Tamaño de paneles solares y baterías para sistemas fuera de la red

Por qué es importante el tamaño solar adecuado

Si su sistema solar es demasiado pequeño, tendrá que lidiar con baterías agotadas y usuarios enojados. Si lo sobredimensionas, acabas de gastar dinero en paneles y baterías innecesarios, lo que también supone un peso extra, lo que supone un auténtico quebradero de cabeza cuando llevas equipo a un repetidor remoto en la cima de una montaña o intentas mantener un despliegue ligero de sensores de campo. Si haces los cálculos correctamente desde el principio, evitarás estos dos modos de fallo.

El principal problema de dimensionamiento es en realidad solo un equilibrio energético. Es necesario generar al menos la misma cantidad de energía por día que la que consume, además de un margen para los días nublados y las inevitables pérdidas de hardware real. La mayoría de los ingenieros se saltan el análisis minucioso y se limitan a hacer conjeturas, y luego se preguntan por qué su sistema deja de funcionar todos los inviernos o por qué gastan el doble de lo que necesitaban. Repasemos la ingeniería correctamente y, a continuación, usemos un ejemplo real con números reales.

El balance energético

Empieza con la ecuación fundamental. Su demanda diaria de energía según el artículo 9§ en vatios-hora es:

donde$P_{\text{load}}$es la potencia de carga promedio en vatios y$t_{\text{on}}$es cuántas horas al día funciona realmente la carga. Si tienes algo funcionando 24 horas al día, 7 días a la semana, entonces$t_{\text{on}} = 24$. Bastante sencillo.

Ahora aquí es donde se pone interesante. El panel solar tiene que producir esta energía durante las horas de luz solar disponibles. La métrica clave es Horas de sol pico (PSH) , es decir, el número equivalente de horas al día con una irradiación máxima de 13 grados. Piense en ello como si comprimiera la luz solar variable del día en un período equivalente con la máxima intensidad. Este número varía enormemente según el lugar en el que se encuentre y el clima:

• Bajo (clima nuboso/nórdico) : alrededor de 3 horas
• Promedio (zonas templadas) : aproximadamente 5 horas
• Alto (desierto/ecuatorial) : hasta 7 horas o más

La potencia requerida del panel$P_{\text{panel}}$pasa a ser:Ese término según el artículo 15 es crucial: representa todas las pérdidas reales a las que te enfrentarás. Resistencia del cableado, ineficiencia del controlador de carga, disminución de la temperatura de los paneles y degradación gradual de los paneles a lo largo del tiempo. Un factor de eficiencia del sistema típico oscila entre los artículos 16 y 17. Nuestra calculadora utiliza el artículo 18§ como un punto medio práctico que funciona en la mayoría de las instalaciones sin ser demasiado pesimista.

Dimensionamiento del banco de baterías

Las baterías son las que mantienen su sistema activo cuando el sol no coopera. La capacidad que necesita depende de cuántos días de autonomía desee; básicamente, cuántos días nublados consecutivos puede sobrevivir su sistema sin ninguna entrada solar.

La ecuación de capacidad de la batería es:

En este caso, el § 19§ es el voltaje de su sistema (normalmente 12 V, 24 V o 48 V) y el DOD es la profundidad máxima de descarga permitida. Este número depende en gran medida de la composición química de la batería. En el caso de las baterías de plomo-ácido tradicionales, normalmente se limita el DOD a 20 grados para evitar que se agoten prematuramente; si se descargan con frecuencia a una mayor profundidad, las reemplazarás mucho antes de lo que te gustaría. Las pilas LiFePO₂ son más tolerantes y puedes subirlas a las del grado 21 o incluso más. Nuestra calculadora asume el artículo 22§ como el valor predeterminado, lo que funciona con cualquier química y te da margen para ajustarlo en función de lo que realmente estés usando.

Carga la corriente del controlador

El controlador de carga se encuentra entre los paneles y la batería, regulando el flujo de corriente para evitar la sobrecarga. Debes dimensionarlo correctamente o dañarás las baterías o desperdiciarás la capacidad del panel. La corriente nominal mínima del controlador de carga es:

Ese factor de seguridad según el artículo 23 proviene directamente del NEC 690,8 y está ahí por una buena razón. Los paneles solares pueden superar brevemente su potencia nominal en días fríos y despejados, especialmente si se producen efectos de reflexión en el borde de las nubes. He visto cómo los paneles aumentan entre un 15 y un 20% por encima de su calificación nominal en las condiciones adecuadas. Ajusta el mando para el peor de los casos, no para el típico.

Ejemplo resuelto: estación meteorológica remota

Vamos a dimensionar un sistema completo para una estación meteorológica remota que consuma 15 W de forma continua. Este es un escenario realista: tienes sensores, un microcontrolador, tal vez un pequeño transmisor de radio, y todo funciona las 24 horas del día, los 7 días de la semana, sobre el terreno.

Parámetros dados:

• Potencia de carga:$15 \, \text{W}$- Ciclo de trabajo: 24 horas al día (funcionamiento continuo)
• Ubicación: clima templado (PSH promedio = 5)
• Tensión del sistema:$12 \, \text{V}$- Días de autonomía: 3
• Eficiencia del sistema:$0.80$- DOD máximo:$0.50$Paso 1: calcule el consumo diario de energía:
  $$E_{\text{day}} = 15 \, \text{W} \times 24 \, \text{h} = 360 \, \text{Wh}$$
  Así que estás consumiendo 360 vatios-hora todos los días. No es enorme, pero suma.

Paso 2: determine la potencia requerida del panel: Un solo panel de 100 W es la elección obvia en este caso. Le da un margen de alrededor del 11% sobre el mínimo calculado, lo cual es una buena práctica. Ese margen adicional explica la degradación de los paneles con el paso del tiempo y las condiciones meteorológicas peores que la media. Paso 3: calcule la corriente del panel en la batería: Esta es la corriente que pasará del panel al controlador de carga durante los picos de sol. Paso 4: dimensionar el banco de baterías: Dos baterías de ciclo profundo de 100 Ah de plomo-ácido en paralelo cubrirían perfectamente este requisito. También puede usar una sola batería de 200 Ah si puede encontrar una a un precio razonable. Para una instalación más compacta, una sola batería LiFePO₂ de 180 Ah funcionaría a la perfección, aunque te costará más por adelantado. Paso 5: selecciona la potencia nominal actual del controlador de carga: Un controlador de carga PWM o MPPT de 10 A gestiona esta carga cómodamente con un margen. Si optas por un panel de 100 W (que normalmente tiene un punto de alimentación de alrededor de 5,5 A en su punto de máxima potencia al alimentar un controlador MPPT), un controlador de 10 A es más que adecuado. Incluso podrías salirte con la tuya con un mando de 8 A en caso de apuro, pero ¿por qué cortarlo tan cerca?

Consejos prácticos de diseño

El voltaje del sistema es más importante de lo que la mayoría de la gente piensa. Los voltajes más altos significan corrientes más bajas para la misma potencia, lo que se traduce en cables más delgados y una reducción drástica de las pérdidas según el artículo 29§. Esto se vuelve fundamental cuando tienes cables de más de unos pocos metros. Un sistema de 48 V reduce la corriente a un cuarto de lo que verías con 12 V con el mismo nivel de potencia. El ahorro de cables por sí solo puede cubrir la conversión de voltaje en sistemas más grandes. No ahorre en los días de autonomía. Para los sistemas críticos (repetidores de telecomunicaciones, refrigeración médica, cámaras de seguridad, cualquier cosa en la que el tiempo de inactividad le cueste dinero real o seguridad), lo ideal es tener de 3 a 5 días de autonomía de serie. En el caso de proyectos de afición que no sean imprescindibles o configuraciones experimentales, es posible que te salgas con la tuya en 1 o 2 días. Pero sé honesto contigo mismo acerca de lo que ocurre si el sistema deja de funcionar. Tenga en cuenta las variaciones estacionales si lo está diseñando para que funcione durante todo el año. En latitudes templadas, los valores de PSH en invierno pueden descender a 2 o 3 horas, a veces menos. Si dimensionas tu sistema basándote en un promedio anual de 5 horas, estarás bien en verano, pero tendrás problemas en diciembre. La configuración PSH «baja» de la calculadora es perfecta para este análisis del peor de los casos. Talla para el invierno, disfruta del excedente en verano. La temperatura reduce la producción del panel. Los paneles de silicio cristalino pierden aproximadamente 30 pulgadas por grado Celsius por encima de los 25 °C. En un entorno desértico y caluroso en el que la temperatura de las células alcanza los 60 °C, es posible que un panel de 100 W solo entregue 85 W. El factor de eficiencia del sistema cubre parcialmente este factor, pero en entornos extremos (desiertos, instalaciones tropicales o cualquier lugar con temperaturas altas sostenidas) añada una reducción explícita. He visto sistemas en Arizona con un rendimiento inferior en un 20% porque nadie ha tenido en cuenta el coeficiente de temperatura correctamente. Controladores MPPT frente a controladores PWM. Para sistemas pequeños de 12 V, un controlador PWM simple suele ser suficiente y cuesta menos. Pero si utilizas voltajes más altos o tienes un desajuste significativo entre el voltaje del panel y la batería, un controlador MPPT extrae entre un 20 y un 30% más de energía de los mismos paneles. El coste adicional se amortiza con la reducción de los requisitos de los paneles.

Pruébelo usted mismo

Olvídate del dolor de cabeza con las hojas de cálculo y abre la calculadora de tamaños de paneles solares para hacer tus propios cálculos. Conecta la alimentación de carga, selecciona las horas de máxima exposición al sol y la tensión del sistema, establece tus requisitos de autonomía y obtendrás la potencia del panel, la capacidad de la batería y la corriente del controlador de carga al instante. Es la forma más rápida de comprobar la solidez de un diseño antes de empezar a adquirir componentes o comprometerse con una configuración concreta. Modifica los parámetros, comprueba qué ocurre con tu tamaño y encuentra el punto óptimo entre coste y fiabilidad para tu aplicación específica.