Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África

Documento: Memoria Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África Autor: Urbano Sánchez, Víctor Director Luna Alloza, Álvaro Titulación: Grado en Ingeniería Electrónica Industrial i Automática Convocatoria: Primavera,2022 1 Índice 1. INTRODUCCIÓN 10 1.1 OBETIVO 10 1.2 ALCANCE DEL PROYECTO 11 1.3 REQUERIMIENTOS 12 1.4 JUSTIFICACIÓN 13 1.5 PLANIFICACIÓN 14 2. ESTADO DEL ARTE Y ANTECEDENTES 15 2.1 BENEFICIOS DEL USO DE LA ENERGÍA RENOVABLE FOTOVOLTAICA PARA EL TRANSPORTE DE AGUA 15 2.2 ENERGÍA FOTOVOLTAICA 16 2.2.1 Obtención del silicio 16 2.2.2 Tecnologías y topologías de paneles fotovoltaicos 17 2.2.3 Monocristalino 18 2.2.4 Policristalino 18 2.3 INSTALACIÓN BOMBEO SOLAR 19 2.3.1 Componentes de la Instalación de bombeo solar 22 2.3.1.1 Sistema generador de módulos fotovoltaicos 22 2.3.1.2 Variador 23 2.3.1.3 Bomba de agua 26 2.3.1.4 Depósito. 27 2.3.1.5 Estructura de soporte para los módulos 28 2.4 SISTEMA DE RESPALDO MEDIANTE INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AISLADA CON BATERÍAS 28 2.4.1 Componentes de la instalación 29 2.4.1.1 Sistema Fotovoltaico 29 2.4.1.2 Regulador CC / inversor acoplado a CA 30 2.4.1.3 Inversor Cargador 32 2.4.1.4 Sistema de acumulación de baterías 33 2.4.1.5 Sistema de Monitorización 34 2.5 NORMATIVA 35 3. MEMORIA TÉCNICA 37 3.1 CRITERIOS DE LA INSTALACIÓN 37 3.2 DISEÑO DE LA INSTALACIÓN DE BOMBEO SOLAR 37 3.3 CÁLCULOS PREVIOS 38 3.3.1 Selección de la bomba 38 3.3.2 Selección del variador 40 3.3.3 Campo Fotovoltaico 42 3.3.4 Orientación de los módulos 45 3.4 DISEÑO SISTEMA AISLADO DE RESPALDO 45 3.4.1 Datos previos 46 3.4.2 Campo Fotovoltaico 46 3.4.3 Regulador 47 3.4.4 Inversor Cargador 48 3.4.5 Sistema de Baterías 49 3.4.6 Sistema de monitorización 51 3.5 CÁLCULO DE LA ENERGÍA GENERADA 52 3.5.1 Radiación Solar 52 3.5.2 Producción eléctrica del sistema 53 4. CONSIDERACIÓN DE DESECHOS 54 4.1 INTEGRACIÓN PAISAJÍSTICA Y ARQUITECTÓNICA 54 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 2 4.2 PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE 54 4.2.1 Ahorro de emisiones de CO2 54 5. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 55 5.1 SISTEMA DE MONITORIZACIÓN 55 1.1 CABLEADO DC FOTOVOLTAICO 55 1.2 CÁLCULO CABLEADO DE CORRIENTE CONTINUA 56 1.3 PROTECCIÓN CONTRA CONTACTO DIRECTO E INDIRECTO 58 1.3.1 Protección contra contacto directo 58 1.3.2 Protección contra contacto indirecto 59 1.4 CUADROS DE PROTECCIÓN CORRIENTE CONTINUA 59 1.4.1 Protección Sistema de bombeo 59 1.5 CUADROS DE PROTECCIÓN CORRIENTE ALTERNA 60 1.6 PROTECCIONES AISLADA 61 1.6.1 Protecciones Regulador - Batería 61 1.6.2 Protecciones Inversor - Batería 61 1.7 SISTEMA DE TUBERÍAS 61 1.8 ESTRUCTURA 61 2. FORMULAS 63 3. SIMULACIÓN 65 4. ESTUDIO 67 5. PUESTA EN MARCHA 69 5.1 PUESTA EN MARCHA VARIADOR 69 5.2 PUESTA EN MARCHA SISTEMA AISLADO 69 6. PRESUPUESTOS 71 6.1 CAPITULO A - MANO DE OBRA 72 6.2 CAPITULO B - MATERIAL DE SEGURIDAD 72 6.3 CAPÍTULO C - MATERIAL DEL SISTEMA DE BOMBEO 73 6.4 CAPÍTULO D - MATERIAL DEL SISTEMA AISLADO 74 6.5 RESUMEN - PRESUPUESTO GENERAL 75 7. CONCLUSIONES 76 8. BIBLIOGRAFÍA 77 Anexo I – Fichas Técnicas 80 Anexo II – Estudio PVSOL 97 Víctor Urbano Sánchez 3 Índice de tablas TABLA 1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BOMBEO SOLAR FOTOVOLTAICO. 15 TABLA 2. TABLA DE CARACTERÍSTICAS - BOMBA 4WN DE EBARA. 38 TABLA 3. TABLA DE CARACTERÍSTICAS VARIADORES. [PÁGINAS VARIADORES] 40 TABLA 4. TABLA DE RELACIÓN ENTRE POTENCIA/ EFICIENCIA DE LA BOMBA. 43 TABLA 5. TABLA DE RELACIÓN ENTRE TIPO DE VARIADOR Y VMP TOTAL. 44 TABLA 6. TABLA DE RELACIÓN ENTRE EL TIPO DE VARIADOR Y VOC MÁXIMA TOTAL. 44 TABLA 7. TABLA DE CONDUCTIVIDAD DE CABLES ELÉCTRICOS. 57 TABLA 8. TABLA DE INTENSIDADES MÁXIMAS ADMISIBLES. 57 TABLA 9. CONTINUACIÓN DE INTENSIDADES MÁXIMAS ADMISIBLES. 58 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 4 Índice de Figuras FIGURA 1. REPRESENTACIÓN DEL PROCESO SIEMENS PARA LA PURIFICACIÓN DEL SILICIO. 17 FIGURA 2. EJEMPLOS DE PANELES MONOCRISTALINOS Y POLICRISTALINOS. 18 FIGURA 3. REPRESENTACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO SOLAR 19 FIGURA 4. REPRESENTACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO SOLAR AISLADO. 19 FIGURA 5. REPRESENTACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO DE BOMBEO SOLAR. 20 FIGURA 6. REPRESENTACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO SOLAR CON RESPALDO DE UN GRUPO ELECTRÓGENO. 20 FIGURA 7. ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO BOMBEO EN UN DÍA SOLEADO. 21 FIGURA 8. ESQUEMA FUNCIONAMIENTO BOMBEO EN UN DÍA NUBLADO. 21 FIGURA 9. CONEXIÓN DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. 22 FIGURA 10. ESQUEMA DE LAS CONEXIONES DEL VARIADOR SALICRU. 23 FIGURA 11. RELACIÓN DE INTENSIDAD/TENSIÓN Y POTENCIA/TENSIÓN DEL VARIADOR. 24 FIGURA 12. MÓDULO DE CONMUTACIÓN AUTOMÁTICA ATS MOD-...-4PV DE SALICRU. 24 FIGURA 13. MÓDULO BOOST MOD-320-PV DE SALICRU. 25 FIGURA 14. BOMBA DE AGUA SUMERGIBLE EBARA. 26 FIGURA 15. DEPÓSITO DE AGUA VERTICAL. 27 FIGURA 16. SONDA DE NIVEL VOLTRONIC. 27 FIGURA 17. SOPORTE HINCADO PARA TERRENO PARA 2 FILAS DE MÓDULOS. 28 FIGURA 18. ESQUEMA SIMPLE DEL SISTEMA AISLADO. 29 FIGURA 19. ESQUEMA CONEXIÓN 4 PLACAS SOLARES EN 2 SERIE 2 PARALELO. 30 FIGURA 20. SISTEMA ACOPLADO CC (VICTRON ENERGY) 30 FIGURA 21. SISTEMA ACOPLADO CA (VICTRON ENERGY). 31 FIGURA 22. INVERSOR CARGADOR QUATTRO 48V 10000VA DE LA MARCA VICTRON ENERGY. 33 FIGURA 23. SISTEMAS DE BATERÍA DE LITIO (HVS BYD) Y PB-ÁCIDO (POWERSAFE). 34 FIGURA 24. CERBO GX Y GX TOUCH 50. 35 FIGURA 25. ELECTROBOMBA CENTRÍFUGA SUMERGIBLE DE EBARA. 40 FIGURA 26. VARIADOR SALICRU CV30-022-4 PV. 42 FIGURA 27 MÓDULO FV LONGI - LR4HPH 450 WP 44 FIGURA 28. INCLINACIÓN DE LOS MÓDULOS EN HEMISFERIO SUR. 45 FIGURA 29. PRODUCCIÓN DE UN MÓDULO FOTOVOLTAICO DE 450 WP EN MOZAMBIQUE. 46 FIGURA 30. REGULADOR SMARTSOLAR MPPT DE 150/70. 47 FIGURA 31. MULTIPLUS-II 48V 3KVA FRONTAL. 49 FIGURA 32. BYD BATTERY-BOX PREMIUM LVL 15.4 KWH. 50 FIGURA 33. BYD BMU. 51 FIGURA 34. CERBO GX Y GX TOUCH. 51 FIGURA 35. DIAGRAMA DE CONSUMOS DEL PORTAL WEB DE VICTRON A TIEMPO REAL. 52 FIGURA 36. HISTÓRICO DIARIO DEL PORTAL WEB DE VICTRON. 52 FIGURA 37. DATOS OBTENIDOS POR PVGIS DE LA INSTALACIÓN DE 14 PANELES DEL SISTEMA DE BOMBEO SOLAR. 53 FIGURA 38. CABLE FOTOVOLTAICO PRYSUN H1Z2Z2-K. 56 FIGURA 39. SOBRETENSIONES TIPO II CIRPROTEC. 59 FIGURA 40. FUSIBLE Y PORTAFUSIBLES DE 15A GAVE. 60 FIGURA 41. PROTECCIÓN MAGNETOTÉRMICO HYUNDAI. 61 FIGURA 42. MEDIDAS DE LOS SOPORTES 35V DE SUNFER. 62 FIGURA 43. GRÁFICO DE VELOCIDADES DEL VIENTO EN MOZAMBIQUE. 63 FIGURA 44. GENERACIÓN DE LA PLANTA EN KWH EN DÍA NUBLADO Y DÍA SOLEADO. 66 FIGURA 45. MODELO DE SIMULACIÓN DEL DEPÓSITO EN SIMULINK. 67 FIGURA 46. FIGURA DE % DE AGUA EN EL DEPÓSITO Y OBERTURA DE LA VÁLVULA EN UN DÍA NUBLADO. 67 FIGURA 47. FIGURA DE % DE AGUA EN EL DEPÓSITO Y OBERTURA DE LA VÁLVULA EN UN DÍA SOLEADO 68 Víctor Urbano Sánchez 5 Agradecimientos Durante el transcurso del proyecto ha habido muchas personas a las que me gustaría agradecer el tiempo y paciencia que han mostrado conmigo. En primer lugar, quiero agradecer a mi pareja, Andrea, que ha tenido que aguantar estos largos años y me ha ayudado a poder desconectar cuando las cosas no eran las que yo esperaba. Agradecer también a mi tutor de empresa Ignacio Pliego León y al producto manager Ángel Marrero León por haberme guiado durante todo el proyecto. A mi familia que nunca ha dudado en mí y ha estado ahí en todo momento. Finalmente, a mi tutor Álvaro luna Alloza que ha permitido que este proyecto sea posible. Gracias a todos. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 12 1.3 REQUERIMIENTOS Lista de especificaciones: • Funcionamiento de los módulos fotovoltaicos • Diferencia diferentes productos por la instalación. • Realización de la Simulación del sistema al Matlab/Simulink • Dimensionado y simulación con el PVsol • Conocimientos de normativa • Considerar las restricciones de la zona por la realización de la puesta en marcha. • Puesta en marcha y comprobación de la comunicación de la instalación en caso de poder realizar la. • Explicación del sistema a personas que no tengan los conocimientos mínimos para entender el funcionamiento. • Estudio previo de los diferentes artículos que se utilizarán en el sistema. • Realización de un proyecto conjuntamente con una ONG externa. Víctor Urbano Sánchez 13 1.4 JUSTIFICACIÓN Este proyecto se quiere realizar para ayudar a familias que no tienen la facilidad a un recurso vital como es el agua, de una forma óptima por su utilización gracias a la utilización de energías renovables, en este caso la solar. En este caso el proyecto se hace conjuntamente con una ONG Azada Verde y la empresa donde realizó las prácticas curriculares Global Noria. En esta empresa formó parte del departamento de solar donde realizó, mayoritariamente, estudios de autoconsumo solar. Este caso nos es muy interesante para poder ejecutar un proyecto el cual no estamos mucho familiarizado cómo es lo bombeo solar y ayudar a Azada verde con un proyecto el cual puedan replicar o tener como ejemplo. Las ventajas que tiene la realización de este trabajo con la empresa es la gran cantidad de información o proyectos hechos anteriormente, y la posibilidad de hacer pruebas o comparaciones con el material escogido por el diseño de la instalación. Como desventaja como la instalación se hará a África, el transporte de estos materiales puede ser imposible, por el cual será un reto logístico servir el material y se tendrá que valorar si sale más económico encontrar distribuidores locales el que puede hacer que el resultado final no sea el esperado sino una aproximación. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 14 1.5 PLANIFICACIÓN Tareas a Realizar Descripción Introducción Redacción del objeto, justificación, alcance i restricciones del TFG Dimensionamiento Sistema Bombeo Solar Cálculos necesarios para el diseño del sistema de bombeo solar, donde se incluye escoger todos los artículos acosarías, cálculo de protecciones, etc. Dimensionado sistema energía solar aislada Cálculos necesarios para el diseño del sistema de bombeo solar, donde se incluye escoger todos los artículos acosarías, cálculo de protecciones, simulación de la producción e informe con PVsol. Simulación del sistema de bombeo Realización del sistema de bombeo con Matlab/Simulink para ver su funcionamiento previo a la instalación. Puesta en marcha del sistema En caso de ser posible puesta en marcha del sistema. Realización del Presupuesto A partir de los resultados obtenidos, analizarlo y proponer alguna mejora. Propuesta de mejora a partir de los resultados obtenidos A partir de los resultados obtenidos, analizarlo y proponer alguna mejora. Discusión y Conclusiones Conclusiones del trabajo. Bibliografía Recopilación de artículos, webs, o información por la realización del trabajo. Puesta en marcha del sistema (sin fecha) En caso de ser posible puesta en marcha del sistema. Tabla 1. Diagrama de Gantt dividido por semanas. Víctor Urbano Sánchez 15 2. Estado del arte y antecedentes En el presente capítulo se aborda el estado del arte de los siguientes puntos: ● Beneficios del uso de la energía renovable fotovoltaica para el transporte de agua. ● Energía Fotovoltaica. ● Funcionamiento de una instalación de bombeo Solar ● Ampliación del sistema mediante sistema aislado fotovoltaico. ● Normativa. 2.1 Beneficios del uso de la energía renovable fotovoltaica para el transporte de agua En la actualidad, desafortunadamente la situación de hambre, inseguridad alimentaria y desnutrición en el planeta ha vuelto a empeorar. Dos de cada diez africanos sufren inseguridad alimentaria, el doble que en cualquier otra región. Para poder revertir esta situación queremos ayudar a la población con un sistema de bombeo de agua potenciado por energía solar, un método que prácticamente no requiere mantenimiento y que permitirá a los mozambiqueños, actualmente dependen un 70% de la lluvia lo cual les obliga a la práctica de una agricultura de subsistencia a base de maíz, poder plantar cereales y hortalizas fuera de temporada de lluvia. Estas familias, además de enriquecer su dieta con más variedad de alimentos podrán obtener ingresos con los alimentos que no requieran. El bombeo solar no se aleja de los sistemas de bombeo de agua convencionales que tratan de alimentar una bomba de agua para poder recoger agua y transportarla a un depósito para su futuro uso. Estos sistemas alimentan la bomba con un generador eléctrico de combustible, el cual supone un coste continuo a base de gasoil para poder mantener la instalación, además de los gases invernaderos que expulsa al convertir el gasoil en energía, lo cual es inviable para los mozambiqueños. Nuestro sistema trata de sustituir este generador a base de gasoil por uno fotovoltaico, el cual aprovecha la radiación solar para generar energía. Este sistema tiene ciertas ventajas e inconvenientes que recopilamos en la siguiente tabla: Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 16 Tabla 1. Ventajas y desventajas del bombeo solar fotovoltaico. Ventajas del bombeo S olar Desventajas del bombeo Solar ● Reducción significativa de la huella de carbono. ● Energía renovable y sostenible. ● No requiere de extracción de materiales de ningún tipo para mantener la instalación. ● Gran cantidad de materia prima para la producción de energía. En este caso Radiación Solar. ● No requiere un elevado mantenimiento ● Reduce la dependencia del exterior para este tipo de suministros. ● Conserva los recursos naturales al disminuir la necesidad de combustibles fósiles. ● Permite ahorrar el consumo energético y funcionar de forma aislada. ● Coste inicial elevado. ● Requiere de instalaciones importantes para producir grandes cantidades de energía. ● No es una energía constante. ● Las condiciones atmosféricas desfavorables pueden afectar negativamente a su rendimiento. Tal como observamos en los datos recopilados en la Tabla 1, podemos afirmar que aún con algunas desventajas, el bombeo solar es una de las claves para ayudar a este sector de la población mundial a tener acceso a una dieta variada gracias a una energía verde, como es la energía fotovoltaica. 2.2 Energía fotovoltaica La energía fotovoltaica es el proceso de convertir la radiación solar proporcionada por nuestra estrella, el sol, en energía eléctrica apta para nuestro consumo, mediante las células fotovoltaicas, un dispositivo semiconductor formado principalmente por silicio. 2.2.1 Obtención del silicio Dependiendo de la pureza con la que se obtengan estas células variará el rendimiento y, por lo tanto, el precio del panel. Un panel está formado por un conjunto de células soldadas entre ellas. Víctor Urbano Sánchez 17 Actualmente, el tamaño de las células más utilizado es el M10 (182 mm), un ejemplo serían las placas Longi Hi-Mo 5m 54c. Tal y como hemos mencionado, el principal material para la fabricación de estos paneles es el silicio. Dicho material forma el 25% de la corteza terrestre, siendo la sustancia más abundante en la Tierra, después del oxígeno. El silicio está presente fundamentalmente en forma de dióxido de silicio SiO2 - arena, grava, minerales semipreciosos en forma de silicatos. El silicio puro se extrae fundamentalmente de la arena del mar o del cuarzo a través de la reducción de hornos. De esta manera, se obtiene con una pureza del 95.5 al 98%. Como dato, anualmente se producen en el mundo alrededor de un millón de toneladas de este material. El grado de pureza empleado en la industria electrónica es el 9N que corresponde a un silicio con una pureza del 99.9999999, al cual se le llama silicio primario. Para alcanzar este grado de pureza es necesario eliminar todo el material ajeno al silicio. Desde 1956, el procedimiento que ha dominado el mercado es el de Siemens. Dentro de un reactor, se mezcla silicio metalúrgico granulado con cloruro de hidrógeno para formar el peligroso y altamente volátil triclorosilano. Luego se eliminan los contaminantes mediante un proceso de destilación multifásica. En una atmósfera de hidrógeno a 950 ºC, el triclorosilano se reduce a silicio policristalino. Afortunadamente, los requerimientos para conseguir la pureza del silicio son más bajos, no es necesario llegar al 9N para todas las aplicaciones. Figura 1. Representación del proceso Siemens para la purificación del Silicio. 2.2.2 Tecnologías y topologías de paneles fotovoltaicos Actualmente hay dos grandes tipologías: Los paneles con célula monocristalina o policristalina, basados en variaciones del silicio. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 18 2.2.3 Monocristalino Esta tipología está formada por células monocristalinas, que se distinguen rápidamente gracias a su color negro y forma redondeada en las esquinas. Sus características principales son: ● Eficiencia más elevada, gracias a su alta pureza del silicio ● Elevado rendimiento, que les permite ser útiles tanto en zonas de poca radiación y ángulos subóptimos. ● Vida útil elevada con poca degradación. ● Coste más elevado, rondando el 0.4 €/ Wp en las gamas más industriales. ● Coeficientes de temperatura más elevados. Las células monocristalinas se fabrican con bloques de silicio en forma de cilindro. Con la finalidad de reducir los costes de fabricación y de optimizar el rendimiento, se recortan los cuatro lados de los bloques de silicio para hacer láminas. La diferencia principal entre la tecnología monocristalina y la policristalina es la composición del cristal, ya que la primera está formada por un único tipo de cristal de silicio. 2.2.4 Policristalino La principal ventaja de los paneles policristalinos hasta ahora era su menor coste, fruto de pasar por un proceso de producción más económico. En términos generales, además, tienen una eficiencia menor que los monocristalinos. Sin embargo, cuentan con una menor tolerancia al calor, por lo que su eficiencia a altas temperaturas es inferior. En condiciones generales, además, tienen una eficiencia de, cómo máximo, 16%, motivado por la menor cantidad de silicio que incorporan. Las células policristalinas también utilizan obleas de silicio en su fabricación, sin embargo, éstas proceden del corte de un bloque de silicio formado por un elevado número de pequeños cristales de este mineral. Como conclusión a este proceso, se puede determinar que las células monocristalinas, con un 1625%, se diferencian de las policristalinas en rendimiento individual, con un 12-13% y por lo tanto las monocristalinas son mejores eficientemente hablando, pero una solución policristalina puede ser beneficiosa a un proyecto en el cual no tenga un presupuesto muy elevado. Víctor Urbano Sánchez 19 Figura 2. Ejemplos de paneles monocristalinos y policristalinos. 2.3 Instalación bombeo solar Tal como hemos mencionado anteriormente un bombeo solar es un sistema convencional de bombeo de agua, pero con la particularidad de que alimentamos la bomba con energía fotovoltaica. Figura 3. Representación de un sistema de bombeo solar Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 20 Encontramos tres tipos de instalación de bombeo solar: ● Instalación Aislada. ● Instalaciones Híbridas. ● Instalaciones conmutadas automáticas / manuales Las instalaciones aisladas son aquellas que su única fuente de energía son los módulos fotovoltaicos. Tienen el inconveniente de que solo extraen agua cuando la radiación solar es suficiente, en los momentos de baja radiación solar el sistema se queda inutilizado. Figura 4. Representación de un sistema de Bombeo solar aislado. En las instalaciones híbridas, la red proporciona solo la energía que le falta a los paneles, lo cual ayuda a obtener un ahorro energético en potencias muy grandes. Figura 5. Representación de un sistema híbrido de bombeo solar. Las instalaciones conmutadas automáticas / manuales son las que se ven apoyadas por un grupo electrógeno cuando la energía proporcionada por los paneles solares es insuficiente. Víctor Urbano Sánchez 21 Figura 6. Representación de un sistema de bombeo solar con respaldo de un grupo electrógeno. En nuestro caso, nos encontramos en una situación en la que no tendremos respaldo de la red y el uso de un grupo electrógeno no es viable por el coste que tiene en mantenimiento y gasoil. Por lo tanto, dimensionamos el sistema para que su empleo sea de modo totalmente aislado. Este sistema de bombeo solar está destinado a satisfacer las necesidades de la bomba, controlado por el variador de frecuencia. Figura 7. Esquema de funcionamiento bombeo en un día soleado. Al inicio del día el sistema se activa con el motor parado hasta alcanzar la mínima potencia de arranque. Se arranca con la mínima potencia que va aumentando hasta alcanzar la potencia máxima. A potencia máxima, permanecerá estable durante las horas centrales del día. Al anochecer, caerá la potencia hasta alcanzar la mínima y se detendrá hasta el día siguiente. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 28 2.3.1.5 Estructura de soporte para los módulos Como soporte de los módulos fotovoltaicos se pueden utilizar varios sistemas compuestos por aluminio o incluso hormigón para soportar las placas. Antes de seleccionar un material tendremos que saber bien donde se va a instalar las placas, ya que algunas aportaciones pueden no ser viables, debido a aspectos climatológicos de la zona. En nuestro caso, optamos al ser una instalación en un entorno rural creemos que la soportación ideal es la hincada con inclinación. Esta soportación está elevada del suelo y no necesita un suelo de hormigón donde atornillarse, lo que la hace ideal para instalaciones donde no hay tratamiento previo del terreno. Figura 17. Soporte Hincado para terreno para 2 filas de módulos. 2.4 Sistema de respaldo mediante instalación fotovoltaica aislada con baterías Nuestro sistema de bombeo es capaz de ser dimensionado para que cada día pueda bombear el agua necesaria sin problemas, pero dependemos totalmente de las condiciones climatológicas, en el que un día nublado podría no cumplir los objetivos. Para poder cubrir estas situaciones necesitamos un grupo de respaldo, el cual podría ser la red eléctrica o un generador de gasoil, pero la red eléctrica no es una opción y un grupo electrógeno tampoco es adecuado debido a su mantenimiento, coste y transporte de combustible. A partir del análisis anterior, necesitamos un sistema aislado que funcione como la red eléctrica y sea fácil de mantener. La solución es un sistema aislado fotovoltaico. Las instalaciones fotovoltaicas aisladas son la mejor alternativa para tener electricidad en un entorno el cual no tiene respaldo por la red eléctrica, por lo tanto, es imprescindible que el sistema dispongo de un sistema de acumulación a base de baterías compatibles con el sistema, para acumular el excedente eléctrico para su posterior utilización. Estos sistemas pueden también pueden ser respaldados por la red o un generador. Víctor Urbano Sánchez 29 Figura 18. Esquema simple del sistema aislado. 2.4.1 Componentes de la instalación Este sistema está formado principalmente por los siguientes componentes ● Sistema Fotovoltaico. ● Regulador CC / Inversor acoplado CA ● Inversor Cargador ● Sistema de Monitorización ● Sistema de Acumulación de Baterías 2.4.1.1 Sistema Fotovoltaico El sistema fotovoltaico no funciona muy diferente al sistema fotovoltaico utilizado en el bombeo solar, con la particularidad que las placas deben adaptarse al regulador para abaratar costes, para ello interconectamos el sistema mezclando String en serie y paralelo para obtener un sistema adecuado para el regulador, que será el encargado de convertir la tensión del sistema en uno adecuado para el resto de componentes. Esto es debido a que todo el sistema ha de funcionar a la misma tensión. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 30 Figura 19. Esquema conexión 4 placas solares en 2 serie 2 paralelo. 2.4.1.2 Regulador CC / inversor acoplado a CA A la hora de dimensionar una instalación aislada, debemos tener en cuenta diferentes aspectos, pero en esta ocasión nos vamos a centrar en saber discernir cuándo conviene elegir entre un regulador MPPT (acoplamiento CC) o un inversor de red (acoplamiento CA) para aprovechar nuestro campo fotovoltaico. Planteamiento con acoplamiento en CC En este caso los módulos fotovoltaicos estarán conectados a un regulador de carga MPPT, que se encargará de sacar de ellos su punto de máxima potencia con relación a las condiciones de radiación y temperatura que haya en ese momento. Al acoplar en el circuito de CC de nuestra instalación, la energía generada no sufrirá ningún tipo de transformación a la hora de verter el excedente a la batería y cargará directamente en corriente continua, aumentando así su eficiencia en la carga. Figura 20. Sistema acoplado CC (Victron Energy) Víctor Urbano Sánchez 31 Por este motivo, este tipo de planteamiento es preferible para pequeñas instalaciones, o cuando el consumo mayoritario va a ser en periodo nocturno, debido a que almacenamos la energía en CC durante el día para transformarla en CA durante la noche a través del inversor cargador. Planteamiento con acoplamiento en CA En este planteamiento, los módulos fotovoltaicos son conectados a un inversor de red y el inversor/cargador es el encargado de generar la tensión en CA necesaria para que el inversor de red pueda sincronizar y ponerse en marcha para producir energía a partir del campo fotovoltaico. Figura 21. Sistema acoplado CA (Victron Energy). La energía generada en corriente alterna irá directamente a abastecer nuestros consumos. Por ello, este tipo de planteamiento es aconsejable cuando la demanda de nuestro sistema aislado tiene lugar durante el día. Como ventaja también hay que destacar que un inversor de red nos permite crear cadenas de strings más largas o usar diferentes seguidores MPPT del mismo, pudiendo aprovechar así diferentes orientaciones o inclinaciones de nuestro tejado. Como desventajas, cabe destacar la obligatoriedad de tener que transformar la corriente de CA a CC para cargar la batería, lo cual supone una pequeña pérdida de eficiencia. Por otro lado, el precio de un inversor de red es algo mayor que el de un regulador cuando hablamos de potencias hasta los 10 kW. Como detalle, hay que indicar que la configuración de los equipos para hacer funcionar este planteamiento puede ser algo más compleja, ya que es necesario configurar tanto el cargador como el inversor para que realicen la modulación por frecuencia una vez la batería esté llegando al 100%. Este proceso denominado “Frequency Shift” es el causante de que el inversor cargador aumente la frecuencia de la red que genera en alterna al detectar que la batería está próxima a finalizar la carga. De este modo, al aumentar la frecuencia del sistema, el inversor de red lo interpreta como un exceso de potencia y reduce su corriente inyectada. Estos rangos de modulación suelen estar entre los 50,2 y 53 Hz. Así, se evita que la batería reciba un amperaje de carga elevado cuando se encuentra en fase de flotación y se prolonga la vida útil de la misma. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 32 Aspectos a tener en cuenta en este tipo de aplicaciones: ● En soluciones con acoplamiento CA es recomendable que la potencia del inversor de red sea igual o inferior a la potencia del inversor cargador utilizado. ● En soluciones con acoplamiento CA es obligatorio el uso de un generador de emergencia en caso de descarga profunda de la batería. ● En soluciones con acoplamiento CC el regulador de carga debe recibir primero tensión de baterías para saber la tensión de trabajo, ya que recibir tensión FV en primer lugar puede suponer daños en el equipo. ● En soluciones con acoplamiento CC hay que tener muy en cuenta la tensión máxima que permite el regulador en la entrada FV a la hora de realizar los Strings para no sobrepasar dicho valor (sobre todo en bajas temperaturas) y evitar daños en el equipo. 2.4.1.3 Inversor Cargador El inversor cargador detecta cuando la tensión de la batería baja hasta el mínimo y activa la función de cargador, dando la orden a grupos electrógenos (como un generador), o permitiendo el suministro de la red eléctrica para recargar las baterías. Con estos dispositivos nos aseguramos que no habrá interrupciones del suministro eléctrico en nuestro hogar o empresa, ya que en caso de apagón el inversor tarda solamente unos 20 milisegundos en proporcionar corriente eléctrica, impidiendo la desconexión de cualquier equipo electrónico. Algunos de estos inversores, como los modelos Victron Multiplus, permiten la conexión de varios inversores iguales en paralelo para aumentar su potencia de salida o bien para generar una red trifásica, donde se necesitan al menos 3 unidades (una por fase). Esta flexibilidad es ideal para aquellas instalaciones solares que se prevean ampliar Este modelo en concreto, como la mayoría de los inversores/cargadores, proporcionan una corriente alterna de tipo senoidal, que es aquella que más se asemeja a la que proporciona la red eléctrica. Estos inversores están fabricados con materiales resistentes a la corrosión y preparados para su exposición a condiciones adversas. Víctor Urbano Sánchez 33 Figura 22. Inversor Cargador Quattro 48V 10000VA de la marca Victron Energy. 2.4.1.4 Sistema de acumulación de baterías El sistema de acumulación de baterías es el sistema de acumulación de baterías es el encargado de almacenar el excedente de energía fotovoltaica, para poder utilizar ser utilizada en otro momento. Estas baterías son cargadas en CC por el inversor cargador. De batería encontramos principalmente dos tipos: Batería de iones de litio y baterías de Pb-Ácido. Actualmente las baterías de litio se están comiendo prácticamente todo el mercado. Esto se debe a los siguientes factores: ● Profundidad y tasa de descarga. Las baterías de gel deben permitirse correr hasta que alcance el 50% de la baja de alta y no menos que eso. Es porque, más allá de ese límite, la batería se vería afectada negativamente. Por lo contrario, las baterías de iones de litio pueden soportar una profundidad de descarga del 80% o más. En resumen, cuentan con una mayor capacidad y capacidad de uso. ● Eficiencia. En las baterías de litio, su eficiencia se encuentra aproximadamente en un 95%. ● Ciclo Vital. Las baterías de gel tienen alrededor de 300 a 400 de ellos que les permiten durar hasta cuatro años. Por otro lado, las baterías de iones de litio pueden durar más tiempo a medida que vienen y ofrecen más de 5000 ciclos de vida. ● Densidad de energía. Las baterías de iones de litio tienen una densidad de energía significativamente mayor en comparación con las baterías de gel. ● Peso. Las baterías de gel son significativamente más pesadas que las baterías de iones de litio. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 34 Valorando estos factores llegamos a la conclusión que actualmente la batería de Litio es muy superior a las de Pb-Ácido, pero estas siguen siendo útiles sobre todo para pequeñas instalaciones donde el alto precio de las baterías de litio no sea una opción viable económicamente hablando. 2.4.1.5 Sistema de Monitorización Es importante para el cliente final poder ver el funcionamiento a tiempo real de la instalación, como todo el sistema que utilizamos es Victron Energy, tenemos la Cerbo GX y GX Touch. La Cerbo GX es la encargada de monitorizar todo el sistema desde la generación fotovoltaica, tanto en acoplamiento en CC o CA, hasta en caso de incorporar un grupo electrógeno o la red. Es imprescindible para cualquier sistema de acumulación basado en litio, esto se debe a que el litio para tener una buena vida útil ha de estar siempre comunicando con el dispositivo de control. La GX Touch es la pantalla táctil que permite ver y modificar los parámetros de la instalación. Es opcional ya que en caso de poseer conexión a internet esta puede controlarse de forma remota. Figura 23. Sistemas de batería de Litio (HVS BYD) y Pb-Ácido (PowerSafe). Víctor Urbano Sánchez 35 Figura 24. Cerbo Gx y GX Touch 50. 2.5 Normativa Para este proyecto se ha realizado según la normativa española por lo que deberá corroborar antes de instalar el sistema. En todo caso serán de aplicación todas las normativas que afecten a instalaciones solares fotovoltaicas, y en particular las siguientes: ▪ Ley 54/1997, de 27 de noviembre, del Sector Eléctrico. ▪ Norma UNE-EN 62466: Sistemas fotovoltaicos conectados a red. Requisitos mínimos de documentación, puesta en marcha e inspección de un sistema. ▪ Resolución de 31 de mayo de 2001 por la que se establecen modelo de contrato tipo y modelo de factura para las instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red de baja tensión. ▪ Real Decreto 1663/2000, de 29 de septiembre, sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión. ▪ Real Decreto 1955/2000, de 1 de diciembre, por el que se regulan las actividades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica. ▪ Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (B.O.E. de 18-9-2002). ▪ Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación. ▪ Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. ▪ Real Decreto 1110/2007, de 24 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento Unificado de puntos de medida del sistema eléctrico. ▪ Real Decreto 1578/2008, de 26 de septiembre, de retribución de la actividad de producción de energía eléctrica mediante tecnología solar fotovoltaica para Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 36 instalaciones posteriores a la fecha límite de mantenimiento de la retribución del Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, para dicha tecnología Adicionalmente, en función de la tecnología del módulo, éste deberá satisfacer las siguientes normas: ▪ UNE-EN 61215: Módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino para uso terrestre. Cualificación del diseño y homologación. ▪ UNE-EN 61646: Módulos fotovoltaicos (FV) de lámina delgada para aplicaciones terrestres. Cualificación del diseño y aprobación de tipo. ▪ UNE-EN 62108. Módulos y sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV). Cualificación del diseño y homologación. Víctor Urbano Sánchez 37 3. Memoria Técnica El objetivo de la memoria es definir las características técnicas y económicas necesarias para la resolución de nuestro caso, en este caso un bombeo solar el cual, tal como indica, la utilización de la energía fotovoltaica para bombear agua de un río o pozo a un depósito para su futura utilización. Nuestro caso busca ayudar a una serie de familias de Mozambique, facilitando el transporte de agua desde el río Buzi hasta la zona de cultivo con una distancia de 100m aproximadamente, para almacenarlo en 4 depósitos conectados de 10.000 l. 3.1 Criterios de la instalación La instalación diseñada tiene como objetivo producir electricidad a partir de la radiación solar, para dar potencia a una bomba capaz de transportar el agua desde el río Buzi hasta los depósitos. Para resolver este caso estudiamos dos sistemas fotovoltaicos: Un variador el cual a partir de la radiación recibida generará energía para utilizar la bomba o un sistema aislado con baterías el cual cubrirá la demanda de energía y podrá almacenar el resto en baterías para una futura utilización. 3.2 Diseño de la instalación de Bombeo Solar Una instalación de bombeo solar consta de un variador que permite alimentar y controlar un motor con la energía producida por la radiación solar. Se alimenta directamente en corriente continua mediante los módulos fotovoltaicos. Nuestra instalación se realizará en Mozambique, a 250 m del río Buzi. El sistema tendrá que poder llenar 4 depósitos de 10.000 l. El sistema tendrá que cumplir las siguientes características: Características de la instalación: ● Ubicación en coordenadas: -20.13259327639236, 33.74312378465925 ● Distancia entre la instalación y las bombas de agua: 250 m. ● Diferencia de altura desde el nivel del río hasta la instalación aproximada: 15 m. ● Profundidad aproximada de la bomba: 1 m. ● Horas de funcionamiento: 7 h media. ● 4 depósitos de 10.000l: 40 m3 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 44 Figura 27 Módulo FV Longi - LR4HPH 450 Wp Criterio de tensión: La tensión a máxima potencia (Vmp) total de los paneles solares (que se obtiene sumando los valores Vmp de cada uno de los paneles en serie) debe situarse aproximadamente en los valores de la tabla siguiente, dependiendo del tipo de variador: Tabla 5. Tabla de Relación entre tipo de variador y Vmp total. N.º de paneles = 550/41.5= 13.25 = 14 paneles Esto da un total de 6.3kW. Comprobación importante: La tensión de cortocircuito (Voc) de los paneles solares conectados en serie, no podrá ser superior a un cierto voltaje, que depende del modelo de variador que se utilice. Tabla 6. Tabla de Relación entre el tipo de variador y Voc máxima total. Víctor Urbano Sánchez 45 Comprobación de tensiones = 49.1V *14 = 687.4< 800 V -> CUMPLE 3.3.4 Orientación de los módulos La orientación idónea para dirigir los paneles solares, en el hemisferio sur, es hacia el norte (ángulo azimutal de -180º “𝛼”). De esta forma obtenemos que la máxima radiación solar posible durante el día y por tante obtendremos la máxima eficiencia del sistema. Los módulos serán inclinados, ángulo “𝛽”, en 20/30º para optimizar el sistema y que la radiación llegue lo más perpendicular posible, y debido a la estructura que tiene esos dos posibles ángulos de posición. Figura 28. Inclinación de los módulos en hemisferio sur. 3.4 Diseño sistema aislado de respaldo Para diseñar el sistema de respaldo hemos de tener en cuenta diferentes factores para el dimensionamiento. Características del Sistema: ● Autonomía de 2 días aproximadamente. ● Alimentar la bomba 2,2 kW en trifásico (400V). ● Uso diario de la bomba de 7 horas. Este sistema está compuesto por los siguientes componentes. Componentes del sistema: ● Campo Fotovoltaico ● Regulador ● Inversor Cargador ● Sistema de baterías ● Sistema de monitorización Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 46 3.4.1 Datos previos Consumo total diario (Wh/dia): 15400 Wh/dia. Consumo Mínimo Mensual: 462 kWh/mes. Potencia máxima: 2.2kW. 3.4.2 Campo Fotovoltaico El campo fotovoltaico estará formado por los mismos módulos que el sistema de bombeo solar. Los Longi LR4-72 HPH-450M. Según PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM estos módulos en la ubicación de la instalación, con una inclinación de 15º y Azimuth de -180º obtenemos que el mes de menos producción es junio con 51.79 kWh (figura 29). Figura 29. Producción de un Módulo Fotovoltaico de 450 Wp en Mozambique. 462 kWh/mes / 51.76 kWh/mes = 8.92 ≃ 9 Módulos FV Sabiendo nuestra producción mensual de uno de nuestros módulos obtenemos que necesitamos mínimo 9 módulos FV, para cubrir la demanda de la bomba. Víctor Urbano Sánchez 47 3.4.3 Regulador Al ser un sistema de 9 módulos no es necesario recurrir a un inversor acoplado en CA y podemos utilizar un regulador de carga acoplado en CC al inversor cargador. Para minimizar el coste de un regulador capaz de controlar los 9 módulos en serie proponemos hacer un sistema de 3 grupos de 3 módulos FV el cual tiene unas características de salida: ● Tensión de salida FV al regulador: 147.9 V ● Intensidad de salida FV al regulador: 34.8 A A partir de las características de nuestro sistema FV seleccionamos el regulador: SmartSolar MPPT de 150/70 (figura 30). Características principales del Regulador SmartSolar MPPT de 150/70: ● Tensión de la batería Selección automática: 12/24/48 V (36 V manual). ● Corriente de carga nominal: 70 A. ● Potencia FV nominal, 48 V: 4000 W. ● Máxima corriente de corto circuito FV: 50 A (máx. 30 A por conector MC4). ● Eficacia máxima: 98 % ● Comunicación de datos: VE. Can, VE. Direct y Bluetooth. ● Seguridad: EN/IEC 62109-1, UL 1741, CSA C22.2 Figura 30. Regulador SmartSolar MPPT de 150/70. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 48 3.4.4 Inversor Cargador Nuestro inversor ha de poder convertir la energía almacenada por el campo fotovoltaico en CC y convertirla en una red eléctrica con tensión y frecuencia apto para la bomba. Al tener una instalación trifásica, tendremos que utilizar tres inversores/cargadores a 230V y 50Hz para poder generar una red de 400 V. Para este utilizaremos tres inversores / cargador de Victron: MULTIPLUS-II 48/3000/35-32. Se ha escogido la marca “Victron” por su rendimiento, calidad, fiabilidad que lo hace pioneros en instalaciones aisladas. Características principales del inversor MULTIPLUS-II 48/3000/35-32: ● Conmutador de transferencia: 32 A ● Corriente máxima de entrada CA: 32 A Características Inversor: ● Rango de tensión de entrada CC: 48V - 33/66V. ● Salida Tensión de salida: 230 V CA ± 2 % / Frecuencia: 50 Hz ± 0,1 %. ● Potencia cont. de salida a 25ºC: 2400 W. ● Potencia cont. de salida a 40 ºC: 2200 W. ● Pico de potencia: 5500 W ● Eficiencia máxima: 94%. Características Cargador: ● Entrada de CA: Rango de tensión de entrada: 187-265 V / CA Frecuencia de entrada: 45 – 65 Hz. ● Tensión de carga de "absorción": 14,4 / 28,8 / 57,6 V. ● Tensión de carga de "flotación": 13,8 / 27,6 / 55,2 V. ● Modo de almacenamiento: 13,2 / 26,4 / 52,8 V Características General: ● Salida auxiliar: Sí (32 A). ● Sensor de CA externa (opcional): 50 A. ● Puerto de comunicación: VE.Bus Para funcionamiento paralelo (no para los modelos de 8k y 10k) y trifásico, control remoto e integración del sistema. ● Grado de protección: IP22. Normas ● Seguridad: EN-IEC 60335-1, EN-IEC 60335-2-29, EN-IEC 62109-1, EN-IEC 62109-2 ● Emisiones, Inmunidad: EN 55014-1, EN 55014-2 EN-IEC 61000-3-2, EN-IEC 610003-3 IEC 61000-6-1, IEC 61000-6-2, IEC 61000-6-3 Víctor Urbano Sánchez 49 Figura 31. MultiPlus-II 48V 3kVA Frontal. 3.4.5 Sistema de Baterías Necesitamos un sistema de baterías capaz de alimentar durante dos días de autonomía al sistema. Si tenemos en cuenta el consumo diario aproximado de la bomba obtenemos que diariamente consume 15,4 kWh, con lo que necesitaríamos una acumulación de unos 30,8 kWh. Al ser un consumo tan elevado utilizar un sistema de plomo está totalmente descartado ya que necesitamos dimensionar las baterías teniendo en cuenta que solo se pueden descargar a un 50% de su capacidad lo que llevaría aproximadamente 60 kWh lo cual no es económicamente viable. La otra opción que tenemos es utilizar un sistema con baterías de litio, que teniendo en cuenta su capacidad de descarga de aproximadamente un 90% de su capacidad obtenemos que con 32.4 kWh de almacenamiento cubrimos 2 días de autonomía. El modelo de batería seleccionado para este sistema es: BYD Battery-Box Premium LVL 15.4 kWh. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 50 Figura 32. BYD Battery-Box Premium LVL 15.4 kWh. El sistema estaría conformado por dos baterías de LVL, obteniendo una capacidad de almacenamiento de 30.8 kWh, y su BMU la encargada de controlar el sistema. Características principales de BYD Battery-Box Premium LVL 15.4 kWh. ● Número de módulos: 2. ● Energía Utilizable: 15.36 kWh. ● Máximo Corriente de Salida: 250 A. ● Corriente de salida pico: 375 A, 5 s. ● Dimensiones (H/W/D): 500 x 575 x 650 mm. ● Peso: 164 kg. ● Voltaje Nominal: 51.2 V. ● Voltaje Operativo: 40-59 V. ● Tecnología de Celda: Litio Fosfato de Hierro (libre de Cobalto). ● Comunicación: CAN/RS485. ● Protección IP: IP20. ● Escalabilidad Máx.: 64 en paralelo (983 kWh). ● Certificados: IEC 62619 / CE / CEC / UN38.3. ● Garantía: 10 Años. Víctor Urbano Sánchez 51 Figura 33. BYD BMU. 3.4.6 Sistema de monitorización Para la monitorización del sistema utilizaremos la Cervo Gx, que se encarga del control y seguimiento del sistema. Este controlador va conectado a los demás componentes de la instalación, esto permite que al instalar una GX touch poder ver el funcionamiento de todo el sistema, tanto inversores victron como las baterías de BYD. Los tipos de cable necesarios para cada uno de las conexiones son las siguientes: ● Comunicación Inversor/es: RJ45. ● Comunicación Reguladora: VE. DIRECT. ● Comunicación Baterías: VE.CAN TO CAN-BUS BMS TYPE B. Figura 34. Cerbo GX y GX TOUCH. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 52 Además del control y seguimiento del sistema, el Cerbo GX permite tener acceso y colgar datos a tiempo real al estar conectado a internet, no será necesario en nuestro caso, pero al estar conectado mediante bluetooth podríamos acceder a estos datos desde el portal. Figura 35. Diagrama de consumos del portal web de victron a tiempo real. Figura 36. Histórico diario del portal web de Victron. 3.5 Cálculo de la energía generada Para el cálculo de energía se generará a partir de los siguientes factores básicos: ● Radiación recibida en el lugar de la instalación. ● Orientación “a” e inclinación “B” de los MFV. ● Rendimiento de los componentes del sistema. 3.5.1 Radiación Solar La radiación solar recibida por la instalación la podemos deducir a partir de los valores estadísticos recolectados durante años en, por ejemplo, PVGIS página web que recolecta los datos de todo el mundo. Víctor Urbano Sánchez 53 Figura 37. Datos obtenidos por PVGIS de la instalación de 14 paneles del sistema de bombeo solar. 3.5.2 Producción eléctrica del sistema Para obtener los datos hemos considerado las siguientes perdidas energéticas de los componentes del sistema. ● Panel fotovoltaico: o -0.53% rendimiento anual del módulo. o -0.41% efectos espectrales. o -10.83% por Temperatura. o -2.76% perdidas por reflexión y sombras. o -1.24% perdidas de los polos acumulados. ● Cableado o Cableado CC: -0.75 % caídas de tensión. A partir de estos datos obtenemos que nuestro variador recibirá una producción anual de energía fotovoltaica de 11043.44 kWh. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 60 Figura 40. Fusible y portafusibles de 15A GAVE. 1.5 Cuadros de Protección Corriente Alterna Tanto el variador como los inversores de aisladas deberán tener la protección necesaria para prevenir y proteger posibles accidentes de la instalación. Para ello se utilizará un diferencial de 300mV y magnetotérmico de 10A en las salidas de la instalación de la marca Hyundai o similar. En caso de la salida del variador será una protección de 4A y 4 Polos. 𝐼𝑛 = 2.2𝑘𝑊 230 = 9.56𝐴 𝐼𝑛 = . √ ∗  = 3.31𝐴 Figura 41. Protección magnetotérmico Hyundai. Víctor Urbano Sánchez 61 1.6 Protecciones Aislada El sistema de aislada conecta regulador con batería y batería con inversor para proteger la conexión conectaremos fusibles entre las conexiones. 1.6.1 Protecciones Regulador - Batería Para el cálculo del fusible tenemos que tener en cuenta la máxima energía fotovoltaica que puede generar el regulador. En este caso 4000W y teniendo en cuanta que todo el sistema es de 48V. 4000 𝑊 48 𝑉 = 83.3 𝐴 Obtenemos que necesitaremos un fusible superior a 83.3 A. Seleccionamos MEGA fuse 125A/58V Fusible para sistemas de 48 V de Victron con un Mega fuse holder. 1.6.2 Protecciones Inversor - Batería Para el cálculo del fusible tenemos que tener en cuenta la máxima energía fotovoltaica que puede generar el inversor. En este caso 5500W y teniendo en cuanta que todo el sistema es de 48V. 5500 𝑊 48 𝑉 = 114.58 𝐴 Obtenemos que necesitaremos un fusible superior a 114.58 A. Seleccionamos MEGA fuse 125A/58V Fusible para sistemas de 48 V de Victron con un Mega fuse holder. 1.7 Sistema de Tuberías Para calcular el diámetro aproximado que necesitaremos recurrimos a la fórmula de Bresse (fórmula 6). Con lo que obtenemos el siguiente resultado: Dc= 1.3 ∗   . ∗0.095 𝑚/𝑠 = 0.29 ≃ 0.3 𝑚 Obtenemos que necesitaremos una tubería de 30 cm de diámetro. 1.8 Estructura Para la selección de la estructura utilizamos estructura de la marca sunfer, la 35V. Para este caso hemos seleccionado unos soportes inclinados para terreno para 2 filas de módulos hincados. Estos soportes son sujetados mediante hincas que se entierran bajo la tierra dejando dijo la instalación (Figura 42). Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 62 Figura 42. Medidas de los soportes 35V de sunfer. Características principales de la Estructura. ▪ Viento: Hasta 150 Km/h. ▪ Materiales: o Perfilería de aluminio EN AW 6005A T6. o Tornillería de acero inoxidable A2-70. o Hinca de acero S275 galvanizado en caliente por inmersión. ▪ Módulos compatibles: Hasta 2279x1150 mm. Para comprobar si la estructura es adecuada hemos consultado las velocidades medias de los meses en la zona de mozambique y encontramos que el viento no suele superar una velocidad de 61 km/h por lo tanto podemos dar como valido la estructura. (Figura 43). Figura 43. Gráfico de Velocidades del viento en Mozambique. Víctor Urbano Sánchez 63 2. Formulas ▪ Cálculo de caudal (formula 1): 𝑉 ℎ= 𝑄 ▪ V = Volumen depósito (m3) ▪ h = Horas de funcionamiento verano (h) ▪ Q = Caudal (m3/h) ▪ Cálculo de altura amperimétrica (formula 2): 𝐻 = ℎ𝑝 + ℎ𝑎 + 2 ∗ ( 𝐿 10) ▪ H = Altura Amperimétrica (m) ▪ hp = Profundidad de la bomba (m) ▪ ha = Altura del depósito (m) ▪ L = Longitud de la tubería (m) ▪ Potencia de Bomba agua (formula 3): 𝑃𝑓 > 𝑃𝑏/𝜂 ▪ Pf = Potencia de los paneles fotovoltaicos (kW). ▪ Pb = Potencia de la bomba (kW). ▪ 𝜂 = Eficiencia de la bomba. ▪ Sección de cable (formula 4): S= ∗ ∗∗  ▪ S = Sección del cable (m). ▪ L = Longitud del cable (m). ▪ I = Intensidad Máxima FV (A). ▪ 𝛶 = Resistividad o resistencia específica ▪ VA - VB = Caída de tensión de tensión máxima admisible (V). ▪ Temperatura de trabajo (fórmula 5): 𝑇 = 𝑇𝑜 + (𝑇𝑚á𝑥 − 𝑇𝑜)∗𝐼 𝐼𝑚á𝑥 ▪ To = Temperatura ambiente del conductor (ºC). Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 64 ▪ Tmáx = Temperatura máxima admisible para el conductor según su tipo de aislamiento (ºC). ▪ I = Intensidad que circula por el conductor (A). ▪ Imáx = Intensidad máxima admisible para el conductor según su tipo de aislamiento (A). ▪ Formula de Bresse (formula 6): ▪ Dc = Diámetro de la tubería (m). ▪ Ko = Coeficiente de Bresse con valor de 1,3. ▪ N = N.º de horas de Bombeo al día. ▪ Qb = Caudal de bombeo (m3/s). Víctor Urbano Sánchez 65 3. Simulación Para ver el funcionamiento del sistema de bombeo, se ha realizado una simulación del depósito mediante Simulink. Este sistema emula el funcionamiento del depósito con una entrada de Cabal (Qe) calculado a partir de la generación solar y el funcionamiento de la bomba. Para la realización de la simulación se ha tenido en cuenta los siguientes parámetros: ● Dos entradas de Qe calculadas a partir de un día soleado y otro de un día nublado extraídos a partir de los datos del PVgis. ● Para la extracción de datos del PVgis se ha considerado una producción de 14 placas de 450 Wp, un azimuth de -180º y un grado de inclinación de 30º para emular lo máximo posible a la instalación planteada la memoria técnica. ● Para la simulación del depósito se ha considerado una altura máxima de x m de altura. Elevado unos 6 m del suelo. ● Para la conversión de Kw a L/h se ha considerado que a partir de los 2,9 kW es el punto de 6000 l /h y a partir de ahí se escala hasta un mínimo de 0,5 kW, el cual se ha determinado como mínimo que necesita para accionar la bomba. ● Para la salida de agua se ha considerado una válvula abierta durante 7 h, 4 horas por la mañana y 3 por la tarde. A partir de estos parámetros se ha realizado la simulación, y podemos observar que tanto los resultados con los Qe de día soleado o día nublado se generan resultados los cuales permiten acumulación de agua por lo que podemos dar por validado el sistema. Figura 44. Generación de la planta en kWh en día nublado y día soleado. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 66 Figura 45. Modelo de simulación del depósito en simulink. Figura 46. Figura de % de agua en el depósito y obertura de la válvula en un día nublado. Víctor Urbano Sánchez 67 Figura 47. Figura de % de agua en el depósito y obertura de la válvula en un día Soleado 4. Estudio Para el sistema aislado se ha desarrollado un estudio en el programa PVSOL para realizar una simulación del sistema y ver el funcionamiento del mismo. Para el desarrollo de este estudio se han tenido en cuenta los siguientes factores: ● El consumo está definido por una bomba de 2,2 kW con 7 horas de funcionamiento, tal como hemos definido en la memoria técnica. Estas horas de consumo han sido divididas en 4 por la mañana y 3 por la tarde para ver el funcionamiento en diferentes puntos de radiación. ● Se ha creado todos los componentes de la instalación a partir de las fichas técnicas. ● Tanto los datos de radiación como la ubicación del mismo correspondo a una base de datos del propio programa extraída del Pvgis de la zona donde se va a instalar el sistema fotovoltaico. ● El programa dentro de la modelación 3D tiene en cuenta la inclinación de la las placas para el cálculo de la radiación captada por el módulo, y la placa ha sido incluida mediante en archivo “.pan” proporcionada por la empresa Longi, lo que proporciona una garantía en los resultados simulados. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 68 ● El sistema de baterías se muestra en , y ha sido creado a partir de la ficha técnica de la batería. El estudio simula la instalación y redacta un informe (Anexo II) donde se puede observar una grande cantidad de datos de los cuales podemos destacar: ● Diseño 3D de la instalación. ● Energía generada. ● Plano de la instalación. Este plano no es completamente correcto debido a que el PVSOL todos los sistemas creados son de acampamiento en CA. Para poder obtener resultados reales se ha tenido que crear un regulador + inversor acoplado al mismo inversor para poder realizar el sistema. ● Flujo de energía de un año. ● Formación de los Mppts de la instalación. Víctor Urbano Sánchez 69 5. Puesta en marcha Para la puesta en marcha del sistema se recomienda hacerla durante el horario diurno para en caso de haber un problema con el sistema fotovoltaico poder identificarlo lo antes posible. 5.1 Puesta en marcha variador Para la puesta en marcha del variador, deberemos seguir los siguientes pasos descritos en el manual del variador Salicru. 1. Conectar la bomba sumergida. 2. Conectar el sistema FV. 3. Cuando encienda el Variado, Entrar en el modo configuración y poner los datos de la bomba como describe el manual. 4. Comprobar la rotación de la bomba. 5. Ajustar la frecuencia mínima de la bomba por tal de proteger la bomba. 6. Afinar el sistema para comprobar que funciona correctamente. Una vez completado estos pasos ya tendremos nuestro sistema de riego solar en funcionamiento y podríamos mediante VITdrive monitorizar el sistema en un PC. 5.2 Puesta en marcha sistema aislado Para la puesta en marcha del sistema aislado, deberemos seguir los siguientes pasos: 1. Conectar todo el sistema con excepción del sistema fotovoltaico. 2. Configuración de las baterías BYD LVL con su software BeConnect PLUS. 3. Actualización del firmware de todos los equipos mediante VictronConnect. 4. Configuración de inversores/cargadores en modo trifásico. 5. Configuración de los inversores/cargadores donde debe configurarse mediante ordenador con VEConfigure Tools: a. Parámetros del monitor de baterías. b. Parámetros del cargador. c. Parámetros del límite de entrada CA. d. Parámetros de la red eléctrica. 6. Conectar todos los Cables de comunicación. 7. Configurar la Venus GX con los parámetros. 8. Configurar el portal VRM de Victron. 9. Comprobar y poner en marcha el sistema. Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 76 7. CONCLUSIONES El objetivo de este proyecto es facilitar un recurso vital, como es el agua, a una población que actualmente tiene muchas dificultades para acceder a él. Para ello hemos dimensionado un sistema de bombeo solar, el cual garantiza las necesidades de las familias, tal como hemos podido corroborar en las simulaciones del mismo. Una vez completada la instalación las familias disfrutarán de un suministro de agua suficiente para satisfacer las necesidades del huerto diariamente. Además, en caso de días con poca radiación solar, el bombeo de agua seguirá suministrando, gracias al sistema aislado con acumulación que alimenta la bomba. En conclusión, el suministro de agua está asegurado y comprobado con el estudio realizado en PVSOL. Este sistema de bombeo híbrido, tal como hemos mencionado anteriormente, proporciona un suministro de energía garantizado con un mantenimiento mínimo, tanto económico como mecánico, y una vida útil de mínimo 25 años. Ese sistema tiene un inconveniente, el precio de la instalación. La inversión de esta instalación es muy elevada, sobre todo el sistema aislado con baterías, lo que lleva a cuestionarnos. ¿Esta Instalación es económicamente viable? La respuesta es sí y no. La instalación de bombeo solar tiene una gran inversión, pero todos los beneficios que aporta a las familias de mozambique, tanto económicos como nutritivos hacen que la inversión sea amortizada en pocos años. En cambio, el sistema de respaldo a base de baterías, no es viable para este caso. El alto precio de las baterías de litio conlleva a que la inversión inicial se dispare, y teniendo en cuenta que la zona estudiada tiene grandes entradas de radiación solar durante todo el año, podríamos satisfacer la necesidad de agua únicamente con el sistema de bombeo. Este proyecto servirá como base a la ONG Azada verde y podrá replicarlo en diferentes zonas de África donde las condiciones lo permitan. Hay que tener en cuenta que el transporte de este material puede ser inviable, debido el coste de transporte y posibles robos por parte de las mafias locales. Lo que lleva a que se tenga que consultar a distribuidores locales por materiales que cumplan los requisitos descritos en el proyecto para poder llevarlo a cabo. Víctor Urbano Sánchez 77 8. BIBLIOGRAFÍA [1] ¿Cómo se fabrica el silicio fotovoltaico? (s. f.). Recuperado 29 de mayo de 2022, de https://news.soliclima.com/noticias/energia-solar/como-se-fabrica-el-silicio-fotovoltaico [2] 9. Guía de instalación rápida del ESS. (s. f.). Victronenergy.com. Recuperado 31 de mayo de 2022, de https://www.victronenergy.com/media/pg/Energy_Storage_System/es/essquick-installation-guide.html [3] Aiguapres. (2019, enero 17). Cómo funcionan las bombas sumergibles. Aiguapres - Bombas de Agua. Recuperado 30 de mayo de 2022, de https://www.aiguapres.es/bombassumergibles-funcionamiento/ [4] Bombeo solar, ventajas e inconvenientes. (2016, mayo 9). 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Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 80 Document: Anexo 1: Fichas técnicas Diseño de un sistema de generación aislado para entornos de regadío en África Autor/Autora: Urbano Sánchez, Víctor Director/Directora - Codirector/Codirectora: Luna Alloza, Álvaro Titulació: Grado en Ingeniería Electrónica Industrial i Automática Convocatòria: Primavera,2022 Víctor Urbano Sánchez 81 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 82 Víctor Urbano Sánchez 83 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 84 Víctor Urbano Sánchez 85 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 92 Víctor Urbano Sánchez 93 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 94 Víctor Urbano Sánchez 95 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 96 Víctor Urbano Sánchez 97 Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 98 08/06/2022 Dirección de la instalación -20.13259327639236, 33.74312378465925 Descripción del proyecto: Intalación Aislada FV para Bombeo Solar - Buzi River, Mozambique Nombre del proyecto: AisladaTFG N.º de oferta: AisladaTFG Víctor Urbano Sánchez 99 ▪ Vista general del proyecto Figura: Vista general, Planificación 3D Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 100 Instalación FV 3D, Sistema FV autónomo Datos climáticos Guana, MOZ (1996 - 2015) Fuente de los valores Meteonorm 8.1(i) Potencia generador FV 4,05 kWp Superficie generador FV 19,6 m² Número de módulos FV 9 Número de inversores 1 Número de inversores de baterías 3 Número de baterías 2 Figura: Diagrama esquemático Víctor Urbano Sánchez 101 Pronóstico rendim. Pronóstico rendim. Potencia generador FV 4,05 kWp Rendimiento anual espec. 1.508,19 kWh/kWp Coeficiente de rendimiento de la instalación (PR) 70,13 % Reducción de rendimiento por sombreado 0,0 %/Año Máxima energía fotovoltaica posible 6.231 kWh/Año Energía FV utilizable 6.191 kWh/Año Cobertura del consumo 3.727 kWh/Año Carga de baterías 2.464 kWh/Año Fracción de cobertura solar 100,0 % Eficiencia del sistema 90,3 % Emisiones de CO₂ evitadas 2.645 kg / año Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 108 Figura: Flujo de energía Resultados por superficie de módulos Superficie libre (Fragmento del mapa)-Superficie sur Potencia generador FV 4,05 kWp Superficie generador FV 19,56 m² Irradiación global sobre módulo 2141,82 kWh/m² Radiación global en el módulo sin reflexión 2149,17 kWh/m² Coeficiente de rendimiento de la instalación (PR) 71,54 % Energía de generador FV (Red CA) 6231,14 kWh/Año Rendimiento anual espec. 1538,55 kWh/kWp Víctor Urbano Sánchez 109 Balance energético de instalación fotovoltaica Balance energético de instalación fotovoltaica Radiación global horizontal 2.101,09 kWh/m² Desviación del espectro estandar -21,01 kWh/m² -1,00 % Reflexión del suelo (albedo) 27,87 kWh/m² 1,34 % Orientación y inclinación de la superficie de módulos 41,23 kWh/m² 1,96 % Sombreado independiente del módulo 0,00 kWh/m² 0,00 % Reflexión en la superficie del módulo -7,35 kWh/m² -0,34 % Irradiación global sobre módulo 2.141,82 kWh/m² 2.141,82 kWh/m² x 19,562 m² = 41.898,66 kWh Irradiación global fotovoltaica 41.898,66 kWh Ensuciamiento -418,98 kWh -1,00 % Conversión STC (eficiencia nominal de módulo 20,72 %) -32.886,80 kWh -79,28 % Energía fotovoltaica nominal 8.592,89 kWh Ensombrecimiento parcial específico del módulo 0,00 kWh 0,00 % Rendimiento con luz débil -44,94 kWh -0,52 % Desviación de la temperatura nominal del módulo -430,51 kWh -5,04 % Diodos 0,00 kWh 0,00 % Inadecuación (datos del fabricante) -162,35 kWh -2,00 % Inadecuación (Conexión/sombreado) 0,00 kWh 0,00 % Energía fotovoltaica (CC) sin limitación de corriente por inversor 7.955,09 kWh Potencia de arranque DC no alcanzada -246,43 kWh -3,10 % Regulación por rango de tensión MPP 0,00 kWh 0,00 % Regulación por corriente CC máx. 0,00 kWh 0,00 % Regulación por potencia CC máx. 0,00 kWh 0,00 % Regulación por potencia CA máx. / cos phi -827,67 kWh -10,74 % Adaptación MPP -320,17 kWh -4,65 % Energía FV (DC) 6.560,82 kWh Energía en la entrada del inversor 6.560,82 kWh Desviación de la tensión de entrada de la tensión nominal -83,79 kWh -1,28 % Conversión DC/AC -118,73 kWh -1,83 % Consumo Standby (Inversor) -122,98 kWh -1,93 % Pérdida total de cables -127,17 kWh -2,04 % Energía fotovoltaica (CA) menos consumo en modo de espera 6.108,16 kWh Energía de generador FV (Red CA) 6.231,14 kWh Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 110 Hojas Hoja de datos módulo FV Módulo FV: LR4-72 HPH 450 M G2 (v4) Fabricante LONGI Solar Suministr. Sí Datos eléctricos Tipo de célula Si monocristalino Módulo de media celda Sí Número de células 144 Número de diodos de bypass 3 Caída de voltaje por diodo de derivación 1 V Optimizador de potencia integrado No Sólo apto para transf. inversor No Caract. U/ISTC Tensión en MPP 41,5 V Corriente en MPP 10,85 A Tens. circ. abierto 49,3 V Corriente de cortocircuito 11,6 A Aumento tensión de circuito abierto antes de estabil. 0 % Potencia nominal 450 W Factor de forma 78,74 % Eficiencia 20,72 % Características U/I con carga parcial Fuente de los valores Fabricante/propios Irradiación 200 W/m² Tensión en el MPP con carga parcial 39,842 V Corriente en el MPP con carga parcial 2,209 A Tens. circ. abierto con carga parcial 46,203 V Corriente de cortocircuito con carga parcial 2,359 A Parámetros adicionales Coeficiente de temperatura de Voc -130,6 mV/K Coeficiente de temperatura de Isc 5,8 mA/K Coeficiente de temperatura de Pmpp -0,34 %/K Factor corr. angular (IAM) 100 % Tensión máxima del sistema 1500 V Datos mecánicos Anchura 1038 mm Alto 2094 mm Profundidad 35 mm Ancho del marco 35 mm Peso 24,3 kg Víctor Urbano Sánchez 111 Planos y listado de piezas Esquema eléctrico Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 112 Figura: Esquema eléctrico a. Plano de líneas Figura: Superficie libre (Fragmento del mapa)-Superficie sur b. Lista de piezas Lista de piezas # Tipo Número de artículo Fabricante Nombre Cantidad Unidad 1 Módulo FV LONGI Solar LR4-72 HPH 450 M G2 9 Pieza 2 Inversor Victron Energy SmartSolar MPTT 150/75 + 3*Multiplus II 48/3000/35-32 1 Pieza 3 Inversor de baterías Victron Energy Multiplus-II 230V 48/3000/35-32 3 Pieza 4 Batería BYD Company Ltd. BATTERY-BOX PREMIUM LVL 15.4 2 Pieza 5 Componentes Disyuntor Tipo C 4 A 1 Pieza 6 Componentes Dispositivo diferencial residual (FI/DDR) Tipo A/300mA 1 Pieza 7 Componentes Fusible 15 A 3 Pieza 8 Componentes Protección contra sobretensiones con conexión a tierra 1000 V 3 Pieza Víctor Urbano Sánchez 113 Capturas de pantalla, Planificación 3D Entorno Figura: Colocación de los modulos Diseño de un sistema de generación de energía aislado para entornos rurales de regadío en África 114 Conexión Figura: Conexión de los paneles fotovoltaicos