Objetivos: Presentar los criterios de diseño de un sistema de energía solar
fotovoltaica para aplicaciones domésticas y la aplicación de los mismos para
las diferentes regiones naturales del Perú. Materiales y métodos: Se buscó
la información sobre los conceptos básicos de los sistemas y los criterios de
diseño en la literatura a nivel nacional e internacional. En cuanto a la insolación
solar, se obtuvo información del Ministerio de Energía y Minas. Resultados:
para la Costa, Sierra y Selva. Conclusiones: Los sistemas resultantes del diseño
son factibles de implementar de forma costo-efectiva y podrían ser aplicados
para solucionar las necesidades de lugares rurales de difícil acceso.
Palabras Clave: energía solar, radiación solar, energía renovable, energía limpia.
Objectives: To present the criteria to design a solar photovoltaic energy system
for domestic application and their application or the different natural regions
in Peru. Materials and methods: Se busco la información sobre los conceptos
básicos de los sistemas y los criterios de diseño en la literatura a nivel nacional
e internacional. En cuanto a la información sobre las horas pico de sol se obtuvo
system basic concepts and design criteria in national and international sources.
Energy and Mines. Results:
the cost of typical home photovoltaic systems for the coastal, mountain and forest
regions of Peru. Conclusions: It is feasible to implement the photovoltaic solar
Key words:
PAIDEIA XXI
Vol. 3, Nº 4, Lima, diciembre 2013, pp. 160-170
Resumen
Abstract
DISEÑO DE SISTEMAS DE ENERGÍA SOLAR
FOTOVOLTAICA- APLICACIÓN EN EL PERÚ
Teresa Núñez Zúñiga / Víctor Manuel Cruz Ornetta
Diseño de Sistemas de energía solar fotovoltaica – Aplicada en el Perú
161
PAIDEIA XXI
INTRODUCCIÓN
La energía solar fotovoltaica es una
energía renovable muy importante
para la provisión de energía en áreas
cuentan con energía eléctrica comer-
mentada en los costos de los sistemas
de energía fotovoltaicos en los últimos
años, estos sistemas se han hecho
más accesibles y son una alternativa
de solución para muchos lugares con
carencias de energía. En ese sentido,
el objetivo del presente estudio es pro-
porcionar una metodología de diseño
de los sistemas y aplicar esta meto-
dología para diseñar sistemas típicos
para la Costa, Sierra y Selva del Perú.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para cumplir con el objetivo
planteado en este estudio se realizo
la revisión de diferentes documentos
publicados en el ámbito internacional
y a nivel nacional.
RESULTADOS
COMPONENTES Y CARACTERÍSTI-
CAS DE LOS SISTEMAS DE ENER-
GÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
El sistema de energía solar
fotovoltaico básicamente está
conformado por un panel de módulos
fotovoltaicos, un banco de baterías
y una unidad de control [1-3]. El
banco de baterías es necesario, ya
que las características de la carga
generalmente no coinciden con las
características de la generación del
muestra de manera esquemática
el sistema fotovoltaico básico. Los
parámetros básicos del subsistema
son:
Potencia de salida: Básicamente
está determinado por la potencia
de salida de los paneles.
Autonomía: Es la cantidad de
días que el sistema puede operar,
satisfaciendo las necesidades de
mesurable de insolación.
Fig. 1 El sistema solar fotovoltaico
Módulos Fotovoltaicos
En base a los módulos se conforman
los paneles fotovoltaicos y, a su vez,
en base a los paneles se forman los
arreglos fotovoltaicos.
Los parámetros básicos de un
módulo fotovoltaico y, por lo tanto, de
un panel o un arreglo fotovoltaico, son:
Potencia eléctrica, voltaje de trabajo e
intensidad de corriente [4-8]
característica de la variación de
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162
PAIDEIA XXI
corriente respecto de la tensión del
módulo.
Fig. 2 Curva corriente vs voltaje de
un módulo fotovoltaico
de un módulo,
de irradiación solar (1000 Wm-2). En
el caso de un módulo se denota con el
punto PM. Permite calcular la energía
diaria proporcionada por el panel,
usando el número de horas de sol
pico (h.s.p). La potencia disminuye
de manera directamente proporcional
Fig. 3 Variación de la curva corriente
vs voltaje de un módulo fotovoltaico
en función de la irradiancia
El voltaje de trabajo es el que
proporciona el panel o arreglo a la
salida, oscilando entre 13 y 16 V. El
valor depende de la intensidad de
corriente mínimo voltaje y viceversa:
voltaje se puede aumentar colocando
más módulos o paneles en serie. El
voltaje de circuito abierto del módulo
disminuye con la temperatura, por lo
que el rendimiento del panel disminuye
La intensidad de corriente depende
del tamaño del panel o arreglo.
La corriente se puede aumentar
colocando más módulos o paneles en
paralelo.
Las condiciones estándares de
medición, son: irradiancia de 1000
Wm-2, espectro óptico de 1.5, ángulo
Las condiciones nominales de
operación, son: irradiancia de 800 Wm-
2, espectro óptico de 1.5, velocidad de
viento de 1 ms-1, ángulo de incidencia.
Fig. 4 Corriente vs voltaje de un
módulo fotovoltaico en función de
la temperatura
Si se sombrea parcialmente
un panel, la presencia de células
en sombra provoca diferencia de
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163
PAIDEIA XXI
respuesta en la célula, pérdida de
energía, calentamiento de la célula
sombreada y posible destrucción de la
célula.
La orientación óptima de los
paneles fotovoltaicos [8] necesitaría
que estuvieran en todo momento
que una el sol con la instalación
fotovoltaica. Eso es lo que sucede en
las instalaciones con seguidor de dos
ejes, ya que en ese caso la instalación
se mueve siguiendo el movimiento
del sol a lo largo del día. Pero las
la energía recibida del sol.
La instalación de los paneles foto-
voltaicos está determinada por dos án-
la desviación respecto al ecuador) y
-
lo y el plano horizontal). La posición
caso del hemisferio sur se debe apun-
tar hacia el norte para que durante el
día el panel capte la mayor cantidad
de radiación posible. Es necesario te-
ner cuidado para que no se produzcan
sombras sobre los paneles o parte de
ellos, especialmente hay que tomar
puede producir sobre las otras. Una
es determinante es la inclinación del
-
ra que alcanza el sol cada día varía se-
-
mo en el día del solsticio de verano y
su mínimo en el solsticio de invierno,
lo ideal sería que el panel siguiese esta
variación, pero esto no es posible por
razones de coste. Se pueden dar a los
paneles dos inclinaciones, una para
los meses de verano y, otra, para los
meses de invierno; aunque en ese caso
también se complican las estructuras
soporte, por lo que solo tiene sentido
si hay un incremento considerable del
consumo durante el verano. Normal-
la cual pueden ser diseñada de tal ma-
nera que se optimice la producción de
energía eléctrica durante todo el año,
recibida, coincidiendo en la mayoría
de los casos con la latitud del lugar de
la instalación. En otros casos, se suele
-
captación durante el invierno, cuando
la insolación disminuye, a costa de
una peor captación en verano, cuan-
do hay una mayor cantidad de luz.
En el caso que se desee optimizar la
captación en el verano, la inclinación
del panel sea menor que la latitud del
cualquier caso, el ángulo de inclina-
que el módulo se pueda autolimpiar
del polvo o de la lluvia.
Baterías de Acumuladores
La capacidad de la batería es la
cantidad de carga en Ah que es capaz
de alimentar en régimen de descarga,
permaneciendo la variación de su
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PAIDEIA XXI
Para cada tipo de batería su capa-
cidad depende del régimen de descar-
ga, esto es, dependiendo del valor de
la corriente, de la temperatura y de la
densidad del electrolito, en función del
grado de ionización La capacidad .es
proporcionada por el fabricante bajo la
forma de tablas, con valores referidos
-
zados para cada régimen de descarga.
-
sa en Ah y es denominada capacidad
-
del acumulador. Generalmente, para
cada tipo de acumulador, el fabrican-
te provee la capacidad nominal y las
diversas corrientes de régimen de des-
carga para un valor de tensión, con los
respectivos tiempos de descarga, esta-
bleciéndose un tiempo mínimo de des-
carga para evitar que el acumulador
sufra averías por corrientes elevadas,
que el fabricante estipula.
El tiempo de descarga representa
el periodo dado por el fabricante para
que la batería alcance una tensión
régimen de descarga de corriente.
En sistemas solares, las baterías
tienen que dar la energía sobre un
tiempo considerablemente largo, y
frecuentemente se descargan a niveles
más bajos que en el caso de las
baterías de arranque de los vehículos.
Estas baterías de tipo ciclo profundo
tienen capas de plomo más gruesas,
que además brindan la ventaja de
vida, siendo relativamente grandes y
pesadas por el plomo. Son compuestas
de celdas de 2 voltios nominales que
se juntan en serie para lograr baterías
de 6, 12 o más voltios.
Las baterías líquidas de ciclo
profundo (incluso las ‘selladas’), son
capaces de 400 ciclos. Las baterías de
AGM y de Gel superan fácilmente 800
ciclos. Hay baterías de Gel para el uso
industrial (por ejemplo los tipos OPzS
o OPzV), que pueden manejar bajo
entonces de su uso: si se conoce la
profundidad de descarga y la cantidad
de ciclos, se puede estimar su vida en
años.
Todas las baterías de plomo-ácido
necesitan una buena carga. Baterías
de calidad, siempre llenas, sin sobre-
cargarlas, pueden vivir 20 años o más.
Si se descargan frecuentemente en
forma profunda tienen una vida más
corta, y mantenerlos sin carga sobre
al 50% de su capacidad nominal. Para
ello, se debe dimensionar el panel con
capacidad instalada, además, tiene
las reservas, por ejemplo para los
días con poco sol y para situaciones
de emergencias cuando de repente
se necesita más luz. Entonces,
dependiendo de la necesidad de
electricidad, es importante calcular
un balance óptimo para la capacidad
instalada.
Diseño de Sistemas de energía solar fotovoltaica – Aplicada en el Perú
165
PAIDEIA XXI
La -
cia sobre la batería. La temperatura
batería en uso. A más alta temperatu-
ra, la vida es más corta. Una tempe-
ratura de 10 grados arriba del óptimo
puede cortar la vida por la mitad. Por
otro lado, hay que tomar en cuenta
que la capacidad de almacenar ener-
gía disminuye en temperaturas bajas.
Entonces, para una batería sin uso, es
preferible mantenerla a una tempera-
tura más baja.
en cómo cargar una batería. Con el
aumento de la temperatura, hay que
disminuir el voltaje para evitar una
una carga por completo. Recordamos
selladas (libre de mantenimiento)
no es recuperable: el líquido se
pierde por las válvulas sin tener la
posibilidad de rellenarlas. Por eso,
todos los controladores buenos tienen
una compensación de temperatura
incorporada.
de las baterías varían
según el tipo, la temperatura, la vejez,
el estado de descarga y su calidad de
construcción. Una batería descargada
con una corriente alta en poco
tiempo tiene menos capacidad que la
misma descargada con una corriente
pequeña sobre un tiempo prolongado.
Normalmente se indican la capacidad
de la batería descargada sobre 24 horas
miden la capacidad hasta 100 horas y
así indican un valor comparativo más
alto de la competencia.
diferencia entre la cantidad de energía
que entra en la batería (cargando)
y la que es disponible en la batería
(descargando). Esta
de Faraday) en baterías de plomo
por ejemplo, que de 100Ah producidos
para cargar la batería, solamente entre
70 y 85Ah están disponible, el resto de
la energía se pierde principalmente en
calor. Las baterías de buena calidad,
sobre todo los de tipo AGM, pueden
La unidad de control
La unidad de control es necesaria
para prolongar la vida útil de la bate-
ría. La función básica de un controla-
dor es evitar la sobrecarga, de la bate-
ría. Si se permite que la batería sea so-
brecargada rutinariamente se reducirá
su esperanza de vida dramáticamente.
Un controlador sensará el voltaje de la
batería y reducirá o parará la carga de
corriente cuando el voltaje llega a un
especialmente importante cuando se
trata de baterías selladas, donde no
se puede reemplazar el agua perdida
durante la sobrecarga. En este caso,
los controladores fotovoltaicos pue-
den abrir el circuito cuando las bate-
sin ningún daño para los módulos. La
mayoría de controladores fotovoltai-
cos simplemente abren o restringen
el circuito entre la batería y el arreglo
fotovoltaico, cuando el voltaje alcanza
un punto precitado. Luego, cuando la
Teresa Núñez Zúñiga / Víctor Manuel Cruz Ornetta
166
PAIDEIA XXI
voltaje comienza a caer el controlador
Algunos controladores tienen los
fabrica y, en otros casos, pueden ser
ajustados por el operador.
Las unidades de control son es-
-
rriente. En general, los controladores
deberían ser capaces de soportar una
sobre corriente de 25% de la capaci-
dad nominal. Ello permite que el con-
trolador pueda resistir cambios brus-
cos de insolación cuando la luz solar
se incrementa, de lo contrario podrían
dañarse.
Utilizar un controlador con una
capacidad mayor que la generada
carga y, usualmente, no implica un
costo adicional muy grande.
Un controlador también previene
la noche, que es una pequeña cantidad
panel en la noche, descargando la
batería, aunque la perdida de potencia
Para poder cumplir con este obje-
tivo, la unidad de control fotovoltaica
deberá tener entre otras característi-
cas: Voltajes regulados por compen-
sación de temperatura, protección
contra inducción electrostática, diodo
de protección por bloqueo, protección
contra inversión de polaridad, protec-
ción contra sobrecarga.
Dimensionamiento de un sistema
solar fotovoltaico
Los criterios básicos para el dimen-
sionamiento del sistemas solar foto-
voltaico se presentan a continuación
[1-3, 5-11].
Determinación de la potencia consumi-
da
Cálculo del total de los vatios –hora
por día, considerando todos los
electrodomésticos o equipos a ser
utilizados.
Cálculo del tamaño del panel es
decir el total vatios–hora por día a ser
generados por el panel fotovoltaico:
Multiplicar el total de vatios–hora
por día por 1.3. (para considerar
las pérdidas en el sistema), para
obtener los vatios- hora por día que
deben ser proporcionados por el
panel fotovoltaico.
Dimensionamiento de los módulos
fotovoltaicos
La potencia del panel se obtiene a
partir del total de los vatios hora-
día a ser generados por el panel
fotovoltaico dividido entre el número
de horas pico de sol del peor mes,
o entre el número de horas pico de
sol promedio en el año.
La corriente del panel se obtiene
dividiendo la potencia del panel
entre el voltaje del panel.
El número de módulos en serie
se obtiene dividiendo el voltaje
del panel entre el de voltaje de los
módulos.
El número de módulos en paralelo
se calcula dividiendo la corriente
del panel entre la corriente del
módulo.
El número total de módulos
resulta multiplicando el número de
módulos en serie por le número de
módulos en paralelo.
Diseño de Sistemas de energía solar fotovoltaica – Aplicada en el Perú
167
PAIDEIA XXI
Dimensionamiento del Banco de
Baterías
El tamaño del banco de baterías
deberá cumplir con la autonomía y
con la descarga diaria
a) Para considerar los días de autono-
mía se divide el total de vatios-hora
por día por 0.85 (considerando las
pérdidas de la batería) para obtener
los vatios hora por día que deben
ser proporcionados por la batería;
luego se debe dividir el resultado
entre 0.6 para considerar la pro-
fundidad de descarga. Finalmente,
multiplicar el resultado por el nú-
mero de días de autonomía.
b) Para considerar la descarga diaria
–hora-día por 0.85 (considerando
las pérdidas en la batería) para ob-
tener los vatios hora-día que deben
ser proporcionados por la batería
y luego dividir el resultado encon-
trado entre 0.15 para considerar la
profundidad de descarga diaria.
La Capacidad del Banco será la
mayor de las capacidades de banco
encontradas.
El número de baterías en serie se
obtiene dividiendo el voltaje del
banco de baterías entre el de voltaje
de la batería.
El número de baterías en paralelo
se obtiene dividiendo la Capacidad
del Banco entre la capacidad de
batería.
El número total de baterías resulta
de multiplicar el número de
baterías en serie por el número de
baterías en paralelo.
Dimensionamiento de la Unidad de
Control
De acuerdo a la práctica estándar,
el dimensionamiento del controlador de
carga solar consiste en multiplicar la
corriente de cortocircuito (Isc) del panel
fotovoltaico y mutliplicarla por 1.3
Hoja de cálculo para el dimensiona-
miento de sistemas fotovoltaicos
de cálculo utilizada para dimensionar
los sistemas fotovoltaicos para la Cos-
ta, Sierra y Selva del Perú, y en la Ta-
bla 1 se presentan los resultados de la
aplicación de la hoja de cálculo.
Teresa Núñez Zúñiga / Víctor Manuel Cruz Ornetta
168
PAIDEIA XXI
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
Se ha cumplido con los objetivos
del estudio, ya que se han diseñado
los sistemas de energía solar fotovol-
taicos para las tres regiones naturales
del dimensionamiento de dichos siste-
mas para validarla.
Tabla 1 Dimensiones básicas de los sistemas solares para ciudades típicas
de la Costa, Sierra y Selva del Perú
Sistema Fotovoltaico Panel Fotovoltaico Banco de bate-
rías
Unidad de con-
trol
Lugar
Energía
(Wh-
día-1)
Vol-
taje
(V)
Auton
(días)
Co-
rriente
(A)
Vol-
taje
(V)
In-
clin.
Capaci-
dad (Ah)
Vol-
taje
(V)
Capaci-
dad (A)
Volta-
je (V)
Cuzco 12 5 26.3 12 12 40.6 12
Ica 12 5 23.7 12 28 12 33.8 12
Pucallpa 12 5 12 23 12 60.8 12
Diseño de Sistemas de energía solar fotovoltaica – Aplicada en el Perú
PAIDEIA XXI
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXO 1
CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA
voltaje poten-
cia
horas
/día vatios-hora/día
1 12 V 18 W 4 h 72 Whdía-1
1 ventilador 12 V 60 W 2 h 120 Whdía-1
1 refrigerador 12 V 75 W 12 h Whdía-1
Energía total 12 V Whdía-1
CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS Y UBICACIÓN
Lugar Ica
Horas pico de sol 5 h
Latitud 13
CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA
Energía total a alimentar Whdía-1
Voltaje 12 V
Autonomía 5 dias
ESPECIFICACIONES DEL PANEL FOTOVOLTAICO
Energía del panel Whdía-1
Potencia del panel W
Voltaje del panel 12 V
Corriente del panel 23.7 A
Inclinación del panel optimizada para captación en
invierno 28
Voltaje del módulo 12 V
Corriente en cortocircuito del módulo 5.2 A
Corriente nominal del módulo 4.8 A
Módulos en serie 1
Módulos en paralelo 5
Total de módulos 5
ESPECIFICACIONES DEL BANCO DE BATERÍAS
Capacidad del banco para profundidad de descarga
diaria 713.73 Ah
Capacidad del banco para autonomía Ah
Capacidad del banco Ah
Voltaje del banco 12 V
Capacidad de la batería Ah
Voltaje de la batería 12 V
Baterías en paralelo 8
Baterías en serie 1
Total de baterías 8
ESPECIFICACIONES DE LA UNIDAD DE CONTROL
Potencia de la unidad de control 405.6 W
Capacidad de la unidad de control 33.8 A
Voltaje de la unidad de control 12 V
