¿Cómo calcular la configuración adecuada para su propio sistema pequeño fuera de la red?

¿Alguna vez has pensado en utilizar tu propio sistema de energía solar en una cabaña de montaña, un barco de pesca o una casa rodante para liberarte de la dependencia de la red pública?

De hecho, esto no es algo exclusivo de los ingenieros. Con solo dominar algunos pasos y fórmulas clave, podrá calcular la configuración adecuada para su propio sistema fotovoltaico pequeño aislado de la red.

Un sistema solar aislado se refiere a un sistema independiente que no depende de la red pública, sino que se basa completamente en la generación de energía fotovoltaica y el almacenamiento en baterías para satisfacer las necesidades eléctricas. Es ideal para zonas montañosas remotas, islas, regiones pastorales, vehículos recreativos, barcos pesqueros y otros lugares con una red eléctrica inestable.

A continuación, le guiaremos a través de cuatro pasos para calcular la configuración requerida.

Paso 1: Determinar la potencia del módulo fotovoltaico

La potencia de los paneles fotovoltaicos (paneles solares) determina cuánta electricidad puede generar su sistema.

El método de cálculo básico es el siguiente: primero determinar la demanda diaria de electricidad y luego combinarla con las condiciones climáticas locales (especialmente la duración de la luz solar) para determinar la potencia total de los paneles fotovoltaicos.

Fórmula:

Potencia del módulo = (Demanda eléctrica diaria × Factor de excedente en días nublados continuos) ÷ (Promedio local de horas de sol × Eficiencia del sistema)

* Consumo eléctrico diario: se puede calcular sumando la potencia nominal de todos los dispositivos multiplicada por su tiempo de uso.

Por ejemplo, luces LED 10W × 5 horas = 50Wh, refrigerador 60W × 24 horas = 1440Wh.

* Factor de excedente de día nublado continuo: para tener en cuenta la generación de energía insuficiente durante días nublados consecutivos, este factor normalmente se establece entre 1.1 y 1.3.

* Promedio local de horas de sol diarias: Esto se puede obtener de los datos meteorológicos locales. Por ejemplo, Pekín tiene un promedio de aproximadamente 4 horas de sol al día, mientras que Hainan puede tener más de 5 horas.

* Eficiencia del sistema: Tiene en cuenta las pérdidas del cable, la eficiencia del controlador, las pérdidas del inversor, etc. y generalmente se establece entre 0.75 y 0.8.

Por ejemplo:

Suponiendo que su consumo eléctrico diario es de 3,000 Wh, las horas de sol diarias promedio locales son de 4.5 horas, la eficiencia del sistema es de 0.78 y el coeficiente de días lluviosos continuos es de 1.2:

Potencia del módulo = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Esto significa que es necesario instalar paneles fotovoltaicos con una potencia total de aproximadamente 1 kW, como por ejemplo cuatro módulos de 250 W.

Paso 2: Determine la potencia del inversor fuera de la red

El inversor convierte la corriente continua (CC) de los paneles fotovoltaicos o baterías en corriente alterna (CA) para su uso en electrodomésticos comunes.

Su potencia debe ser suficiente para satisfacer su demanda máxima de potencia instantánea, considerando especialmente la corriente de entrada de cargas inductivas (equipos accionados por motor).

Fórmula:

Potencia del inversor = (Potencia total de carga resistiva + Potencia total de carga inductiva × 5) × Factor de margen ÷ Factor de potencia

* Cargas resistivas: Dispositivos resistivos como bombillas, hervidores eléctricos y hornos.

* Cargas inductivas: Equipos con motores o compresores, como refrigeradores, bombas de agua, aires acondicionados, etc. La potencia instantánea durante el arranque puede ser de 5 a 7 veces la potencia nominal.

* Factor de seguridad: normalmente se establece entre 1.2 y 1.5 para garantizar un margen.

* Factor de potencia: normalmente se establece entre 0.8 y 0.9.

Ejemplo:

Suponiendo que tiene una luminaria de 200 W (carga resistiva), un refrigerador de 100 W (carga inductiva), un factor de margen de 1.3 y un factor de potencia de 0.85:

Potencia del inversor = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070W

Necesitará un inversor con una capacidad mínima de 1.1 kW, y se recomienda elegir un modelo de 1.5 kW para una mayor estabilidad.

Paso 3: Determine la capacidad de la batería

La batería es el sistema de almacenamiento de energía del sistema aislado, y la electricidad que se consume por la noche o en días nublados proviene principalmente de ella. La capacidad depende de la cantidad de días que se necesite suministro continuo y del consumo eléctrico diario.

Fórmula:

Capacidad de la batería (Ah) = (Consumo eléctrico diario × Número de días de suministro eléctrico en días nublados) ÷ (Profundidad de descarga × Eficiencia de carga/descarga × Voltaje del paquete de baterías)

* Profundidad de descarga (DOD): para baterías de plomo-ácido, se recomienda una DOD de 0.5 a 0.6; para baterías de litio, es aceptable una DOD de 0.8 a 0.9.

* Eficiencia de carga/descarga: normalmente se establece entre 0.85 y 0.9.

* Voltaje del banco de baterías: Los voltajes comunes incluyen 12 V, 24 V y 48 V; se recomiendan voltajes más altos para requisitos de mayor potencia.

Ejemplo:

Suponiendo que usa 3000 Wh diariamente y desea tener energía para 2 días de clima nublado, utilizando una batería de litio de 48 V (DOD = 0.9, eficiencia = 0.9):

Capacidad de la batería = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ah

Necesitaría un paquete de baterías de 48 V 154 Ah (aproximadamente 7.4 kWh).

Paso 4: Determinar las especificaciones del controlador

El controlador fotovoltaico regula el proceso de carga de los módulos fotovoltaicos a la batería.

Sus especificaciones dependen principalmente de la corriente de entrada máxima, calculada mediante la siguiente fórmula:

Fórmula:

Corriente de entrada del controlador = Potencia máxima de los módulos fotovoltaicos ÷ Voltaje del paquete de baterías

Por ejemplo, si sus paneles fotovoltaicos tienen una potencia total de 1000W y el voltaje del paquete de baterías es de 48V:

Corriente de entrada del controlador = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 A

Por lo tanto, es necesario seleccionar un controlador con una corriente de entrada mayor a 21 A, normalmente del tipo MPPT (mayor eficiencia, más ventajoso en días nublados).

Consejos prácticos

1. Deje un margen: la vida útil y la estabilidad operativa del equipo dependen del diseño de redundancia apropiado; no fije los parámetros de manera demasiado rígida.
2. MPPT es superior a PWM: aunque los controladores MPPT son un poco más caros, ofrecen una mayor eficiencia de generación de energía, especialmente en condiciones de iluminación inestables.
3. Priorice las baterías de iones de litio: son compactas, livianas y capaces de descargarse profundamente, lo que ofrece ahorros de costos a largo plazo.
4. Planifique la expansión futura: si prevé agregar más electrodomésticos en el futuro, asegúrese de tener suficiente capacidad de interfaz tanto para el sistema fotovoltaico como para las baterías.

La clave del diseño de un pequeño sistema fotovoltaico fuera de la red radica en calcular con precisión la configuración en función de las necesidades reales, en lugar de simplemente “comprar unos cuantos paneles y baterías” y dar por terminado el proyecto.

Domina estas 4 fórmulas:

1. Fórmula de potencia del módulo fotovoltaico
2. Fórmula de potencia del inversor
3. Fórmula de capacidad de la batería
4. Fórmula de la corriente de entrada del controlador

Luego podrá calcular una configuración para un pequeño sistema fuera de la red que sea suficiente y estable.

Al diseñar por primera vez, puede agregar un margen adicional del 10% al 20% según los resultados de la fórmula, lo que permite una mayor flexibilidad para manejar los cambios climáticos y la expansión del equipo.