Recientemente tuve el desafío personal de determinar si los paneles solares eran una buena opción para una casa que no recibe energía de la red. La pregunta era básicamente si era más caro instalar un sistema “off grid” y que implicaciones tiene, o si conviene pagar por la instalación de postes hasta la vivienda.

Buscando en internet no encontré nada que me ayudara a realizar los cálculos, no solo tener un estimado del consumo, sino también saber que componentes eran necesarios y como dimensionarlos. En esta búsqueda encontré el libro “Photovoltaic Design and Installation for Dummies” por Ryan Mayfield. Este libro me dio los conocimientos que estaba buscando y los comparto en este post ajustados a la realidad chilena.

(Realizaré algunas citas de libro con su numero de pagina entre paréntesis)

1. Los tipos de sistemas: Fuera de red (off grid), Con red y con red+ baterías

1.1 Fuera de red (off grid)

Estar fuera de la red significa que todo el consumo de la vivienda dependerá de fuentes de energía renovables y generadores. Esta opción es para viviendas que se encuentran aisladas, en las cuales no es factible económicamente construir postes para entregar energía al hogar.

Cuando el acceso a la red es cercano, siempre es más recomendable conectarse a la red debido a que es una fuente segura de energía, especialmente en invierno. La menor radiación solar debido a días mas cortos, nubes y lluvia reduce considerablemente la cantidad de energía que un panel puede generar (50% o incluso menos, depende de la ubicación). Construir mas paneles de tal manera de poder captar mas energía en invierno, implica un gran aumento de costo y espacio necesario.  Es por esta razón que durante invierno la solución más aceptable es el uso de generador para compensar la falta de energía.

Si el acceso a red no es tan cercano y se quiere tomar una decision, espero que el calculo de costos que puedas hacer con este articulo pueda ayudarte.

Otras cosas que debes considerar:

  • Se deberán cambiar algunos hábitos de consumo de tal manera de hacer un consumo eficiente de energía.
  • Los panales fotovoltaicos tiene una vida aproximada de 15 años, luego con el tiempo van de apoco perdiendo la capacidad de generar energía
  • Este sistema requerirá de baterías. Las baterías requieren cuidado, especialmente si se quiere contar con toda su vida útil. (más adelante detallo estos cuidados). Luego de aproximadamente 5 a 10 años (dependiendo del tipo de batería) estas deben cambiarse.
  • Existen algunos electrodomésticos diseñados para funcionar en DC (no AC, el tipo de energía que usan las casa). De esta manera se evita el uso de un inversor, el cual genera algunas perdidas de energía, y por ende un uso mas optimo de energía.

Cómo funciona

El como funciona esta descrito a continuación por el camino que realiza la corriente eléctrica.

  1. Paneles: Los paneles reciben la energía solar
  2. Controlador de carga: Recibe la energía solar y la entrega a la batería de manera controlada (Optimizando la vida de la bateria).
  3. Bacterias: Almacenan la energía.
  4. Inversor: Cuando la casa requiere energía, la saca de la batería y la transforman de DC to AC.
  5. Tablero de la casa: Este distribuye la energía al resto de la casa, es decir interruptores, enchufes, luces, etc.
  6. Generador: Se conecta al inversor cuando la energía del sistema no es suficiente, generalmente en invierno.

Nota sobre DC a AC: Las bacterias y panel fotovoltaico trabajan en DC pero el resto de la casa generalmente en AC. Existen algunos electrodomésticos que venden pensados en aplicación solar que son DC, si tienes la opción estos son mejores, ya que en la transformación de DC a AC se pierde energía (Puedes hacer 2 conexiones en paralelo al banco de baterías, una alimenta directamente con Dc y otra hacia el inversor).
Nota sobre inversor y controlador: Estos se pueden comprar por separado, pero también existen los inversor-cargador (un componente con ambas funciones) por ejemplo link 

1.2 En red sin baterías

Es la opción cuando se tiene conexión a la red pero se desea disminuir el consumo del hogar. De esta manera cualquier consumo durante el día provendrá de la energía captada por los paneles solares en primer lugar, si se requiere más energía esta provendrá de la red.

En caso de no consumir energía en las horas de sol, esta energía se perderá excepto que se cuente con algún contrato que permita vender energía a la red. En Chile Enel cuenta con “Net Billing” (más información en https://www.eneldistribucion.cl/net-billing)

Algunas consideraciones antes de la instalación:

  • Se debe considerar la ubicación de los paneles:
    • El techo resistirá su peso?
    • Existen mucha sombra debido a árboles o edificios cercanos? (la sombra reduce significativamente la cantidad de energía que los paneles pueden captar)

Como funciona

El como funciona esta descrito a continuación por el camino que realiza la corriente eléctrica.

  1. Paneles: Los paneles reciben la energía solar
  2. (interruptor para desconexión DC en caso de emergencias o mantenimiento)
  3. Inversor: Transforman la energía en DC to AC
  4. (interruptor de desconexión AC para casos de emergencias o mantenimiento)
  5. Tablero de la casa: Este distribuye la energía al resto de la casa.
  6. Medidor: En caso de tener “Net Billing”  la energía que sobre puede ir del inversor al medidor.

Fuente imagen : https://www.mathworks.com/

1.3 En red con baterías

En este caso permite el ahorro de energía para consumos durante el día o inyectar energía  al red, como el caso de red sin baterías. Las baterías serán útiles para entregar energía en caso de coste de luz.

Contar con un sistema de baterías solo hace sentido si vives en un lugar con frecuentes cortes de luz, o si alguna persona en el hogar necesita usar un respirador u otro mecanismo de soporte vital que requiere de energía eléctrica para funcionar. Estos casos vitales, también pueden considerar un generador como alternativa.

Las consideraciones son las mimas que sin batería (ver más arriba) y ademas se suma que las baterías requieren cuidado, especialmente si se quiere contar con toda su vida útil. (más adelante detallo estos cuidados)

Como funciona

El como funciona esta descrito a continuación por el camino que realiza la corriente eléctrica.

  1. Paneles: Los paneles reciben la energía solar
  2. (interruptor de desconexión DC. Uno por cada controlador de carga. 1 por el inversor)
  3. Controlador de carga: Recibe la energía solar y la entrega a la batería de manera optima.
  4. Bacterias: Almacenan la energía.
  5. Inversor: Transforman la energía en DC to AC
  6. (interruptor de desconexión AC)
  7. Tablero de la casa: Este distribuye la energía al resto de la casa.
  8. Medidor: En caso de tener “Net Billing”  la energía que sobre puede ir del inversor al medidor.

2 Baterías

Las baterías están presente en los sistemas off-grid y en red con baterías. En ella almacenaremos la energía equivalente a los elementos que queremos alimentar según la autonomía deseada para el sistema.

La mayoría de sistemas off grid generalmente tienen autonomía para 2 o 3 días ya que días nublados o con lluvia no podrán recargarse bien las baterías, mientras que los sistemas en red con baterías suelen tener para 1 día (p.211). La cantidad de días de autonomía dependen finalmente de la persona y su presupuesto. Se debe tener en cuenta que más baterías implican una mayor inversion inicial, mayores gastos en mantenimiento y pasado una cierta cantidad de años la renovación completa del banco de baterías. También se debe considerar que en caso de requerir mas energía se puede contar con un generador.

Para un sistema off-grid las baterías deben almacenar la energía que consumen todos los elementos del hogar en un día o más. Mientras que en red con baterías se deben considerar aquellos elementos de importancia que queremos mantener alimentados en un corte de luz.

2.1 Explicación de algunas especificaciones técnicas
  • “Amperaje” (Ah) Si bien Amper es la unidad de corriente (flujo eléctrico) las baterías entregan un valor en Amper-hora el cual corresponde a una medida de la energía que podemos almacenar en la bateria.
  • Voltaje (V). Es el voltaje en el cual generalmente entrega energía la batería. Este puede cambiar con la temperatura.

La energía almacenada por la batería en Watt-h (Wh)se calcula como

$$E=Voltaje \cdot Amperaje$$

2.2 Tipos de batería
  • Baterías de ciclo profundo. Por lo general descargar mucho una batería reduce su vida útil. Estas baterías son especiales soportando descargas completas. Este tipo de batería es el recomendado para sistemas off-grid.
  • Baterías de Plomo abierto. Este es el tipo de batería más usado en sistemas fotovoltaicos. Por lo general son mas baratas y pueden llegar a vivir 10 años, pero requieren de constante mantención (Se deben rellenar con agua destilada y requieren cada cierto tiempo una “carga de equalization”(En el libro explican como realizar este proceso) (p.127)
  • Baterías de plomo selladas (VRLA). Populares en sistemas fotovoltaicos en red con baterías. Son mas caras, pero no requieren mantenimiento. El único cuidado es que se deben cargar y descargar una o dos veces cada 6 meses para cuidar la duración de la batería. La vida útil de estas baterías es de 5 a 7 años. (p. 129)
2.2 Conexión entre baterías

Las baterías, al igual que los paneles, se pueden conectar en serie o paralelo. Las reglas son las mismas. En serie el terminal positivo de una batería se conecta al negativo de la siguiente, en este sistema la corriente es la misma y los voltajes se suman. En el caso de paralelo todos los terminales positivos van a un cable, y todos los negativos a otro cable, el voltaje es el mismo para todas las baterías y la corriente se suma. No se recomienda poner más de 3 grupos de baterías en paralelo ya que tienden a descargarse de manera desigual. No hay ningún problema de conectarlas en serie. La major conexión va a venir dada por las especificaciones técnicas del componente que siga a las baterías.

 Cuidados

  • Las baterías deben estar ventiladas ya que estas generan hidrógeno durante la carga y descarga. (incluso si son selladas, aunque estas generan una menor cantidad)
  • Al descargar debe quedar siempre al menos 30% de la capacidad de la batería. Sino la vida de esta se reduce (Excepcion de ciclo profundo).
  • Baterías de promo abierto
    • Necesitan una “Ecualización” cada cierto tiempo, esto generalmente esta especificado en el “Data sheet” (Hoja de especificaciones) de la batería. En el caso de “off grid” generalmente es cada 3 o 6 meses. Este proceso generalmente puede ser hecho por quien instala los paneles. Algunos inversores-cargadores traen la opción de ecualizar las baterías con ayuda de un generador. No realizar esto reduce la vida de la batería. (mas información aquí)
    • Si la batería no es sellada se debe recargar con agua destilada.
  • Cuando las baterías comienzan a fallar por mucha edad, se recomienda cambiar todas las baterías conectadas en serie. Si se cambia solo una, el resto de las baterías reducirán mas rápido la vida de la batería nueva.
  • La mejor temperatura para el funcionamiento de baterías es 25C. Muy bajas temperaturas reducen su capacidad para entregar corriente, muy altas reducen la vida de la batería.
2.2 Cuantas baterías necesito?

calcular baterias. usar calculo de energia de baterias en paneles solares

2. Paneles solares

Son los que captan la energía de sol y la transforman en corriente continua (DC).

Estos pueden ser conectados de dos formas: Serie o paralelo, o una mezcla de un conjunto en serie y varios conjuntos en paralelo (con el cuidado que lo que se conecta en paralelo debe estar al mismo voltaje). Las distintas conexiones modifican la cantidad de corriente (medida en Amperes) y/o voltaje (medido en Volts) que produce el arreglo. El como conectarlos dependerá del componente del sistema que venga luego del panel.

Cuantos paneles necesitaremos depende de la cantidad de consumo eléctrico que queremos cubrir  (Ver cálculos más adelante)

2.1 Explicación de algunas especificaciones técnicas
  • Potencia máxima (o nominal). Es la potencia que producen los paneles en condiciones de laboratorio. Esto no significa que el panel siempre entregará esta potencia, la potencia depende de la cantidad de sol, y depende de la ubicación geográfica donde se instalen (ver calculos). Este valor sirve para comparar distintos paneles y hacer cálculos.
    Cuando se tiene más de un panel la potencia total se calcula como la suma de los paneles.
    $$P=\sum_{i=1}^n V_i*I_i=\sum_{i=1}^n P_i$$
  • Voltaje en circuito abierto (VOC). Es el mayor voltaje que el circuito puede alcanzar. Conocer este valor sirve para el dimensionamiento del componente que sigue luego del panel.
    Los voltajes varían con la temperatura, siendo mayor a menor temperatura. Para el diseño final se recomienda ver esta especificación con el fabricante a la menor temperatura en el año dada la locación del panel.

Nota: Potencia es la capacidad de realizar alguna acción. La potencia multiplicada por el tiempo corresponde a la energía. En el caso de paneles solares, la potencia nos da idea de cuanta energía puede producir, un panel con mayor potencia producirá más energía en la misma cantidad de horas. En el caso de electrodomésticos la potencia nos da una idea del consumo de energía, por ejemplo un refrigerador mas eficiente consume menos energía y posee una menor potencia.

2.2 Cuidados
  • Se recomienda diariamente rociar agua sobre los paneles. El polvo y suciedad reduce su eficiencia.
  • Se recomienda conectar la estructura metálica del panel a tierra como una medida de seguridad ante shock eléctricos.
2.5 Tipos de conexiones
2.5.1 Paneles solares conectados en Serie.

Esta conexión se logra conectado el terminal positivo de un panel con el negativo del siguiente panel.

En esta configuración la corriente mantiene su valor y los voltajes se suman.

2.5.2 Paneles solares conectados en Paralelo.

Todos los terminales positivos se conectan a un mismo cable, y todos los negativos a otro cable.

Esta configuración mantiene el Voltaje y suma las corrientes.

2.6 Orientación de los paneles

Los paneles deben estar ubicados en un lugar sin sombras durante el año (o donde se minimicen).

El panel recibirá de mejor manera la energía del sol en la medida que los rayos de sol sean perpendicular al panel. La mejor posición cambia a lo largo del día y también durante el año (la posición del sol va cambiando). Hacer un sistema que siga el sol es una opción, pero es cara, la mayoría opta por poner el panel en la posición que maximiza la captación de energía durante todo el año, o durante el invierno. La orientación viene dada por dos ángulos: inclinación y azimut.

El angulo optimo para la mayor captación durante el año según locación en Chile puede ser obtenida con el  explorador solar

Inclinación Es el angulo entre el suelo y el panel solar. Este angulo asegura que el panel quede orientado hacia el sol la mayor cantidad de tiempo.

Azimut. Es el angulo entre el norte y la posición del sol. Se mide positivamente en sentido horario, negativo antihorario. Es decir el Este esta 90º , sur 180º  y oeste 270º  (-90º ).
Nota: Algunas convenciones usan el sur como 0º, pero en el caso del explorador solar usa la convención norte es 0º.

2.7 Cuantos paneles necesito?

Básicamente la cantidad de paneles depende de cuanta energía queremos generar. Para realizar este calculo necesitamos necesitamos conocer:

  • Potencia nominal de los paneles
  • Ubicación geográfica de los paneles
  • Sombras durante el día en la posible locación de los paneles.
  • En caso de un sistema con baterías, el consumo eléctrico.

En el caso de una conexión a red sin baterías no se realiza un calculo de paneles solares, ya que básicamente consumiremos la energía directa del sol, y si podemos, venderemos energía a la red. En este caso, el calculo para determinar si conviene tener un sistema fotovoltaico es determinar el costo del sistema versus el ahorro que se puede lograr en un plazo de 15 años (vida util aproximada del sistema).

En el caso de un sistema con baterías los paneles que necesito son la cantidad necesaria para poder recargarlas durante el día.

2.7.1 Como calcular el consumo eléctrico

Todo componente eléctrico tiene una etiqueta o placa al reverso con el modelo y otras especificaciones del sistema. Por ejemplo la siguiente foto es de un refrigerador.

El valor que estamos buscando es la potencia nominal (o solo potencia) la cual se mide en unidades de W (Watts). En este ejemplo son 100W.

Watt es la unidad de potencia y nosotros debemos saber la energía que necesitamos (Watt-hora or Wh), este calculo se logra multiplicando P la potencia y t el tiempo que se usa el aparato (por ejemplo horas al día).

$$E=P \cdot t$$

Que componentes eléctricos se deben considerar dependen del tipo de sistema. En el caso off-grid se deben considerar todos los componentes del hogar y cuantos días de autonomía deseamos. Si calculamos la energía necesaria por día y diseñamos el sistema para almacenar la energía de un día, en caso de días nublados o con lluvia nos faltará energía para cubrir nuestras necesidades y requeriremos usar un generador. Es por esto que algunas personas deciden diseñar para 2 o más días (ojo que mayor autonomía mayor gasto inicial y de mantención).

Dado que no todos los días se usan los mismos aparatos eléctricos, por ejemplo quizás se quiera usar la lavadora 1 vez a la semana, lo recomendado es hacer un cálculo total por la semana y luego dividirlo por 7 para obtener el consumo promedio de un día.

En el caso en red con baterías considerar solo los elementos que queremos alimentar en el caso de corte de luz. En cuanto a las horas de uso corresponden a las horas de autonomía que deseamos. Por ejemplo el consumo eléctrico de un respirador mecánico para 48 horas.

Algunos valores de consumos de referencia los pueden obtener de https://www.eneldistribucion.cl/simulador-consumo (Ojo con la Unidades, buscamos los Watt)

Por ejemplo, yo buscaba diseñar para una casa off grid y esto fue lo que calcule

$P$ Potencia (kW) $h_{dia}  $ Horas diarias de uso $c$ cantidad en el hogar  $d_{semana}$ Dias a la semana $E_{semana}$ kWh a la semana
Lavadora 0.55 3 1 1 1.7
Refrigerador 0.03 24 1 7 0.7
Ampolleta eficiente 20W 0.02 5 6 7 0.6
Bomba agua 0.736 1 1 1 0.7
TV 0.12 5 1 7 0.6
$Total_{semana}$ 4.3
        $Total_{dia}$ 0.6

Con

$$E_{semana}=P \cdot  h_{dia}  \cdot  c \cdot d_{semana}$$

$$Total_{semana}= \sum E_{semana}$$

$$Total_{dia}=\frac{Total_{semana}}{7}$$

En este ejemplo necesito un sistema de 0.6kWh para cubrir el consumo promedio diario.

2.7.2. Calcular la energía captada por los paneles solares según la ubicación geográfica

Pensando en una aplicación en Chile  contamos con un estudio de la radiación en el país disponible en http://www.minenergia.cl/exploradorsolar/  (ver manual). Pasos básicos para usarla:

  1. Visitar http://www.minenergia.cl/exploradorsolar/ sección calcular sistema fotovoltaico. Recomiendo calcular con el modelo básico para una primera iteración. Cuando el sistema este mas definido puedes ir al modelo avanzado
  2. En capacidad instalada colocas la potencia nominal de los paneles por la cantidad de paneles que piensas poner. Por ejemplo probaré inicialmente con 2 paneles de 200W (capacidad 0.4kW)
  3. Datos como los coeficientes de temperatura del panel, capacidad del inversor, eficiencia del inversor se pueden obtener de los “Data sheet” (buscar en google “Data sheet” el modelo del aparato). En una primera iteración se pueden dejar los valores por defecto. Cuando tengamos mas detalles del sistema podemos calcular con mas exactitud.
  4. Para el tipo de arreglos ver mas arriba las opciones con sus detalles. Si estos van a ser instalados en el suelo sobre un montaje fabricado especialmente para ello, se puede usar la opción optimizar ángulos para saber la inclinación y azimut que captan la mayor radiación solar durante el año. Si irán al techo de una casa la orientación viene definida por este.

La calculadora nos entregará un resumen como el siguiente

Esto nos indica un esperado de la energía que podemos captar con nuestro sistema.

2.7.3 Combinar consumo eléctrico con energía captada por los paneles.

Dado que el sistema tendrá perdidas de energía durante la carga de baterías, uso de inversores y sombras se debe considerar que la energía entregada por los paneles debe ser mayor que la energía consumida.

Una aproximación rapida, basada en

2.2 Inversor

2.3 Controlador de carga

PWM

  • Solo pueden cargar baterías que están al mismo voltaje que los paneles (si los paneles entregan mas voltaje se pierde)

MPPT

  • Es el tipo de controlador mas usado pues permite tener un mayor voltaje del lado de los paneles y uno reducido al lado de las baterías. Permite usar por completo la energía creada por los paneles.
  • Se debe verificar que la corriente de salida no exceda el máximo permitido por las baterías. Si el voltaje por la corriente del conjunto de baterias es menor a la potencia entregada por los paneles, el exose se energía será transformado en calor, dañanando el cargador.
2.5 Cableado

Si van ustedes a realizar la conexión recomiendo leer el libro (“Photovoltaic Design and Installation for Dummies” por Ryan Mayfield). Algunas de las consideraciones que pueden encontrar en el

  • Tipo de cableado según esta expuesto en el exterior o en el interior de la casa, junto con las canaletas o tubos a usar.
  • Para el cableado de salida del panel se recomienda calcular la corriente que circula en corto circuito (ver en “Data sheet” del panel) y multiplicarla por 1.56 para determinar los amperes que debe resistir el cable. (Este calculo puede es sobredimencionado, pero si la instalación es pequeña no es mucho el costo extra)
  • Los cables saliendo del inversor deben resistir al menos 1.25 la corriente máxima de este (valor en “Data Sheet”)
  • Debido al largo de los cables se va a perder energía. Esta pedida puede ser calculada con la ley de Ohm. Para un sistema en red las recomendaciones es que no sean mayor al 2% desde los paneles, y no mayor al 1.5% al lado AC del inversor. Para un sistema on grid una perdida del 2% al 3% es aceptable.

3. Cálculos

Ahora que sabemos aproximadamente cuanta energía necesitaremos debemos calcular cuantos paneles necesitamos. Este calculo depende de los siguientes factores

  • Potencia nominal de los paneles
  • Ubicación geográfica de los paneles
  • Sombras durante el día en la posible locación de los paneles.

Cómo realizar el cálculo

  1. Calcular la radiación según la ubicación geográfica
3.3 Cuantas baterías necesito?

Te recomiendo visitar: http://www.buentutorial.com/cuantos-paneles-solares-baterias-necesito/

3.3 Que inversor necesito?

Dependerá de la potencia que se debe tener para los aparatos eléctricos,  este valor se puede obtener multiplicando el voltaje por la intensidad de corriente (Ampere)

3.4 Que controlador de carga necesito?
  • Las especificaciones son el mínimo y máximo voltaje de carga y la cantidad de corriente que pueden procesar. Necesitas ver la cantidad de corriente que producirán los paneles para especificar el controlador de carga.
  • Los paneles irán conectados según las necesidades del controlador de carga. Puede ser que uses distintos grupos de paneles conectados a distintos controladores y a un mismo banco de baterías

4. otros conceptos útiles

4.1 Conexión serie paralelo de baterías y paneles
  • No se recomienda ams de 3 ramas en paralelo, ya que las baterias pueden descargarse ded manera desigual

Web recomendadas

Donde comprar

Net Billing


Gabriela Bravo Illanes

Mechanical enginner. Interested in DIY and robotics.