¿Cómo calcular nuestra instalación de suministro eléctrico mediante energías renovables?

Introducción al artículo: Una vez sabemos los valores de los datos de nuestro consumo diario y nuestro consumo punta, tal y como podemos ver en el artículo ¿Cómo calcular nuestro consumo eléctrico para después poder dimensionar nuestra instalación de suministro eléctrico mediante energías renovables?, en este artículo se expone como calcular las dimensiones, o como dimensionar los componentes que forman parte de una instalación de generación de energía  eléctrica, o de producción de electricidad para una casa.

Artículo entero:

Una vez sabemos los valores de los datos de nuestro consumo diario y nuestro consumo punta, tal y como podemos ver en el artículo ¿Cómo calcular nuestro consumo eléctrico para después poder dimensionar nuestra instalación de suministro eléctrico mediante energías renovables?, vamos a seguir con el mismo ejemplo y dimensionaremos todos los componentes de la instalación para nuestra casa de uso diario (con un consumo diario total de 2.924Wh y un consumo punta de 1.830W).

Empezaremos uno a uno a diseñar cada elemento de la instalación:

- Captadores de energía: Los captadores pueden ser de varios tipos en función de la energía renovable que queramos utilizar. Las opciones más comunes son las placas solares fotovoltaicas y los aerogeneradores, aunque como depende de cada lugar y sus características, en este artículo no entraremos a diseñar unos captadores específicos para un lugar en concreto, aunque si haremos el cálculo de la potencia de captación que tenemos que instalar y pondremos un ejemplo con placas solares. Teniendo en cuenta un consumo diario de 2.924Wh, a este número le tenemos que añadir un 20% de margen ya que tenemos que tener en cuenta que los captadores de media diaria no trabajan al 100% de rendimiento, con lo que nos sale un total de 3.509Wh. A esto también le tenemos que añadir otro tanto por cien para tener en cuenta la eficiencia de las baterías y el inversor. Este tanto por cien lo podemos determinar por un 95% para las baterías y un 90% para el inversor. Con lo que nos quedaría al final una potencia diaria total a captar de 4.104Wh. Tenemos que tener en cuenta que los paneles ofrecen, por poner un ejemplo las placas solares fotovoltaicas de 250W nominales, un máximo de 250Wp en condiciones de laboratorio, pero que después en funcionamiento real normalmente no llegan a ese valor ni con mucho, aunque si pueden alcanzarse en momentos puntuales con bajas temperaturas y alta radiación solar. En España península con la radiación solar que recibe, podemos coger como valor de producción normal diaria por un panel solar de entre 2,5 y 3 veces la potencia nominal en un día en invierno y entre 5 y 6 veces en un día de verano. Para no sobredimensionar la instalación en este caso vamos a calcular los paneles para cubrir el consumo en verano, lo que hace que fuera de verano necesitemos un generador eléctrico auxiliar para apoyar al sistema solar, aunque si deseamos usar el grupo electrógeno solo en ocasiones puntuales, dimensionaremos la instalación para invierno. Si hacemos el cálculo de los paneles en este caso concreto para cubrir en verano tendríamos un número de paneles = 4.104 / (250 x 5) = 3,21 paneles. Con este valor tendríamos que instalar 4 paneles si no queremos sobredimensionar la instalación para verano y no queremos quedarnos muy justos para invierno, aunque para cubrir todo el consumo en invierno nos saldrían unos 6 paneles.

- Regulador de carga: La mayoría de fabricantes recomiendan poner un regulador de carga según la corriente de cortocircuito de los paneles solares (siempre hablamos de paneles de 36 o 72 células para 12 o 24V), y recomiendan que el regulador sea de una intensidad nominal un 20% superior a la corriente de cortocircuito de los paneles solares, o sea que para un panel solar de 36 células que pueda generar 5A de Isc, se necesitará un regulador igual o superior a 5 x 1,2 = 6A a 12V. Para paneles de 60 células, tendremos que poner un regulador MPPT, para elegir el regulador MPPT que necesitamos simplemente miraremos la potencia en paneles que permite y la tensión máxima de campo fotovoltaico a la entrada, para determinar cómo conectar correctamente los paneles.

- Baterías: Si tenemos en cuenta el consumo diario de 2.924W y lo multiplicamos por los 5 días de autonomía, nos sale una potencia total para las baterías de 14.620Wh, que pasado a amperes (A), tenemos 1.218Ah en 12V o 609Ah en 24V. O sea que instalaríamos un banco de 6 baterías de 2V y 1.200Ah o un banco de 12 baterías de 2V y 600Ah. En instalaciones de energías renovables, se utilizan baterías donde la denominación aparece en 100 o 120 horas (C100 o C120), que lo que quiere decir es que pueden dar esos amperios si el consumo se distribuye de forma continua a lo largo de 120 horas (unos 5 días). Si consumimos su energía más rápidamente, la energía que nos entregarán será menor, y por eso para curarnos en salud para los cálculos siempre se usa el valor C10, que es el valor de Ah que puede entregar una batería en 10 horas, y que siempre será menor que el C100 o C120. Con estos cálculos en un principio nos aseguramos que para un funcionamiento normal las baterías no tendrían que bajar del 80% de carga, con lo que también aumentaremos y mucho la vida de las baterías.

- Inversor o ondulador de 12Vcc, 24Vcc o 48Vcc a 220Vca: Si tenemos en cuenta el consumo punta de 1.830W, y le damos un margen del 20% de seguridad, nos situamos en el número de 2.196W. Si con esto dimensionamos el inversor,  tendríamos que elegir un inversor de 2.000W de potencia nominal, que normalmente supera los 2.200W de potencia de generación puntual durante unos 10 o 30 minutos, para poder asumir pequeños consumos puntuales no contemplados en el estudio. Si tenemos motores con funcionamiento a 220Vca en nuestra instalación eléctrica, como es la lavadora y/o la nevera, para que funcionen correctamente tenemos que tener en cuenta que el inversor tiene que ser de onda senoidal pura, aunque para equipos electrónicos modernos también recomiendo el uso de este tipo de onduladores, ya que los de onda cuadrada o de onda senoidal modificada pueden provocar problemas. Actualmente con la electrónica de muchos electrodomésticos e iluminación LED también se requiere que el suministro sea con onda senoidal pura. Por otra parte, si se pretende utilizar un grupo electrógeno de apoyo, entonces se recomienda utilizar un inversor-cargador, ya que él automáticamente haría la conmutación entre consumo de baterías o de grupo electrógeno al encender el grupo electrógeno, y además aprovecharía la energía generada por el grupo electrógeno para cargar baterías al mismo tiempo que se suministran los consumos.

- Cableado: Otra parte que normalmente no se comenta pero que tenemos que tener muy en cuenta que se debe dimensionar correctamente, son los cables. El cableado, sobre todo el que se utiliza para transportar corriente continua (instalación de 12, 24 o 48Vcc), tiene que estar bien dimensionado ya que sino es de suficiente sección como para que pase la corriente que nosotros queremos, el propio cable hará de resistencia, lo que provocará que se pierda tensión en el propio cableado, teniendo por ejemplo 13Vcc en las baterías y menos de 12Vcc a la entrada del inversor, lo que podría llegar a parar el inversor por bajo voltaje de entrada, aún teniendo bien cargadas las baterías. Estas caídas de tensión, en definitiva, son potencias consumidas en forma de calor por la resistencia que ejercen los propios cables, y esto directamente es menor rendimiento de nuestra instalación eléctrica.

Para que se entienda la importancia del cableado sobre todo en tensiones continuas, haré un inciso técnico: Como hemos visto antes, en corrientes continuas la potencia (P) en vatios (W), se consigue directamente de multiplicar la tensión o voltaje (V) en voltios (V) por la intensidad (I) en amperios (A), o sea que la fórmula es la siguiente P = V * I, de lo que se deduce que para producir una Potencia constante, a menor Voltaje, la Intensidad tiene que ser mayor. Y para que lo entiendan todos, la intensidad pasado a un símil en agua, es como el caudal o chorro de agua, por tanto a mayor caudal de agua que queremos que pase, mayor es el tubo que necesitamos. Con lo que concluimos que a mayor Intensidad, mayor sección de cable se necesita.

Con esto concluye el dimensionamiento de los componentes de nuestra instalación de suministro eléctrico con energías renovables.