionar de la siguiente manera:

Latitud 0-25° Inclinación igual a la latitud

Latitud 26-40° Inclinación igual a la latitud más 5-10°

Latitud 41-55° Inclinación igual a la latitud más 10-15°

Latitud >55° Inclinación igual a la latitud más 15-20°

2) En la mayor parte de China, se suele utilizar una inclinación horizontal del módulo de 7°.

Para una mayor generación de energía en invierno, se puede utilizar una inclinación horizontal del módulo de 11°.

Para situaciones donde se requiere mayor generación de energía en verano, se puede utilizar una inclinación horizontal del módulo de 11°. Este sistema de generación de energía aislado de la red eléctrica se ubica a 30° de latitud norte. Considerando el uso de un modo de generación de energía equilibrado durante todo el año, el ángulo de inclinación del módulo se establece temporalmente en 30°.

(2) Cálculo del diseño del espaciado del campo fotovoltaico

Diseño del espaciado entre las filas delantera y trasera del campo fotovoltaico o entre los obstáculos delanteros:

Si el espaciado entre las filas delantera y trasera del campo fotovoltaico o entre los obstáculos delanteros no se diseña correctamente, afectará la generación de energía del sistema fotovoltaico, especialmente en invierno.

El diseño del espaciado entre las filas delantera y trasera del campo fotovoltaico o entre los obstáculos delanteros está relacionado con la latitud del sistema fotovoltaico y la altura de la fila delantera de campos o del obstáculo. La fórmula de cálculo es:

D = 0,707H / tan [arco seno (0,648cosΦ - 0,399sinΦ)]

D: espaciamiento entre paneles;

Φ: latitud del sistema fotovoltaico (positiva en el hemisferio norte, negativa en el hemisferio sur);

H: altura vertical desde el borde inferior de los paneles fotovoltaicos traseros hasta el borde superior de la obstrucción frontal;

Suponiendo que la ubicación del proyecto es aproximadamente Φ = 30°, entonces:

D = 0,707 H / tan [arco seno (0,648 cos 30° - 0,399 seno Φ30°)]

= 0,707 H / tan [arco seno (0,648 × 0,866 - 0,399 × 0,5)]

= 0,707 H / tan [arco seno (0,561 - 0,2)] = 0,707 H / tan [arco seno (0,561 - 0,2)] seno 0,361]

= 0,707 H / tan 21,2° = 0,707 H / 0,388 = 1,8 H

(2) Capacidad fotovoltaica

El cliente solicitó minimizar los costos, y nuestra estrategia fue cargar completamente la batería en tres días. Utilizamos nueve paneles solares de 640 W. El cálculo es el siguiente:

Horas equivalentes al día: 4,2 h

Eficiencia del sistema: 0,8

Generación de energía diaria: 640 W x 4,2 h x 0,8 x 9 = 19353,6 Wh

Consumo diario: 7500 Wh

Energía sobrante: 19353,6 - 7500 = 11853.6 Wh

La batería se puede cargar completamente en tres días

(4) Selección y parámetros del panel solar

Seleccione paneles solares de silicio monocristalino LONGI de 640 W

4.5 Selección de Inversor para Sistemas Aislados

La función principal de un inversor es convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Debe contar con las siguientes características: desconexión y recuperación de alta tensión, advertencia y recuperación de baja tensión, protección contra cortocircuitos, protección contra carga inversa, compensación de temperatura y temporizador. La potencia pico de una carga inductiva al arrancar es de 3 a 5 veces la potencia nominal. En este caso, se utiliza un valor de 3 veces. El inversor debe satisfacer los requisitos de potencia instantánea de todos los electrodomésticos durante el arranque. Los refrigeradores y los aires acondicionados son ejemplos de cargas inductivas.

Cálculo de la capacidad del inversor:

(Factor de arranque * Potencia máxima de la carga inductiva + Potencia de la carga resistiva) = 2150 * 3 + 3360 W = 9660 W.

Seleccionamos un inversor con una potencia nominal de 5000 W y una potencia pico de 10000 W. Este inversor puede satisfacer plenamente las necesidades de los clientes.

4.8 Diseño y selección de cables 

Un módulo de 5 kWp se conecta a ocho módulos de 640 Wp. La tensión de circuito abierto del sistema es de 400 V; la corriente de cortocircuito es de 16,38 A; la tensión de funcionamiento es de 320 V y la corriente de funcionamiento es de 15,69 A. 

(1) Lado de CC: 

1) Entre cada circuito de cadena en serie del campo fotovoltaico y el inversor: utilice un cable de cobre de 2,5 mm², con un rango de corriente de 10 A a 15 A; 

2) Entre el inversor y la batería: utilice un cable de cobre de 25 mm², con un rango de corriente de 100 A; 

(2) Lado de CA: 

1) Entre el inversor y el disyuntor de CA: utilice un cable de cobre de 10 mm², con un rango de corriente de 50 A a 65 A; 

2) Entre el inversor y la carga de CA: utilice cable de cobre de 10 mm², con un rango de corriente de 50 A a 65 A. 

4.9 Sistema de montaje solar 

Debido a que este sistema de generación de energía aislado se instala en un tejado plano, el soporte del panel fotovoltaico utiliza un soporte de riel de tejado con un ángulo de inclinación de 30 grados. 

4.10 Conexión a tierra y protección contra rayos 

Para garantizar que el sistema funcione de forma segura en condiciones climáticas adversas, como tormentas eléctricas, se deben tomar medidas de protección contra rayos. Los aspectos principales son los siguientes: 

(1) El cable de tierra es fundamental para la protección contra rayos. Durante la construcción de la cimentación de la sala de distribución y la cimentación del panel solar, seleccione un lugar cercano con suelo denso y húmedo, excave un foso de 2 metros de profundidad para el cable de tierra, utilice acero plano de 40 mm, añada agente reductor de resistencia y tienda el cable de tierra. El cable de salida utiliza un cable con núcleo de cobre de 35 mm² y la resistencia de puesta a tierra debe ser inferior a 4 Ω. 

(2) Construya un pararrayos cerca de la sala de distribución, a una altura de 10 a 15 metros, y conecte un cable de tierra independiente. El método es el mismo que el anterior. 

(3) Los pararrayos pueden ser de acero redondo de 12 mm. Si se utilizan pararrayos, se debe usar acero redondo o plano. El diámetro del acero redondo debe ser ≥48 mm y el espesor del acero plano no debe ser inferior o igual a 4 mm. 

(4) Los conductores de bajada deben ser de acero redondo o plano. El diámetro del acero redondo debe ser ≥8 mm y la sección transversal del acero plano no debe ser inferior a 4 mm². 

(5) La tensión del cable del sistema fotovoltaico que entra en la sala de distribución es de 400 V CC. Debe estar enterrado en una tubería de PVC y protegido por un pararrayos. Además, el soporte del conjunto de paneles solares debe garantizar una buena conexión a tierra. 

(6) La línea de salida de CA del inversor debe estar protegida por una caja de protección contra rayos. 

(7) Dispositivo de puesta a tierra: El cuerpo de puesta a tierra vertical artificial debe estar hecho de acero angular, tubo de acero o acero redondo; el cuerpo de puesta a tierra horizontal debe estar hecho de acero plano o acero redondo. El diámetro del acero redondo no debe ser inferior a 10 mm, la sección transversal del acero plano no debe ser inferior a 100 mm², el espesor del acero angular no debe ser inferior a 4 mm y el espesor del tubo de acero no debe ser inferior a 3-5 mm. La profundidad de enterramiento del cuerpo de puesta a tierra artificial en el suelo no debe ser inferior a 0,5 mm. Requiere un tratamiento anticorrosivo de galvanizado por inmersión en caliente. El punto de soldadura también debe tratarse con productos anticorrosivos y antioxidantes.

VII. Instalación y depuración del sistema

7.1 Instalación e inspección de los paneles solares

(1) Un módulo fotovoltaico de 640 W pesa aproximadamente 33,5 kg. Este sistema de generación de energía aislado utiliza un total de 8 módulos, con una superficie de instalación de aproximadamente 7 m².

(2) Preconstruya la columna del marco del conjunto de paneles solares y compruebe su nivelación horizontal. Solo cuando cumpla con la norma se podrá ensamblar el marco de hierro. Pruebe la corriente y el voltaje de un solo panel e instale los paneles solares después de pasar la prueba. Finalmente, compruebe si el cable de tierra y los sujetadores del marco de hierro están bien apretados, si el conector del panel solar tiene un contacto fiable y si la caja de conexiones y el conector deben ser impermeables. Compruebe si la tensión en vacío del conjunto fotovoltaico es normal. Esta tarea debe ser realizada por los técnicos del proveedor del módulo.

(3) Aspectos a tener en cuenta al instalar el conjunto fotovoltaico:

1) La disposición de los paneles debe considerar principalmente el número de conexiones en serie y en paralelo, y no debe causar problemas como paneles inactivos ni desperdicio de energía. El número de paneles solares debe coordinarse adecuadamente con el número de conexiones en serie y en paralelo para facilitar el cableado en grupo.

2) Se debe considerar la disipación de calor de los paneles solares. Durante los meses más calurosos del verano, la pérdida de energía debido a las temperaturas elevadas es significativa, por lo que se deben diseñar conductos de ventilación. Normalmente, se debe mantener una separación de 5 a 10 cm entre cada panel solar, y el panel solar también debe estar a una altura de 5 a 10 cm del suelo.

3) Se debe proporcionar un acceso exclusivo para mantenimiento entre los paneles del panel fotovoltaico.

4) La instalación de paneles solares fotovoltaicos debe considerar plenamente la capacidad de carga de la estructura del edificio en el que se instalan. Los puntos de apoyo de los soportes deben estar ubicados en las vigas principales del edificio para evitar riesgos de seguridad o accidentes en la construcción.

5) Si la instalación de un panel solar requiere alterar la estructura del tejado, se debe realizar una investigación exhaustiva para garantizar que la instalación se realice sin comprometer la seguridad ni la impermeabilización del edificio. 6) Si el sistema completo consta de varios subsistemas, la instalación del panel fotovoltaico debe tener en cuenta el equilibrio de cada subsistema y la distancia desde la sala de distribución.

7) Al instalar los módulos fotovoltaicos, evite vientos fuertes para evitar riesgos inesperados o daños a la seguridad personal de los trabajadores de la construcción o a la estructura de los propios módulos.

(4) Requisitos básicos para el diseño del sistema de montaje solar:

1) El diseño, la producción y la fabricación de los soportes solares deben seguir los principios de ahorro de material, bajo costo, durabilidad y fácil instalación.

2) El sistema de montaje solar debe estar fabricado con acero o aleación de aluminio, y su resistencia debe ser capaz de soportar los daños de un vendaval de nivel 10.

3) La superficie metálica del soporte del panel fotovoltaico debe estar galvanizada, aluminizada o pintada con pintura antioxidante para evitar la oxidación y la corrosión. 

4) Al diseñar los soportes del panel solar fotovoltaico, se deben considerar factores como la latitud local y la luz solar. Es necesario considerar el grado de integración con el edificio y, en base a ello, la estructura de la inclinación solar y el ángulo azimutal del panel fotovoltaico deben optimizarse y ajustarse por completo para captar plenamente la radiación solar y aumentar la generación de energía del panel.

5) Los conectores del soporte solar, incluyendo los conectores entre los componentes y el soporte, los conectores entre el soporte y los pernos, y los conectores entre los pernos y el campo del panel, deben estar hechos de materiales galvanizados o de acero inoxidable.

7.2 Instalación del control general

Consulte los requisitos del manual del producto, conecte los paneles solares, las baterías y los inversores en el orden correspondiente, observe los distintos parámetros de funcionamiento del inversor y registre los datos correspondientes. Compare los parámetros de funcionamiento reales con los nominales, analice las diferencias y prepárese para futuras depuraciones.

7.3 Inspección y depuración

(1) De acuerdo con los requisitos de la inspección in situ, verifique si el plan de construcción es razonable y cumple plenamente con los requisitos.

(2) De acuerdo con los requisitos de diseño y la lista de suministros, verifique si los componentes, equipos, instrumentos y equipos de soporte están completos y si la calidad del suministro cumple con los requisitos. Para algunos equipos y materiales clave necesarios para algunos proyectos, se pueden realizar inspecciones de muestreo en el fabricante del equipo y el material o en el lugar de entrega, de acuerdo con las normas y regulaciones técnicas pertinentes, según la situación específica.

(3) Inspección y aceptación in situ: Verifique si la calidad de la construcción de la cimentación de cemento del panel solar y la sala de distribución cumple con los requisitos y registre los datos.

(4) La depuración consiste en probar y ajustar los parámetros del equipo instalado en diversos modos de funcionamiento, según las especificaciones del mismo. La puesta en servicio del sistema debe realizarse de acuerdo con el manual técnico del equipo y las normas de seguridad pertinentes. Una vez finalizada, el sistema debe cumplir o superar los indicadores de rendimiento especificados en las especificaciones del equipo. Si durante la puesta en servicio se detectan discrepancias entre el rendimiento real y los parámetros manuales, el proveedor del equipo deberá tomar medidas correctivas. Solo cuando el rendimiento cumpla con los estándares, el sistema será aceptado.

8. Precauciones de Operación y Mantenimiento

8.1 Mantenimiento Diario

El mantenimiento preventivo es el mejor mantenimiento, por lo que el sistema fotovoltaico aislado debe inspeccionarse periódicamente. De esta manera, se pueden detectar y solucionar pequeños problemas antes de que se conviertan en problemas graves. La mayoría de las inspecciones se pueden realizar con un voltímetro y un amperímetro. Las inspecciones periódicas pueden eliminar peligros ocultos antes de que el sistema falle. Se deben realizar las siguientes inspecciones:

(1) Mantenimiento de los paneles solares y soportes

1) Limpieza regular

Utilice un paño suave y limpio, seco o húmedo, para limpiar la superficie del módulo. Está estrictamente prohibido utilizar disolventes corrosivos u objetos duros para limpiar la superficie del módulo; el módulo debe limpiarse cuando la irradiancia sea inferior a 200 W/m². No se recomienda utilizar líquidos con una temperatura superior a la del módulo para limpiarlo. 2) Inspección regular

Si se detecta alguno de los siguientes problemas, se debe ajustar o reemplazar el módulo inmediatamente:

① Vidrio agrietado, lámina posterior quemada o cambio de color notable en el panel solar;

② Burbujas que forman un camino entre el panel solar y el borde del módulo o cualquier circuito; 

③ Caja de conexiones deformada, torcida, agrietada o quemada, que impide la correcta conexión de los terminales;

③ La etiqueta de advertencia de tensión del panel solar debe estar intacta;

4) Para módulos con marcos metálicos, el marco y el soporte deben estar bien conectados, con una resistencia de contacto no superior a 4 Ω, y el marco debe estar conectado a tierra de forma segura.

5) Al operar sin sombra, con una irradiancia solar de aproximadamente 500 W/m² o superior y una velocidad del viento no superior a 2 m/s, la diferencia de temperatura en la superficie del mismo módulo (el área directamente sobre las celdas) debe ser inferior a 20 °C.

6) Con un amperímetro de pinza de CC, en condiciones de irradiancia solar prácticamente uniforme, mida la corriente de entrada de cada cadena de módulos fotovoltaicos conectada a la misma caja combinadora de CC. La desviación no debe superar el 5 %.

7) Todas las conexiones directas de pernos, soldaduras y soportes deben ser firmes y fiables, y el revestimiento anticorrosivo de la superficie no debe agrietarse ni desprenderse; de lo contrario, debe repararse a tiempo.

2) Mantenimiento del inversor

1) La estructura y las conexiones eléctricas del inversor deben mantenerse intactas. No se permite la acumulación de óxido ni polvo. El entorno de disipación de calor debe ser adecuado. No se deben producir vibraciones fuertes ni ruidos anormales durante el funcionamiento.

2) Las señales de advertencia del inversor deben estar completas.

3) Los ventiladores del radiador de los módulos, reactancias y transformadores del inversor deben arrancar y parar automáticamente según la temperatura. No se deben producir vibraciones fuertes ni ruidos anormales cuando los ventiladores de refrigeración estén en funcionamiento. Si se detecta alguna anomalía, se debe desconectar la alimentación para su inspección.

(3) Mantenimiento del cable 

1) El cable no debe operarse bajo sobrecarga. El cable no debe hincharse ni agrietarse.

2) El cable debe estar sellado a la entrada y salida del equipo. No debe haber huecos mayores de 10 mm. Si hay agujeros, séllelos con masilla ignífuga. 

3) En la zona donde el cable ejerza demasiada presión o tensión sobre la carcasa del equipo, el punto de apoyo del cable debe estar intacto.

4) La boca del tubo de acero de protección del cable no debe presentar perforaciones, grietas ni irregularidades significativas, y la pared debe ser lisa. El tubo metálico no debe presentar oxidación excesiva ni rebabas, objetos duros ni residuos. Si presenta rebabas, alíselas, envuélvalas con la funda del cable y fíjelas firmemente.

5) La acumulación de cables en el exterior debe limpiarse a tiempo. Si la funda del cable está dañada, retírela de inmediato.

6) Al inspeccionar la zanja abierta del cable interior, evite dañar el cable y asegúrese de que el soporte esté conectado a tierra y la zanja esté bien ventilada.

(4) Mantenimiento adicional

1) Compruebe la estanqueidad y la firmeza de todas las conexiones del sistema. La conexión de la batería debe estar limpia y sellada con un agente anticorrosivo.

2) Compruebe que todas las cajas de cables estén cerradas (selladas) para detectar daños por agua y corrosión. Si hay componentes electrónicos instalados en la caja de conexiones, revise el aire acondicionado de la caja y reemplace o limpie el filtro de aire. 3) Compruebe el funcionamiento del interruptor para determinar si funciona correctamente. Compruebe si hay corrosión o carbonización cerca de los contactos.