Lección 01: Cálculo de potencia solar e implantación de instalaciones solares

Cuando empieces a pensar sobre montar una instalación de energía solar en tu casa o negocio, tu primera pregunta sera, sin ninguna duda, esta: Será rentable en mi caso? Es útil y ventajoso en mi zona este tipo de instalaciones?

Haces bien planteándote estas dudas, porque en contra de lo que se cree, energía solar no resulta tan rentable en todos los casos. En esta primera lección del Curso de Energía Solar aprenderás a calcular la potencia solar para saber si te conviene o no conviene lanzarte a este proyecto.

Curso en vídeo: antes de la instalación de baterías de energía solar

Primer paso para empezar a usar la energía solar

La demanda energética crece y los precios de la energía suben sin parar. Ademas, preocupados por el calentamiento global, en parte provocado por las sociedades desarrolladas, queremos poner nuestro grano de arena para mejorar al situación del plantea.

En estas circunstancias, aprovechando el desarrollo y abaratamiento  de las tecnologías, cada vez más países, administraciones, y también particulares, decidimos instalar paneles solares para producir energía fotovoltáica o termoeléctrica para el uso diario en nuestros hogares.

Por donde empezar? Primer paso: averiguar como de rentable va a ser la instalación en tu caso. Para eso hace falta calcular factores tale como la orientación del terreno, posibles perdidas por inclinación, entre otros.

Contenido de la primera clase de tu Curso de Energía Solar

La modernización de nuestra sociedad, el aumento de los niveles de confort, la automatización de las tareas, la creciente implantación de dispositivos electrónicos, etc. implican un constante crecimiento de la demanda de energía.

Las principales fuentes de suministro utilizadas por el hombre se han basado en combustibles fósiles, tales como el carbón, el petróleo, el gas, entre otros. Sin embargo la disminución de estos recursos y el aumento de la demanda eléctrica han provocado la búsqueda de energías renovables alternativas, con las que al menos en parte poder satisfacer los consumos requeridos y las necesidades energéticas de una vivienda, ya sean debidos al consumo de la electricidad, agua,  o gas, crecen cada año.

Los electrodomésticos consumen la gran parte de la electricidad, siendo el frigorífico el de mayor demanda, ya que funciona las 24 horas del día.

En concreto el 30% de todo el consumo eléctrico de los electrodomésticos. La iluminación, las lámparas de bajo consumo, son las más demandadas actualmente, aunque son más caras que las bombillas incandescentes convencionales, consumen un 80% menos de electricidad.

En la cocina dependiendo del tipo puede requerir electricidad o gas para funcionar. El agua caliente sanitaria puede producirse mediante electricidad, gas natural o gasoil, y el consumo medio de agua caliente sanitaria por persona y día es iría desde unos 40 litros. La calefacción también puede funcionar con electricidad, gas natural o gasóleo.

Las necesidades de calefacción dependerán de la superficie de la vivienda, zona climática, orientación del edificio, de aislamiento, entre otros. Y después está el apartado de la refrigeración. 
La mayoría de los equipos de aire acondicionado funciona con electricidad, algunos de ellos son reversibles, pudiendo proporcionar también calefacción, no sólo frío.

Se denomina perfil de consumo eléctrico, o perfil de carga, a la curva que muestra la distribución diaria de la potencia que se consume en cada hora. Esta curva proporciona información sobre la simultaneidad de algunos consumos, fundamental para determinar la potencia máxima que se requiere en una vivienda.

En el video podéis ver diferentes valores máximos que corresponden el desayuno comida y cena de una familia y ahí se juntan diferentes electrodomésticos, como la nevera, el horno y la cocina eléctrica. La potencia eléctrica de la vivienda debe ser tal que sea capaz de abastecer el consumo necesario de los electrodomésticos y dispositivos que vayan a usarse a la vez.

Como veremos más adelante la instrucción técnica complementaria BT10 establecen las condiciones de previsión de cargas y determinados posibles grados de electrificación de una vivienda.

Está la electrificación básica y la elevada. La básica es la que corresponde a familias pequeñas o medianas en las que los electrodomésticos y dispositivos eléctricos son los de uso común.

Los de electrificación elevada son las viviendas con superficie útil superior a 160 metros cuadrados o que dispongan de calefacción eléctrica o sistemas de aire acondicionado de cierta potencia.

Como podéis ver en las tablas que a continuación medido en el dibujo los diferentes escalones de potencia que existen, tanto en la identificación básica como en electrificación elevada, son 5750 w, 7360 w para básica, y para elevada 9200 w, 11500 w y 14490 w. En general una instalación generadora se comportará como una fuente de exportación de energía eléctrica, sin embargo puede que en ciertos momentos se comporte como una carga, es decir consumiendo o importando energía, cuando hay una parada de la instalación en periodos nocturnos.

Por tanto considerando una red eléctrica con sistemas de generación distribuida cualquier instalación puede actuar con fuente o carga eléctrica, exportando o importando energía respectivamente.
Para comprender el concepto del factor de potencia necesitamos definir los diferentes tipos de potencias.

Existe la potencia activa la potencia reactiva y la potencia aparente. la potencia activa, (P ), es la potencia capaz de realizar un trabajo útil. La potencia reactiva (Q) no produce un trabajo útil sino que genera campos eléctricos y magnéticos, y la potencia aparente (S) es la potencia total, resultante de sumar vectorialmente las potencias activas y reactivas. el factor de potencia se corresponde con el valor del φ (phi) sino que el desfase que existe entre la tensión y  la intensidad y se define como el consciente entre la potencia activa y la potencia aparente.

Este valor permite cuantificar la utilización de la potencia activa respecto a la potencia aparente. y puede tomar valores que van desde 0 a 1. Cuanto más alto sea el factor de potencia, mejor.

Para corregir el factor de potencia se suele utilizar elementos capacitativos, tales como las baterías de condensadores. la instrucción técnica 43 del reglamento electrotécnico de baja tensión en su último apartado establece las instrucciones a seguir en caso de que sea necesario corregir el factor de potencia de una instalación eléctrica.

Para diseñar una instalación eléctrica hay que determinar la máxima potencia que podría desbandarse, sin embargo si simplemente sumamos las cargas de la instalación la potencia resultante va a ser excesiva y el diseño sería poco económico.

Como todos los receptores o cargas no funcionan a la vez ni necesariamente todos funcionan a su plena potencia nominal, se utilizan los factores correctores para determinar la potencia máxima de la instalación. Una instalación eléctrica se divide en diferentes circuitos eléctricos.
La intensidad de diseño de un circuito que alimenta a N receptores que demandan una corriente Ia cada uno se calcula en función del factor de simultaneidad Fs y el factor de uso Fu.

El factor o coeficiente de simultaneidad de la instalación eléctrica de una vivienda es el consciente entre la potencia eléctrica máxima que puede entregar dicha instalación y la suma de las potencias nominales de todos los receptores conectados a ella.

Por ejemplo los receptores de una vivienda son el lavavajillas, le lavadora, el televisor ,entre otros, sin embargo la instalación eléctrica no se calcula para toda la potencia que consumen simultáneamente todos los equipos sino que se considera que no todos van a estar funcionando a la vez.

El coeficiente de simultaneidad sería el cociente entre la potencia de diseño que se estimada en función de las cargas que se prevean alimentar a la vez y la suma de las potencias de todos los receptores que se tenga y por tanto es inferior a la unidad.

Para el caso del cálculo de la potencia eléctrica de un edificio hay que tener en cuenta las potencias individuales de cada vivienda y de otros servicios como el ascensor, el garaje, etc. pero también aplicaremos un coeficiente de simultaneidad ya que es muy improbable que todas las viviendas estén a pleno consumo todos los días o en un momento determinado.

Más adelante en el curso se explica este proceso de cálculo y así también aprenderemos a aplicar el coeficiente simultaneidad que hay que considerar en función del número de viviendas en muchas ocasiones el consumo de potencia de una carga o circuito es inferior a su potencia nominal

Para tener en cuenta este hecho aplicaremos lo que se conoce como un factor de uso o factor de utilización.
Por ejemplo en un motor eléctrico el factor de uso típico es de los 75 y en el alumbrado 05.

El consumo de agua por habitante y día de media es de 144 litros, pero depende mucho de los hábitos del consumo y la cantidad de agua que se utiliza en los distintos equipos que como el inodoro y los electrodomésticos.

El consumo de gas natural es la energía más económica para la calefacción en España, pero cada vez que se utiliza menos.

Normalmente una instalación solar térmica típica puede garantizar el 100% de las necesidades de agua caliente sanitaria en verano pero en invierno el porcentaje de cobertura suele ser del 40 o 50%.

Algo parecido ocurre si pretendemos diseñar una instalación fotovoltaica aislada de la red.

Para asegurar el suministro eléctrico de una vivienda se necesitaría un gran número de módulos. Lo mismo que en la térmica necesitaríamos una instalación enorme para obtener la calefacción que necesitaremos, el agua caliente que necesitaremos.

Para evitar estos sobre dimensionamientos sería muy costoso se instalan equipos de apoyo de gas, de gasoil, etc.

Por ello suele decirse que las viviendas en las que existe instalaciones solar es térmicas o fotovoltaicas no son autosuficientes sino que requieren de un sistema de apoyo que pueda garantizar el suministro cuando sea necesario. Pero si estas instalaciones lo que ayudan a disminuir el importe de la factura.

La orientación viene caracterizada por el ángulo de azimut alfa que se define como el ángulo que forma la proyección sobre el plano horizontal de la perpendicular a la superficie del módulo o captador con el meridiano del lugar.

La inclinación depende principalmente de la latitud del lugar. A mayor latitud mayor inclinación y de la época en la que se prevé a dar uso a la instalación. Para aplicaciones de uso invernal se requiere una mayor inclinación que para una aplicación de en verano.

En España, al encontrarse en el hemisferio norte, la orientación de los módulos y los captadores debe ser hacia el sur geográfico. ojo no el sur magnético. Es decir el ángulo de azimut debe ser cero.

Los valores positivos del ángulo de azimut muestran una orientación hacia el oeste, mientras que los negativos indican que la orientación es hacia el este y en los cálculos puede haber un error de unos 15 de grados, no más.

Los módulos y los captadores reciben una radiación solar que depende del ángulo que forman con una superficie horizontal. se conseguirá una captación máxima cuando este ángulo de inclinación sea tal que la posición de estos elementos sea perpendicular a la radiación incidente.

La inclinación de los módulos y de los captadores tiene mucho que ver con la latitud del lugar en el que se instala. la latitud mide el ángulo que existe entre un determinado punto del planeta y el ecuador, medido sobre el meridiano que pasa por dicho punto.

Por ejemplo en España cuanto más al norte en España nos encontremos mayor será su latitud, por lo que mayor deberá ser la inclinación que deban tener los módulos y los captadores para aprovechar al máximo la radiación solar incidente. Además dicha inclinación dependerá de la época del año en la que se prevea el uso de la instalación.

Por ejemplo la inclinación máxima y óptima en un determinado lugar puede ser de 20 en verano, sin embargo en invierno se necesitaría una inclinación de 50 para conseguir la máxima captación.

En la pantalla podéis ver cómo se calcula con esa fórmula el ángulo de inclinación beta de los módulos de una instalación fotovoltaica conectada a la red.
Sin embargo en instalaciones fotovoltaicas aisladas el objetivo sea garantizar el suministro teniendo en cuenta las fórmulas que veréis a continuación.

Hay que proporcionar unos valores adecuados de inclinación dependiendo de algunos tipos posibles de instalaciones fotovoltaicas aisladas. 

El bombeo de agua solamente en verano tiene fórmula que veis en la pantalla. Beta igual a sigma menos 20 grados, ya que en verano la altura que alcanza el sol es mayor por lo que se requiere una mayor inclinación. 

Las instalaciones para vivienda solamente invierno pues tienen que ser otra.

En invierno la altura que alcanza el sol es menor por lo que se requiere una mayor inclinación.
Las instalaciones para vivienda para calcular van a tener un periodo de uso anual debe diseñarse la instalación para la época de menor radiación, que es en invierno, con el objetivo de garantizar el suministro y después en lugares de nevadas frecuentes para un periodo de uso anual el objetivo es evitar acumulaciones de nieve sobre las superficies de los módulos.

A la hora de calcular la inclinación en instalaciones solares térmicas puede seguirse las indicaciones que recomienda el instituto para la diversificación y ahorro de la energía IDAE y usar las fórmulas que veis en el vídeo.

En el proceso de diseño de la instalación solar es fundamental prever dónde se ubicarán los módulos para evitar la existencia de sombras sobre ellos. Estas sombras pueden ser debidas a edificios árboles que estén cercanos.

La energía procedente del sol puede aprovecharse básicamente mediante dos tipos de tecnologías. sistemas de energía solar fotovoltaica en la cual se transforma la energía solar en energía eléctrica, que puede utilizarse para alimentar un determinado suministro, consumo de viviendas u otros equipos o inyectar a la red eléctrica.

Después está el sistema de energía solar térmica la cual utiliza la energía solar para elevar la temperatura de un fluido cuyo calor puede utilizarse para producir agua caliente sanitaria de calefacción, calentamiento de piscinas climatizadas, etc.

La irradiancia es una medida de la potencia solar incidente por unidad de superficie, cuantificando la intensidad de la radiación y midiéndose en watios partidos por metro cuadrado. se utiliza la letra G mayúscula sin subíndice para determinar la irradiación global.

Entre paréntesis se indica la orientación alfa y la inclinación beta, por ejemplo, G(-15.30) indicaría la irradiancia global sobre una superficie con azimut 15 grados este (al ser negativo) y con una inclinación de 30 grados. El otro ejemplo G(0) sería la irradiancia global sobre una superficie horizontal.

La irradiación es la energía solar que recibe una unidad de superficie en un tiempo determinado. Para designar la irradiación global utilizaremos la letra G con un 1 o 2 subíndices, se mide en vatios por hora partido por metro cuadrado.

El primer subíndice indica el periodo de tiempo de integración de la irradiación ,que puede ser un horario, diario, mensual,…

En la pantalla veis dos ejemplos G dm (10,40), esto querría decir el valor medio mensual de la irradiación global diaria al ser sub “d”, sobre una superficie con azimut 10 oeste (al ser positivo) y una inclinación de 40 grados.
En el otro caso la G a (30) sería la irradiación global anual sobre una superficie inclinada 30 grados y con azimut 0.

Los modelos de radiación solar tienen una gran utilidad para calcular instalaciones solares con ellos podemos definir el ángulo de inclinación óptimo, dependiendo del tipo de instalación y del objetivo.

En instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red el objetivo es generar la máxima cantidad de energía posible a lo largo de un año.
En estos casos buscaremos en las gráficas o tablas el ángulo en el que la radiación global anual sea máxima sobre la superficie inclinada.

En las instalaciones fotovoltaicas aisladas y en instalaciones solares térmicas el objetivo es garantizar que para los peores condiciones de radiación que suelen darse en los meses de invierno se satisface la demanda requerida, por tanto el diseño de la instalación se realizará teniendo en cuenta la radiación disponible en una superficie inclinada en los meses de invierno lo que determina el ángulo de inclinación necesario en estos meses.

Los datos de radiación solar pueden encontrarse en diferentes formatos, como gráficas diagramas de barras mapas, etcétera, pero normalmente es en forma de tablas la forma más precisa de utilizarlos.

A su vez estas tablas también pueden recoger datos en diferentes formatos, valores para superficies horizontales, para superficies con una inclinación determinada, para superficies con diferentes inclinaciones, etcétera

Los datos de irradiación solar horaria permiten sacar conclusiones como por ejemplo la hora a la que se produce la primera radiación sobre una determinada superficie,en función del mes así como el final del periodo de radiación y comienzo de la noche. también permiten estimar la producción generada hora a hora a lo largo del día de un mes en concreto. En próximos  apartados veremos diferentes tablas con las que haremos diferentes ejercicios.

En instalaciones fotovoltaicas podemos afirmar que al aumentar la irradiancia también aumenta la potencia generada por los módulos, sin embargo un incremento de la temperatura ambiente provoca una disminución de la potencia que producen. en las instalaciones solares térmicas, al igual que ocurre en las instalaciones fotovoltaicas, al aumentar la ira la irradiancia también se produce un incremento en el grado de aprovechamiento. 
Sin embargo, al contrario de lo que ocurre en los módulos fotovoltáicos, un aumento de la temperatura ambiente provoca una mayor eficiencia en los captadores.
los proyectos o diseños de instalaciones solares deben incorporar un estudio técnico que analice las posibles pérdidas debidas a una orientación y una inclinación que no son las óptimas.

Igualmente deben evaluarse las pérdidas por resistencia de sombras generadas por edificios, montañas u otros elementos, esto lo veremos más adelante como se calcula.

La magnitud de estas tres fuentes de pérdidas será tal que no se superen los valores que se recogen en el código técnico de edificación indicados en la tabla que veis en el video.

Estas pérdidas se expresan como porcentaje de la radiación solar que incidirá sobre la superficie de captación orientada al sur a la inclinación óptima y sin sombras.

En el caso general de la tabla que veis se encuentran los módulos o captadores sobre suelo o sobre una terraza o superficie horizontal. Si considera que existen superficie superposición arquitectónica cuando la colocación de los módulos o captadores se realiza paralela a la envolvente del edificio, así sabemos queda todo tenemos que mirar en la tabla.

Es decir con la misma inclinación que las cubiertas tejados o fachadas.

Eso sería la superposición arquitectónica y para que exista una integración arquitectónica los módulos o captadores deben sustituir elementos constructivos o parte del cerramiento.

En todos los casos se ha de cumplir las tres condiciones pérdidas por orientación e inclinación, pérdidas por sombra y pérdidas totales inferiores a los límites estipulados respecto a los valores obtenidos con orientación e inclinación óptimas y sin sombra alguna.

Para estos cálculos se considerará como la orientación óptima el sur y la inclinación óptima la latitud del lugar menos 10 grados. 
Las pérdidas por orientación e inclinación se calculan siguiendo el método propuesto por el IDAE en función del ángulo de azimut y del ángulo de inclinación beta.
Una vez determinado el ángulo de azimut del módulo del captador se obtienen los límites de inclinación aceptables, de acuerdo a las pérdidas máximas establecidas respecto a la inclinación óptima. Para ello se utiliza la figura que veis a continuación, válida para una latitud de 41 grados. Entonces conocido el azimut cogemos la figura y obtenemos de ella los límites para la inclinación en el caso de una latitud de 41 grados.

Para el caso general como hemos visto antes las pérdidas máximas por la orientación e inclinación son de 10, por superposición serían 20 % en la integración arquitectónica sería un 40%. los puntos de intersección del límite de pérdidas con la recta de azimut proporcionar los valores de inclinación máxima y mínima.

No os preocupéis porque a continuación haremos un ejercicio y entonces así queda todo claro. Si no hubiera intersección de entre ambas las pérdidas son superiores a las permitidas, y la instalación estará fuera de los límites si ambas curvas se cortan se obtienen los valores para una latitud de 41 grados y los límites de inclinación aceptables se corrigen en función de la diferencia entre la latitud concreta del lugar y la de 41 grados según las expresiones que podéis ver aquí en el dibujo.

Para el cálculo de pérdidas por sombras tenemos que tener el perfil de los obstáculos y representarlos en la figura que veis a continuación que es un diagrama de las trayectorias del sol.

Una vez hayamos trazado ahí el perfil de los obstáculos hay que seleccionar una tabla de referencia que podemos obtener la del IDAE y con ella ver qué porcentaje obstruye cada obstáculo en los rayos del sol y entonces ir sumando los porcentajes de cada  figura.

A continuación vais a ver un ejercicio y va a quedar súper claro todo al final el cálculo final se obtiene obteniendo una suma de los valores próximos de porcentaje de 0.25, 0.50 a 0.75 o 1 de  como se obstaculiza los objetos para que el sol llegué hasta los captadores solares, entonces con eso obtenemos el cálculo de las pérdidas por sombras.
la distancia mínima que debe existir entre dos filas depende de la latitud del lugar y de la altura que existe entre la parte alta de una fila y la parte baja de la siguiente según se muestra en la figura.

Es responsabilidad del diseñador de la instalación informarse sobre todos los requisitos aplicables en la instalación que se está proyectando y asegurar su cumplimiento. el reglamento electrotécnico de baja tensión, el código técnico de edificación, el reglamento de instalaciones térmicas en los edificios, la normativa de AENOR y después la normativa autonómica y municipal, es necesario tenerla en cuenta a la hora de realizar las instalaciones de energía solar.  

Ejercicios para calcular los valores de tu instalación fotoeléctrica

Hasta aquí la teoría, pero ahora viene lo mas importante: aprender a calcular todos estos valores importantes para una instalación fotoeléctrica eficiente y, sobre todo, rentable, que es lo que buscamos.

Si te consideras mas de letras que de cálculos matemáticos, no te preocupes. No es tan difícil como lo pintan, y además nosotros te llevaremos de la mano, fase por fase, calculo por calculo.

  • CÁLCULOS PARA CORRECTA INSTALACIÓN SOLAR: