Paneles solares para viviendas y casas de campo: tipos, funcionamiento y cálculo de sistemas solares

La ciencia nos ha regalado una época en la que la tecnología de uso de la energía solar se ha vuelto accesible para todos. Cualquier propietario tiene la posibilidad de obtener paneles solares para su hogar. Los propietarios de casas de campo no se quedan atrás en este aspecto. A menudo se encuentran lejos de fuentes centralizadas de suministro eléctrico estable.

Le ofrecemos familiarizarse con la información que presenta la estructura, los principios de funcionamiento y el cálculo de los nodos de trabajo del sistema solar. Conocer la información que le proporcionamos acercará la realidad de dotar a su terreno de electricidad natural.

Para una percepción visual de los datos proporcionados, se adjuntan diagramas detallados, ilustraciones, fotos e instrucciones en video.

Estructura y principio de funcionamiento de un panel solar

En su día, las mentes curiosas descubrieron para nosotros las sustancias naturales que, bajo la acción de las partículas de luz solar (fotones), generan energía eléctrica. El proceso se denominó efecto fotoeléctrico. Los científicos aprendieron a controlar este fenómeno microfísico.

Basándose en materiales semiconductores, crearon dispositivos electrónicos compactos: las fotocélulas.

Los fabricantes dominaron la tecnología de combinar convertidores en miniatura en paneles solares eficientes. La eficiencia de los módulos solares de silicio producidos ampliamente por la industria es del 18 al 22%.

De la descripción del esquema se ve claramente: todos los componentes de la central eléctrica son igualmente importantes: de su selección adecuada depende el funcionamiento coordinado del sistema.

Un panel solar se ensambla a partir de módulos. Es el punto final del viaje de los fotones desde el Sol hasta la Tierra. Desde aquí, estos componentes de la radiación luminosa continúan su camino dentro del circuito eléctrico como partículas de corriente continua.

Se distribuyen a las baterías, o se transforman en cargas de corriente alterna de 220 voltios, que alimentan todo tipo de dispositivos técnicos domésticos.

Un panel solar es un conjunto de dispositivos semiconductores conectados en serie – fotoceldas, que convierten la energía solar en energía eléctrica.

Más detalles sobre las especificaciones del dispositivo y el principio de funcionamiento de un panel solar los encontrará en otro artículo popular de nuestro sitio web.

Tipos de módulos de paneles solares

Los módulos solares se ensamblan a partir de células solares, también conocidas como convertidores fotovoltaicos. Existen dos tipos de convertidores fotovoltaicos que se utilizan ampliamente.

Se diferencian por los tipos de semiconductor de silicio utilizados para su fabricación, estos son:

• Policristalinos. Son células solares fabricadas a partir de un fundido de silicio mediante un enfriamiento prolongado. El método de producción sencillo da lugar a un precio accesible, pero el rendimiento de la versión policristalina no supera el 12%.
• Monocristalinos. Son elementos obtenidos cortando en láminas finas un cristal de silicio cultivado artificialmente. Es la opción más productiva y cara. El rendimiento promedio ronda el 17 %, se pueden encontrar fotoceldas monocristalinas con mayor eficiencia.

Las células solares policristalinas tienen forma cuadrada plana con superficie heterogénea. Las variedades monocristalinas se presentan como cuadrados delgados de estructura superficial homogénea con esquinas cortadas (pseudocuadrados).

Así se ven los convertidores fotovoltaicos (CFV) – convertidores fotovoltaicos: las características del módulo solar no dependen del tipo de elementos utilizados – esto solo afecta el tamaño y el precio.

Los paneles del primer tipo tienen un tamaño mayor que los segundos para la misma potencia debido a su menor eficiencia (18% frente a 22%). Pero son, en promedio, un diez por ciento más baratos y tienen una demanda preferente.

Sobre las reglas y los matices de la elección de paneles solares para el suministro energético de calefacción autónoma, usted podrá leer aquí.

Esquema de funcionamiento del suministro eléctrico solar

Cuando uno recorre con la mirada los nombres de sonido misterioso de los componentes que conforman el sistema de alimentación solar, se piensa en una supercomplejidad técnica del dispositivo.

A nivel micro de la vida del fotón así es. Pero visualmente, el esquema general del circuito eléctrico y su principio de funcionamiento se ven muy simples. Desde el astro celeste hasta la 'bombilla de Ilich' solo hay cuatro pasos.

Los módulos solares – el primer componente de la central eléctrica. Son paneles rectangulares delgados, ensamblados a partir de un número determinado de placas fotovoltaicas estándar. Los fabricantes producen paneles fotovoltaicos con diferentes potencias eléctricas y tensiones, múltiplos de 12 voltios.

Los dispositivos de forma plana se colocan convenientemente en superficies expuestas a los rayos directos. Los bloques modulares se combinan mediante conexiones mutuas en un panel solar. La función del panel es transformar la energía solar recibida, generando corriente continua de la magnitud especificada.

Los dispositivos de almacenamiento de carga eléctrica – baterías para paneles solares son conocidos por todos. Su función dentro del sistema de suministro de energía solar es tradicional. Cuando los consumidores domésticos están conectados a la red centralizada, los acumuladores de energía se cargan de electricidad.

También acumulan el excedente si la corriente del módulo solar es suficiente para cubrir la potencia consumida por los electrodomésticos.

El bloque de baterías suministra al circuito la cantidad de energía requerida y mantiene un voltaje estable tan pronto como el consumo en el mismo aumenta a un valor elevado. Lo mismo ocurre, por ejemplo, durante la noche cuando los paneles fotovoltaicos no están funcionando o durante el tiempo con poca luz solar.

El esquema de suministro de energía de una casa mediante paneles solares se diferencia de las opciones con colectores por la posibilidad de acumular energía en una batería.

El controlador es un mediador electrónico entre el módulo solar y las baterías. Su función es regular el nivel de carga de las baterías. El dispositivo evita que estas hiervan por sobrecarga o que el potencial eléctrico caiga por debajo de un cierto nivel necesario para el funcionamiento estable de todo el sistema solar.

Inversor, así es como se traduce literalmente el término inversor para paneles solares. Sí, de hecho, este componente realiza una función que en su momento les pareció una fantasía a los ingenieros eléctricos.

Este convierte la corriente continua del módulo solar y las baterías en corriente alterna con una diferencia de potencial de 220 voltios. Ese voltaje es el de funcionamiento para la gran mayoría de los dispositivos eléctricos domésticos.

El flujo de energía solar es proporcional a la posición del sol: al instalar los módulos, sería bueno prever el ajuste del ángulo de inclinación según la época del año.

Carga máxima y consumo energético promedio diario

El placer de tener una propia estación solar todavía cuesta bastante. El primer paso hacia la posesión del poder de la energía solar es determinar la carga máxima óptima en kilovatios y el consumo energético diario promedio racional en kilovatios-hora del hogar o de la casa de campo.

La carga máxima se genera por la necesidad de encender varios aparatos eléctricos a la vez y se determina por su potencia total máxima, teniendo en cuenta las características de arranque elevadas de algunos de ellos.

El cálculo del máximo de potencia consumida permite identificar qué electrodomésticos necesitan realmente funcionar simultáneamente y cuáles no. A este indicador se subordinan las características de potencia de los componentes de la central eléctrica, es decir, el costo final del dispositivo.

El consumo diario de energía de un electrodoméstico se mide como el producto de su potencia individual por el tiempo que ha estado funcionando conectado a la red (consumiendo electricidad) durante el día. El consumo energético diario promedio total se calcula como la suma de la energía eléctrica consumida por cada consumidor durante un período diario.

El posterior análisis y optimización de los datos obtenidos sobre cargas y consumo energético asegurarán la configuración necesaria y el funcionamiento posterior del sistema de energía solar con costos mínimos.

El resultado del consumo de energía ayuda a abordar racionalmente el gasto de electricidad solar. El resultado de los cálculos es importante para el posterior cálculo de la capacidad de las baterías. De este parámetro depende aún más el precio del bloque de baterías, un componente bastante costoso del sistema.

Procedimiento de cálculo de los indicadores energéticos

El proceso de cálculo comienza literalmente con una hoja de cuaderno colocada horizontalmente, cuadriculada y desplegada. Con líneas ligeras de lápiz, se obtiene un formulario con treinta columnas y filas tantas como electrodomésticos en el hogar.

Preparación para los cálculos aritméticos

La primera columna se dibuja tradicional: el número de orden. La segunda columna: el nombre del electrodoméstico. La tercera: su potencia consumida individual.

Las columnas de la cuarta a la vigésima séptima son las horas del día de 00 a 24. En ellas, mediante una barra fraccionaria horizontal, se anotan:

• en el numerador: el tiempo de funcionamiento del aparato durante la hora específica en forma decimal (0,0);
• en el denominador: nuevamente su potencia consumida individual (esta repetición es necesaria para calcular las cargas horarias).

La vigésima octava columna: el tiempo total que el aparato doméstico funciona durante el día. En la vigésima novena: se anota el consumo energético personal del aparato como resultado de multiplicar la potencia consumida individual por el tiempo de funcionamiento en el período diario.

La elaboración de una especificación detallada de consumidores teniendo en cuenta las cargas horarias ayudará a conservar más electrodomésticos habituales, gracias a su uso racional.

La trigésima columna también es estándar: nota. Será útil para cálculos intermedios.

Elaboración de la especificación de los consumidores

La siguiente etapa de cálculos: convertir el formulario de cuaderno en una especificación de consumidores domésticos de electricidad. Con la primera columna está claro. Aquí se colocan los números de orden de las filas.

En la segunda columna se escriben los nombres de los consumidores de energía. Se recomienda comenzar el llenado con los electrodomésticos del recibidor. Luego se describen otras habitaciones en sentido contrario o en sentido horario (según convenga).

Si hay un segundo piso (y sucesivos), el procedimiento es el mismo: desde la escalera, en círculo. Al mismo tiempo, no hay que olvidar los aparatos en los tramos de escalera y la iluminación exterior.

Es mejor llenar la tercera columna con la indicación de la potencia junto al nombre de cada aparato eléctrico simultáneamente con la segunda.

Las columnas de la cuarta a la vigésima séptima corresponden cada una a su hora del día. Para mayor comodidad, se pueden trazar líneas horizontales en medio de las filas. Las mitades superiores de las filas resultantes son como numeradores, las inferiores, denominadores.

Estas columnas se rellenan fila por fila. Los numeradores se formatean selectivamente como intervalos de tiempo en formato decimal (0,0), que reflejan el tiempo de funcionamiento de este electrodoméstico en un período horario específico. Paralelamente, donde se colocan los numeradores, se escriben los denominadores con el indicador de potencia del aparato, tomado de la tercera columna.

Una vez que todas las columnas horarias están completas, se procede a calcular el tiempo de trabajo diario individual de los electrodomésticos, avanzando por las filas. Los resultados se registran en las celdas correspondientes de la columna vigésima octava.

En el caso de que la central solar desempeñe un papel auxiliar, para que el sistema no funcione en vacío, se puede conectar una parte de la carga a ella para alimentación constante.

Sobre la base de la potencia y el tiempo de funcionamiento, se calcula secuencialmente el consumo energético diario de todos los consumidores. Se anota en las celdas de la columna vigésima novena.

Cuando todas las filas y columnas de la especificación están completas, se realizan los cálculos de los totales. Sumando por columna las potencias de los denominadores de las columnas horarias, se obtienen las cargas de cada hora. Sumando de arriba a abajo los consumos energéticos diarios individuales de la columna vigésima novena, se encuentra el promedio diario total.

El cálculo no incluye el consumo propio del futuro sistema. Este factor se tiene en cuenta mediante un coeficiente auxiliar en los cálculos finales posteriores.

Análisis y optimización de los datos obtenidos

Si el suministro de la central solar se planifica como reserva, los datos sobre las potencias consumidas por hora y el consumo energético medio diario total ayudan a minimizar el gasto de la costosa electricidad solar.

Esto se logra excluyendo del uso los consumidores de alta energía hasta el momento de la restauración del suministro eléctrico centralizado, especialmente durante las horas de máxima carga.

Si el sistema de energía solar se diseña como fuente de suministro eléctrico permanente, entonces los resultados de las cargas horarias pasan a primer plano. Es importante distribuir el consumo de electricidad a lo largo del día para eliminar los máximos predominantes y los mínimos pronunciados.

La eliminación de picos, la nivelación de las cargas máximas y la supresión de caídas bruscas en el consumo de energía a lo largo del tiempo permiten seleccionar las opciones más económicas para los componentes del sistema solar y garantizan un funcionamiento estable y, sobre todo, libre de averías a largo plazo de la central solar.

El gráfico revelará la irregularidad del consumo energético: nuestra tarea es desplazar los máximos al momento de mayor actividad solar y reducir el gasto diario total, especialmente el nocturno.

El dibujo presentado muestra la transformación del gráfico irracional obtenido a partir de la especificación elaborada en uno óptimo. El indicador de consumo diario se ha reducido de 18 a 12 kWh, y la carga horaria promedio diaria de 750 a 500 W.

El mismo principio de optimalidad será útil al usar la opción de alimentación solar como respaldo. Quizás no valga la pena gastar de más en aumentar la potencia de los módulos solares y las baterías por una incomodidad temporal.

Selección de los nodos de la central solar

Para simplificar los cálculos, se considerará la versión de uso del panel solar como fuente principal de energía eléctrica para una casa de campo. El consumidor será una casa de campo hipotética en la región de Riazán, donde se reside permanentemente de marzo a septiembre.

La claridad de los razonamientos la aportarán los cálculos prácticos basados en los datos del gráfico racional de consumo energético por hora publicado anteriormente:

• Consumo energético diario promedio total = 12 000 vatios-hora.
• Carga promedio de consumo = 500 vatios.
• Carga máxima 1200 vatios.
• Carga pico 1200 x 1,25 = 1500 vatios (+25%).

Estos valores se necesitarán en los cálculos de la capacidad total de los dispositivos solares y otros parámetros de trabajo.

Determinación del voltaje de trabajo del sistema solar

El voltaje de trabajo interno de cualquier sistema helioeléctrico se basa en múltiplos de 12 voltios, como el valor nominal más común de las baterías. Los componentes de las estaciones helioeléctricas, como módulos solares, controladores e inversores, se fabrican principalmente para los voltajes populares de 12, 24 y 48 voltios.

Un voltaje más alto permite usar cables de alimentación de menor sección, lo que aumenta la fiabilidad de los contactos. Por otro lado, las baterías defectuosas de una red de 12 V se pueden reemplazar una por una.

En una red de 24 voltios, considerando la especificidad de operación de las baterías, será necesario reemplazarlas solo en pares. Una red de 48 V requerirá el cambio de las cuatro baterías de una rama. Además, a 48 voltios ya existe riesgo de descarga eléctrica.

A igual capacidad y precio aproximadamente similar, se deben adquirir baterías con la mayor profundidad de descarga permitida y la corriente máxima más alta.

La elección principal del valor nominal de la diferencia de potencial interna del sistema está relacionada con las características de potencia de los inversores fabricados por la industria moderna y debe tener en cuenta la magnitud de la carga pico:

• de 3 a 6 kW – 48 voltios,
• de 1,5 a 3 kW – es de 24 o 48 V,
• hasta 1,5 kW – 12, 24, 48 V.

Al elegir entre la fiabilidad del cableado y la incomodidad de reemplazar las baterías, para nuestro ejemplo nos centraremos en la fiabilidad. Posteriormente, partiremos de la tensión de trabajo del sistema calculado de 24 voltios.

Composición de la batería con módulos solares

La fórmula para calcular la potencia requerida del panel solar es la siguiente:

Rsm = ( 1000 * Esut ) / ( k * Sin ),

donde:

• Rsm = potencia de la batería solar = potencia total de los módulos solares (paneles, W),
• 1000 = sensibilidad lumínica adoptada de los convertidores fotovoltaicos (kW/m²)
• Esut = necesidad de consumo energético diario (kWh, en nuestro ejemplo = 18),
• k = coeficiente estacional que considera todas las pérdidas (verano = 0,7; invierno = 0,5),
• Sin = valor tabular de insolación (flujo de radiación solar) con la inclinación óptima de los paneles (kWh/m²).

El valor de insolación se puede consultar en el servicio meteorológico regional.

El ángulo de inclinación óptimo de los paneles solares es igual al valor de la latitud del lugar:

• en primavera y otoño,
• más 15 grados – en invierno,
• menos 15 grados – en verano.

La provincia de Riazán considerada en nuestro ejemplo se encuentra en el paralelo 55.

La máxima potencia de los paneles solares se logra mediante el uso de sistemas de seguimiento, el cambio estacional del ángulo de inclinación de los paneles, y la aplicación de una orientación mixta de los módulos.

Para el período tomado de marzo a septiembre, la mejor inclinación no regulada del panel solar es igual al ángulo de verano de 40° respecto a la superficie terrestre. Con esta instalación de los módulos, la insolación diaria promedio de Riazán en este período es 4,73. Tenemos todos los números, realicemos el cálculo:

Rsm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3 600 vatios.

Si tomamos como base módulos de 100 vatios para el panel solar, se necesitarán 36 unidades. Pesarán alrededor de 300 kilogramos y ocuparán un área de aproximadamente 5 x 5 m.

Esquemas de montaje y opciones de conexión de paneles solares probados en la práctica se muestran aquí.

Configuración del bloque de baterías

Al seleccionar las baterías, se deben seguir los siguientes principios:

1. NO son adecuadas para este propósito las baterías de automóvil comunes. Las baterías de las plantas solares se etiquetan con la inscripción «SOLAR».
2. Las baterías deben adquirirse solo idénticas en todos los parámetros, preferiblemente del mismo lote de fábrica.
3. La sala donde se ubica el bloque de baterías debe ser cálida. La temperatura óptima, cuando las baterías proporcionan su máxima potencia, es de 25°C. Cuando esta desciende a -5°C, la capacidad de las baterías se reduce en un 50%.

Si tomamos para el cálculo una batería representativa de 12 voltios y 100 amperios/hora de capacidad, es fácil calcular que durante una hora podrá suministrar energía a consumidores con una potencia total de 1200 vatios. Pero esto es con una descarga completa, lo cual es extremadamente indeseable.

Para un funcionamiento prolongado de las baterías, NO se recomienda reducir su carga por debajo del 70%. El límite es del 50%. Tomando como «punto medio» el 60%, se toma como base para los cálculos posteriores una reserva de energía de 720 Wh por cada 100 Ah de capacidad de la batería (1200 Wh x 60%).

Es posible que comprar una batería de 200 Ah resulte más barato que adquirir dos de 100 Ah, y además se reducirá el número de conexiones de contacto de las baterías.

Inicialmente, las baterías deben instalarse con un 100% de carga desde una fuente de corriente estacionaria. Las baterías deben cubrir completamente las cargas durante las horas de oscuridad. Si el clima no acompaña, también deben mantener los parámetros necesarios del sistema durante el día.

Es importante tener en cuenta que un exceso de baterías provocará una carga insuficiente constante. Esto reducirá significativamente su vida útil. La solución más racional parece ser equipar el bloque con baterías con una reserva de energía suficiente para cubrir el consumo energético de un día.

Para conocer la capacidad total requerida de las baterías, dividimos el consumo energético total diario de 12000 Wh entre 720 Wh y lo multiplicamos por 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

En total, para nuestro ejemplo se necesitarán 16 baterías de 100 Ah u 8 de 200 Ah, conectadas en serie-paralelo.

Selección de un buen controlador

La selección adecuada de un controlador de carga de baterías (Baterías) es una tarea muy específica. Sus parámetros de entrada deben coincidir con los módulos solares seleccionados, y el voltaje de salida, con la diferencia de potencial interna del sistema solar (en nuestro ejemplo, 24 voltios).

Un buen controlador debe garantizar obligatoriamente:

1. Carga por etapas de las baterías, que multiplica su vida útil efectiva.
2. Conexión y desconexión automática mutua entre las baterías y el panel solar, en correlación con la carga y descarga.
3. Reconexión de la carga de la batería al panel solar y viceversa.

Este pequeño componente es un elemento muy importante.

Si se traslada parte de los consumidores (por ejemplo, la iluminación) a la alimentación directa de 12 voltios desde el controlador, se necesitará un inversor menos potente, por lo tanto más barato.

Del correcto controlador depende el funcionamiento sin problemas del costoso bloque de baterías y el equilibrio de todo el sistema.

Selección del inversor de mejor rendimiento

El inversor se selecciona con una potencia tal que pueda soportar la carga máxima sostenida. Su voltaje de entrada debe corresponder a la diferencia de potencial interna del sistema solar.

Para una mejor selección, se recomienda prestar atención a los parámetros:

1. Forma y frecuencia de la corriente alterna suministrada. Cuanto más cercana sea a la sinusoide de 50 hercios, mejor.
2. Rendimiento del dispositivo. Cuanto más alto sea el 90% – mejor.
3. Consumo propio del aparato. Debe ser acorde con el consumo energético total del sistema. Idealmente, hasta un 1%.
4. Capacidad del componente para soportar sobrecargas dobles de corta duración.

La mejor opción: un inversor con función de controlador integrada.

Montaje del sistema solar doméstico

Le hemos preparado una selección de fotos que muestra claramente el proceso de montaje de un sistema solar doméstico a partir de módulos fabricados en la fábrica:

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video #1. Demostración de instalación de paneles solares en el techo de una casa por uno mismo:

Video #2. Elección de baterías para el sistema solar, tipos, diferencias:

Video #3. Central solar para una casa de campo para quienes hacen todo por sí mismos:

Los métodos prácticos paso a paso de cálculos considerados, el principio fundamental del funcionamiento eficiente de un moderno panel solar como parte de una estación solar doméstica autónoma, ayudarán a los propietarios tanto de una gran casa en una zona densamente poblada como de una casa de campo en un lugar remoto a alcanzar la soberanía energética.

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