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Instalaciones Fotovoltaicas
Sistemas Fotovoltaicos Autónomos
(Leocadio Hontoria)
SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
AUTÓNOMOS
SFA
Instalaciones Fotovoltaicas
Sistemas Fotovoltaicos Autónomos
(Leocadio Hontoria)
Índice
1. Introducción
1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA
3. Métodos de Dimensionado
3.1. Clasificación
1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado Red SFCR 3.2. Métodos Intuitivos
1.3. Analogías y Diferencias
3.3. Métodos Analíticos
1.4. Clasificación de los SFA
3.4. Métodos Numéricos
2. Definiciones
2.1. Capacidad del Generador CA
2.2. Capacidad del Sistema de Acumulación CS
2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga
2.4. Curvas LLP
4. Dimensionado SFA
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Sistemas Fotovoltaicos Autónomos
(Leocadio Hontoria)
1. Introducción
Instalaciones Fotovoltaicas
Sistemas Fotovoltaicos Autónomos
(Leocadio Hontoria)
1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA
Sistema de Generación
Regulador
Carga (LCC)
Consumo
Sistema Acumulación
SFA 1. Sólo Consumo en Continua
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1.1. Sistema Fotovoltaico Autónomo SFA
Sistema de Generación
Regulador
Carga (LCC)
Inversor
Carga (LCA)
Sistema Acumulación
SFA 2. Consumo en Continua y Alterna
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1.2. Sistema Fotovoltaico Conectado a Red SFCR
Sistema de Generación
Inversor
SFCR
Red Eléctrica Convencional
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1.3. Analogías y Diferencias
Analogías
Sistema de Generación
Diferencias
Inversor
Regulador
Filosofía de Dimensionado
SFA: Cubrir una demanda de consumo.
Fiabilidad en el servicio.
SFCR: Producción de Energía.
Sistema Acumulación
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1.4. Clasificaciones de los SFA
•Según Aplicación:
•I. Electrificación Rural
•II. Productos de Consumo
•III. Aplicaciones Industriales
•Según Usos Sistema Acumulación:
•I. SFA sin Batería (PV-direct)
•II. SFA con Batería
•III. SFA Híbrido
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(Leocadio Hontoria)
2. Definiciones
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(Leocadio Hontoria)
Sistema de Generación
Regulador
Carga (LCC)
Sistema Acumulación
Inversor
Sistema de Generación.
Sistema de Acumulación (Baterías)
Sistema de Regulación (Regulador)
Sistema de Acondicionamiento de Potencia (Inversor)
Otros Elementos (Estructuras, cableado, cargas,..)
Carga (LCA)
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2.1. Capacidad del Generador Normalizada al Consumo
Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y
la energía consumida por la carga.
CA
2.2. Capacidad del Acumulador Normalizada al Consumo
Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la
energía consumida por la carga
CS
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2.3. Probabilidad de Pérdida de Carga
El mérito de un SFA se mide en términos de la fiabilidad con que suministra
energía eléctrica a la carga
¿Cómo se cuantifica la fiabilidad?
Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP)
Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo
de funcionamiento de una instalación
LLP =
 Déficit de energía

 Demanda de energía

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2.4. Curvas LLP
* Es posible encontrar diferentes pares de valores CA-CS que conducen al
mismo valor de LLP
* A mayor tamaño del sistema fotovoltaico mayor es su coste, mayor su
fiabilidad y menor su LLP
LLP
LOLP 0.01
2.000
1.800
(CS,CA) = (8, 0.61)
Generador “Pequeño”
Acumulador “Grande”
1.600
1.400
1.200
CA
(CS,CA) = (2, 1.1)
Generador “Grande”
Acumulador “Pequeño”
CA1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
1
2
3
4
5
6
CS
Cs
7
8
9
10
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3. Métodos de
Dimensionado
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3.1. Clasificaciones de los Métodos de Dimensionado
•Según Seguidor Punto de Máxima Potencia (MMP):
•I. Con Seguidor MMP
•II. Sin Seguidor MMP
•Según Relación CA-CS-LLP:
•I. Intuitivos
•II. Numéricos
•III. Analíticos
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Según Relación CA, CS y LLP
* Métodos Intuitivos
•No establecen relación entre CA, CS y LLP
•Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el
mes crítico o la energía producida en media anual, exceda a la consumida
por la carga en un determinado factor de seguridad
* Métodos Numéricos
•Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación
* Métodos Analíticos
•La forma de las líneas isofiables sugiere la posibilidad de
describirlas analíticamente
•Presentan ecuaciones para describir las líneas isofiables
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3.2. Métodos Intuitivos
•No establecen relación entre CA, CS y LLP
•Dimensionar: asegurar que el valor medio de la energía producida en el
mes peor, exceda a la consumida por la carga en un factor de seguridad
Por Ejemplo CA = FS1 CS = FS2
FS1 y FS2 factores arbitrarios
En España
FS1 / FS2
Aplicación
Doméstica
Telecomunicación
Norte de España
1.2 / 5
1.3 / 8
Sur de España
1.1 / 4
1.2 / 6
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3.3. Métodos Numéricos
•Relación entre CA, CS y LLP mediante simulación
Ventajas
Son muy precisos
Posibilitan refinamientos, incorporando modelos más completos para los
diferentes elementos del sistema
Permiten analizar aspectos adicionales al dimensionado
Inconvenientes
Necesitan de largas secuencias de radiación para la simulación
Largo tiempo de cálculo
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3.4. Métodos Analíticos
•Relación entre CA, CS y LLP mediante ecuaciones
Autores: Barra, Bartoli, Macomber, Gordon, Bucciarelli
Método del Instituto de Energía Solar (IES)
CA = f CS-u
f = f1 + f2 log (LLP)
u = exp(u1 + u2 LLP)
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4. Pasos en el
Dimensionado
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Pasos en el Dimensionado
1. Estimación del Consumo
2. Dimensionado Sistema de Generación (Generador Fotovoltaico)
3. Dimensionado Sistema de Acumulación (Baterías)
4. Dimensionado Sistema de Regulación (Regulador)
5. Dimensionado Sistema de Acondicionamiento de Corriente (Inversor)
6. Dimensionado del Cableado
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Paso 1
Estimación del Consumo
Definiciones
Expresiones
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Paso 1. Estimación del Consumo
Definiciones
Consumo Medio Diario
Consumo eléctrico medio en un día cualquiera
Símbolo Lmd
Unidad Wh / día
Consumo Medio Mensual
Media mensual del anterior
(Se considera igual al anterior)
Consumo Total Anual
Producto del Consumo Medio Diario por el número de días de consumo a lo largo de un año
Símbolo LT
Unidad Wh
Consumo Medio Anual
Media anual del anterior
Si el consumo medio diario es constante a lo largo del año, coincidirá con éste
Símbolo Lma
Unidad Wh / día
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Paso 1. Estimación del Consumo
Expresiones
Lmd , DC 
Consumo Medio Diario [Lmd (Wh /dia)]
Consumo DC
LmdDC =  P(DC)i ·tdi
Consumo AC
LmdAC =  P(AC)i ·tdi
Lmd,DC : Energía consumida en DC (Wh/dia)
LmdAC : Energía consumida en AC (Wh/dia)
P(D,C)i : Potencia Nominal Elemento DC i (W)
P(AC)i : Potencia Nominal Elemento AC i (W)
tdi :Tiempo diario de uso (h)
Consumo Total Anual [LT (Wh)]
Lmd 
Lmd , AC
 INV
 BAT CON
Lmd : Consumo Medio Diario(Wh/día)
BAT : Rendimiento de la batería
INV : Rendimiento del inversor
CON : Factor Rendimiento Conductores
LT = Lmd * Nd
Nd : Número días
Consumo Medio Anual [Lma (Wh /dia)]
Lma = LT / Nd
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Dimensionado Generador
Posición Óptima de Módulos
Criterio 1.
Criterio del Mes Crítico
Criterio 2.
Criterio Máxima Captación
Energética Anual
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Posición Óptima Módulos. Criterio Mes Crítico
A. Orientación SUR ( = 0)
B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada  (Gd (kWh/m2))
Mes
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
0º
1,385
2,036
3,062
4,040
4,121
4,743
4,558
4,071
3,571
2,374
1,624
1,205
10º
1,514
2,139
3,104
4,041
4,109
4,702
4,526
4,075
3,584
2,467
1,744
1,342
Gd Global (kWh/m2)
20º
30º
40º
1,584 1,625 1,636
2,176 2,176 2,139
3,078 3,004 2,882
3,970 3,837 3,647
4,024 3,872 3,658
4,587 4,399 4,143
4,421 4,244 4,002
4,005 3,870 3,674
3,530 3,421 3,260
2,492 2,474 2,415
1,803 1,829 1,823
1,422 1,476 1,501
50º
1,617
2,066
2,718
3,405
3,387
3,828
3,701
3,423
3,053
2,316
1,785
1,499
60º
1,569
1,960
2,516
3,119
3,069
3,464
3,352
3,126
2,806
2,180
1,716
1,467
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C. Consumo Medio Mensual (= Consumo Diario Medio Lmd)
D. Relación Consumo / Radiación
D1. Tomar el Máximo Cociente para cada ángulo (Mes Crítico)
D2. Seleccionar de todos los máximos el Menor.
Ene
0º
2166
10º
1982
Lmd / Gd
20º
30º
1894 1846
Feb
1473
1403
1379
1379
1403
1452
1531
Mar
980
966
975
999
1041
1104
1192
Abr
743
742
756
782
823
881
962
May
728
730
746
775
820
886
978
Jun
633
638
654
682
724
784
866
Jul
658
663
679
707
750
811
895
Ago
737
736
749
775
817
876
960
Sep
840
837
850
877
920
983
1069
Oct
1264
1216
1204
1213
1242
1295
1376
Nov
1847
1720
1664
1640
1646
1681
1748
Dic
2490
2235
2110
2033
1999
2001 2045
Mes
40º
1834
50º
1855
60º
1912
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Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética
A. Orientación SUR ( = 0)
B. Cálculo de Radiación Global sobre Superficie Inclinada  (Gd (kWh/m2))
MEDIA ANUAL
Gd Global (kWh/m2)
Media
Anual
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
3.066
3.112
3.091
3.019
2.898
2.733
2.529
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Posición Óptima Módulos. Criterio Máxima Captación Energética
C. Consumo Medio Anual (Lma)
D. Relación Consumo / Radiación
Seleccionar de todos los máximos el Menor.
Lma / Gd
Media
Anual
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
979
964
971
994
1035
1098
1186
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Dimensionado Generador
Cálculo del Número de Paneles
Método 1. Funcionamiento
Punto de Máxima Potencia
Método 2.
Amperios Hora
Método 3.
Curvas Isofiables
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Método 1
Funcionamiento Punto
Máxima Potencia
Definiciones
Expresiones
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Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia
Definiciones
•Generador FV trabaja en el punto de máxima potencia
•Incluir un factor global de funcionamiento (PG o PR)
NT :Número Total de módulos a instalar
NS: Número de módulos en Serie
NP: Número de módulos en Paralelo
NT = NS x NP
PMPP,TC: Potencia Pico del Módulo en STC (Wp/kW/m2)
PG: Factor Global de Funcionamiento del Generador (0.65-0.9)
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Método 1. Funcionamiento en Máxima Potencia
Expresiones
NT = Lmdc / (PMPP·Gd·PG)
NS = VBAT / VMPP,STC
NP = NT / NS
Lmdc : Consumo Medio Diario Mes Crítico (Wh /día)
PMPP,STC : Potencia Pico del Módulo (Wp/kW/m2)
Gd : Radiación global sup. inclinada (kWh /m2)
PG : Factor Global de Funcionamiento
NS : Número de paneles serie
VBAT : Tensión Nominal de la Batería (V)
VMPP,STC : Tensión Nominal Módulo (max. potencia (V))
NP : Número de paneles paralelo
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Método 2
Amperios-Hora
Definiciones
Expresiones
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Método 2. Amperios Hora
Definiciones
•Generador FV NO trabaja en el punto de máxima potencia
•Generador FV trabaja punto de tensión impuesto por BAT
•Corriente de trabajo aprox. corriente ISC
IMOD,MPP,STC: Corriente nominal del módulo (A)
QAh: Consumo Medio Anual (Ah /día)
IGFV,MPP,STC: Corriente total del generador FV (A)
NT :Número Total de módulos a instalar
NS: Número de módulos en Serie
Np: Número de módulos en Paralelo
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Método 2. Amperios Hora
Expresiones
QAh = Lmd / VBAT
IGFV,MPP,STC = QAh / Gd
QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)
Lmd: Consumo Medio Diario (Wh /día)
VBAT: Tensión Nominal de la Batería (V)
IGFV,MPP,STC : Corriente total del Generador FV (A)
Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)
Np = IGFV,MPP,STC / IMOD,MPP,STC
NS = VBAT / VMOD,MPP
NT = NP * NS
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Método 3
Curvas Isofiables
Definiciones
Expresiones
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Método 3. Curvas Isofiables
Definiciones
Probabilidad de Pérdida de Carga (Loss of Load Probability LLP)
Relación entre el déficit y demanda de energía, en la carga, durante el tiempo
de funcionamiento de una instalación
Capacidad del Generador
Relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y
la energía consumida por la carga.
Capacidad del Acumulador
Máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la
energía consumida por la carga
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Método 3. Curvas Isofiables
Expresiones
CA = IGEN,MPP· Gd /QAh
C´A = IGEN,MPP· Gd (0)
CA : Capacidad del generador (normalizada al consumo)
QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)
IGEN,MPP : Corriente total del Generador FV (A)
Gd: Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)
C’A : Capacidad del generador (normalizada al consumo
en plano horizontal)
/QAh QAh : Consumo Medio Anual (Ah /día)
Im,GEN : Corriente total del Generador FV (A)
Gd(0): Radiación Solar Global inclinada (kWh / m2)
CS = Cn· PDmax / Lma
Cs : Capacidad del acumulador (normalizada al consumo)
Cn : Capacidad del acumulador
PDmax : Profundidad de descarga máxima
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Método 3. Curvas Isofiables
Expresiones
LLP =
 Déficit de energía

 Demanda de energía

LLP: Probabilidad de Pérdida de Carga
CA = (Gd /Gd(0)) ·(f·Cs-u)
f = f1 + f2 log (LLP)
u = u1 + u2 · LLP
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Paso 3
Dimensionado
Sistema Acumulación
* Definiciones
* Expresiones
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Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación.
Definiciones
Profundidad de Descarga Máxima (PD,max)
nivel máximo de descarga que se le permite a la batería
Profundidad de Descarga Máxima Diaria (PD,max,d)
nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo diario
Profundidad de Descarga Máxima Estacional (PD,max,e)
nivel máximo de descarga que se le permite a la batería a lo largo de un ciclo estacional
Días de Autonomía (N)
número de días consecutivos que, en ausencia de sol, el sistema de acumulación es capaz de
atender el consumo
Capacidad de la Batería (Wh ó Ah)
cantidad de energía que debe ser capaz de almacenar la batería
Al igual que la Profundidad de Descarga Máxima existen dos capacidades:
diaria y estacional
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Paso 3. Dimensionado Sistema de Acumulación.
Expresiones
Cnd (Wh) = Lma / (PDmax,d·FCT)
Cnd (Ah) = Cnd (Wh) / VBat
Cne (Wh) = (Lma · N) / PDmax,e·FCT)
Cne (Ah) = Cne (Wh) / VBat
Cnd : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria)
Cne : Capacidad nominal de la Batería (Wh ó Ah) (Diaria)
Lma : Consumo Medio Anual (Wh) (o utilicar Lmd)
N: Número de días de autonomía
PDmax,d : Profundidad de Descarga Máxima Diaria
PDmax,e : Profundidad de Descarga Máxima Estacional
VBAT : Tensión Nominal de la Batería (V)
FCT : Factor de Corrección por Temperatura
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Paso 4
Dimensionado
Sistema Regulación
* Definiciones
* Expresiones
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Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación.
Definiciones
Corriente Máxima Circulando por la Instalación
Máxima corriente entre la que
produce el generador y la que consume la carga
Corriente Entrada
Corriente procedente del Generador FV
(Entra al Regulador)
Corriente Salida
Corriente consumida en la carga
(Sale del Regulador)
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Paso 4. Dimensionado Sistema de Regulación.
Expresiones
Ientrada = IGFV,SC = 1,25·IMOD,SC · Np
IGFV;SC : Corriente de cortocircuito (SC) del Generador FV (A)
IMOD,SC : Corriente de cortocircuito del módulo (A)
Np : Número de ramas Paralelo del Generador
Isalida = IC = 1,25·(PDC + PAC / INV) / VBAT
IC : Corriente que consume la Carga (A)
PDC : Potencia de las cargas en DC (W)
PAC : Potencia de las cargas en AC (W)
VBAT : Tensión nominal de la Batería
IR = máx (IGFV,SC, IC)
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Paso 5. Dimensionado
Sistema de Acondicionamiento de Potencia
Características de un convertidor DC - AC
•Potencia Nominal (kW)
•Tensión Nominal de Entrada (V)
•Tensión Nominal de Salida (V)
•Frecuencia de operación (Hz)
•Rendimiento (%)
Pinv  1,2 · PAC
Paso 6. Dimensionado del cableado
Pérdidas óhmicas
•Verificar las normas electrotécnicas de baja tensión
•La pérdida de energía debe ser menor que una cantidad prefijada
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Bibliografía
E. Lorenzo.
Electricidad Solar.
UPM. 1994.
Mariano Sidrach.
Sistemas fotovoltaicos autónomos:
métodos convencionales de dimensionamiento
Publicaciones CIEMAT. 2001.
M. Alonso.
Sistemas Fotovoltaicos.
SAPT Publicaciones Técnicas. 2001.
L. Hontoria, J. Aguilera, F.J. Muñoz
Dimensionado de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos
Publicaciones CIEMAT. 2008.