http://iie.fing.edu.uy/simsee/
SimSolar
( Simulador de sistemas autónomos de electrificación en base a paneles solares
).
Ing. Ruben Chaer – rch@todo.com.uy
Ing.
Raúl Zeballos – rzeballos@fing.edu.uy
Enero del 2008
Montevideo-
URUGUAY
Manual del Usuario
1 Introducción
SimSolar es un simulador de sistemas autónomos de energía eléctrica generada en base a paneles solares por efecto fotovoltaico.
SimSolar es específico para el Uruguay dado que contiene información de irradiación solar esperada para las diferentes ubicaciones dentro del territorio nacional.
La interfase de usuario es sencilla y fue diseñada para que resulte sencilla a usuarios sin conocimientos especializados en informática. Sin embargo se asume que el usuario posee conocimientos sobre el diseño de sistemas de generación autónomos en base a paneles solares, en particular el efecto físico de la radiación solar, tecnología de paneles solares, baterías ácidas de acumulación, balance de energía y estadística.
Al ejecutar el programa el usuario se encuentra con una pantalla que le permite definir un nuevo sistema de generación y un escenario de curva de cargas, en base a modificar el sistema y escenario de cargas cargado por defecto o uno cargado utilizando la opción de leer un archivo previamente guardado.
Una vez modificado el sistema se puede guardar usando la opción “Archivo” del menú (parte superior izquierda de la pantalla) con un nombre que identifique el sistema para poder cargarlo (usando la misma opción “Archivo” ) posteriormente.
La radiación solar a nivel de la superficie terrestre, presenta alteraciones por efecto fundamentalmente de la nubosidad que impide que se pueda considerar como una fuente de energía “firme”.
En estas condiciones para el cálculo confiable de la energía generada por el generador fotovoltaico se deben utilizar técnicas estadísticas, las cuales imponen que se dispongan de una base de datos horarios de radiación solar de un orden de magnitud de los 100 años.
No se dispone en el Uruguay de esta base de datos por lo cual el software tiene desarrollado un “generador de años solares” realizado en la Facultad de Ingeniería en el año 1994 entre el Instituto de Ingeniería Eléctrica y el Instituto de Física.
Este generador de años solares tiene un comportamiento estadístico aproximado al comportamiento estadístico de una serie de ocho años consecutivos de datos diarios de flujo global sobre plano horizontal.
Para la transformación de radiación solar sobre plano inclinado a partir de plano horizontal se utilizó el método de Liu Jordan.
Se corrige además la radiación al panel por Latitud.
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La pantalla inicial
La siguiente figura muestra la parte superior de la pantalla inicial.
La definición de los parámetros del sistema se realiza recorriendo uno a uno los botones que se muestran del lado izquierdo de la pantalla.
Al presionar cada uno de esos botones se abre una nueva pantalla donde el usuario puede realizar la configuración específica asociada al botón. A la derecha de cada botón, se muestra un resumen de la configuración realizada. Sobre la parte derecha superior de cada una de estas pantallas existe un botón con un signo de interrogación que permite el acceso directo a una ayuda que describe las características de cada acceso.
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Ubicación geográfica.
Esta
pantalla le permite elegir la ubicación del sistema dentro del territorio
nacional.
Usted debe
pinchar con el mouse la ubicación deseada.
La
siguiente figura muestra la pantalla correspondiente:
El circulo
amarillo, muestra la ubicación del sistema.
Para cambiar
de ubicación simplemente haga click con el mouse en la nueva ubicación y verá
que el circulo amarillo cambia de lugar.
Luego “de”
sobre “aceptar” para que quede determinada la ubicación geográfica de diseño.
Por defecto el programa impone la Capital de
Tacuarembó
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Carga
La pantalla
que permite entrar los datos de la curva de carga diaria típica es la
siguiente:
En las primeras dos filas se determina para
cada hora del día (AM y PM) la potencia (Watios) horaria demandada en bornes de batería, como valor
constante en la hora considerada.
De considerarse que una carga no está conectada
los 60 minutos de la hora correspondiente sino “X” minutos se deberá adicionar
X/60 de la potencia nominal de la carga.
Se observa que resulta la potencia en bornes de
la batería por lo que se deberá adicionar, en cálculos precisos, las pérdidas
de la instalación y eventualmente de utilizarse el rendimiento de los
convertidores DC/AC
Se sugiere utilizar de desconocerse los valores
anteriores los siguientes:
Rendimiento
de la instalación 97% (para instalaciones realizadas de acuerdo a las “reglas
del arte”.
Rendimiento
de los convertidores 92%.
Se destaca que el rendimiento de los paneles
así como el de las baterías está considerado en el modelo de simulación.
Luego en la siguiente fila es posible, manteniendo
el perfil de la curva de carga diaria fija, afectar la misma de factores de
incremento/decremento de estacionalidad en forma mensual.
Para los diseños tradicionales donde el ángulo
del panel se mantiene fijo durante todo el año se sugiere determinar la curva
de carga diaria en los meses de invierno, o determinar una curva de carga de
demandas mínimas imprescindibles fijas, y en el primer diseño fijar los valores
de estacionalidad iguales a la unidad.
Con el fin de visualizar la energía media
diaria mensual ya en la pantalla de entrada se visualizan en la tercera fila
estos valores calculados por el modelo.
A la derecha inferior existe un botón a fin de
importar los datos de una planilla excel.
Una vez puestos los datos y revisados el botón
“aceptar” los “sube” al modelo volviendo a la pantalla inicial.
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Paneles
La pantalla
a la cual se accede resulta en:
En esta
pantalla se determina:
La cantidad
de paneles fotovoltaicos dispuestos, dato relevante.
La potencia
pico en Watios pico de cada panel dato del fabricante, dato relevante.
El ángulo
de inclinación de los paneles respecto a la horizontal (en grados) puede
ser variado en cada mes del año, dato relevante.
En un
primer diseño se sugiere mantener el ángulo del panel fijo durante todo el año
e igual a 45/50º considerado como el ángulo que maximiza la energía captada en
el Uruguay para los meses de Invierno.
Se observa
que la energía máxima captada en el Uruguay para los meses de Verano se
consigue para ánulos de inclinación entre 10 y 15 grados
Se observa
que el modelo considera paneles fotovoltaicos policristalinos con un
rendimiento del 12% por lo que
se asume que los paneles serán mantenidos limpios con lavados, en caso de no
existir lluvias, por lo menos una vez a la semana.
La relación
potencia/área de panel asumida por el modelo es de 0,36 m2 de panel
para 48 Wp.
El modelo asume
una correspondencia lineal con el rendimiento medio declarado por el fabricante
por lo que de utilizarse otro tipo de panel el valor final de la cantidad de
paneles deberá multiplicarse por la relación de rendimientos en base 12%.
Una vez
impuestos los datos con “aceptar” se determina el valor a ser considerado por
el modelo.
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Banco de baterías.
La siguiente figura muestra la pantalla a fin de imponer los datos de la Batería de acumulación de energía..
Se trata de Baterías ácidas de Plomo de cualquier
tipo.
El primer dato es la capacidad en Ah
de Baterías en régimen C20 que se desee resultando en un dato relevante para el
cálculo.
El segundo dato es la tensión nominal del banco
de Baterías, sin perjuicio que el sistema disponga o no de convertidor AC/DC.[1]
Luego aparecen datos técnicos
específicos de las Baterías como:
- Coeficiente de variación de la
carga con la temperatura y el valor de temperatura en la que son
realizados los ensayos típicos del fabricante, de no disponerse de estos
datos los datos por defecto representan valores típicos.
- Corriente máxima de descarga:
dados o por datos del fabricante de Baterías o por el fusible de
protección de las mismas.
- Corriente máxima de carga: dato
del fabricante de Baterías, de desconocerse se tomará el valor dado por
defecto. Este valor deberá ser superior a la corriente máxima dada por
cada panel por el número de paneles que se considere.
Profundidad de descarga: dato
relevante y resulta en el valor de descarga máxima, respecto a su carga
nominal, que se permitirá al banco de baterías de acuerdo con el ajuste del
regulador que se considere (un valor de 0,3 indica que el regulador
desconectará la carga cuando la energía disponible en Baterías sea 0,7 de su
nominal).
A fin de tener referencias de estos
valores se sugiere:
Baterías
tubulares de alta calidad 0,6
Baterías
SLI de tipo Solar 0,4
Baterías
SLI de tipo automotriz 0,2
Rendimiento de carga: dato del
fabricante en su defecto se sugiere 0,92
Curva de vida útil: dato del
fabricante y relevante en la estimación de la vida esperada de la batería en
ausencia de accidentes de cortocicuito o descargas totales o exposición a la
intemperie.
De no conocerse este dato se
sugiere:
Baterías tubulares de alta calidad 0,5/600 0,3/1800
Baterías
SLI de tipo Solar 0,5/200 0,3/1000
Baterías
SLI de tipo automotriz 0,5/100 0,3/300
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Parámetros
generales de la simulación.
Esta
pantalla le permite elegir la cantidad de años a simular a fin de lograr un
estadístico confiable en los resultados.
El valor
por defecto asumido es de 100 años.
El valor de
días de déficit permitidos tiene como objetivo el considerar un valor Standard
mínimo para aplicaciones domiciliarias.
Usar Modelo
CEGH Solar. Si se marca esta casilla, la síntesis de la radiación global diaria
se realiza usando un modelo de Correlación en Espacio Gaussiano con conservación
de Histograma.
Si no se
marca esta casilla, la radiación global diaria se genera a partir de un anillo
con valores de 8 años de datos. Se sortea la posición en el anillo, y se copian
tres valores consecutivos, luego se vuelve a sortear. Esta representación fue
la inicial (anterior junio 2007), antes de disponer del modelo CEGH y se deja
en el programa para poder verificar diseños realizados anteriormente.
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La pantalla de
salida. Resultados
Una vez que se ejecuta el programa los
resultados aparecen en la siguiente pantalla:
El programa realiza para un número de años dados, simulaciones horarias de balance de energía generada por el número de paneles dado, energía consumida horaria por las cargas también dadas y energía acumulada/entregada por la batería de acumulación en la que resulta dada su capacidad C20.
Si la energía generada en el día menos la demandada en ese día provoca la descarga de la batería hasta un nivel dado determina el déficit de ese día como la energía que no pudo ser abastecida.
Si la energía generada en el día menos la demandada en ese día provoca la desconexión de la batería por estar completamente carga, determina el exceso de ese día como la energía que no pudo ser almacenada.
Ejecutado el programa determina los siguientes resultados para el Sistema y perfil de cargas dado:
Valor esperado de energía de Déficit anual del sistema expresado en días de energía diaria media anual demandada.
Valor máximo de energía de Déficit anual del sistema expresado en días de energía diaria media anual demandada con una confianza matemática del 90% en la serie de años utilizada.
Valor esperado de energía de Exceso anual del sistema expresado en días de energía diaria media anual demandada.
Valor mínimo de energía de Exceso anual del sistema expresado en días de energía diaria media anual demandada con una confianza matemática del 90% en la serie de años utilizada
Esperanza de vida de la Batería de acumuladores para la curva de ciclado dada.
El criterio de selección del diseño, si bien el usuario puede modificar, se determina por el valor máximo de Déficit con confianza del 90% sugiriéndose un valor Standard de 10 días.
De superar el valor de Déficit deseado se deberá aumentar el número de paneles o la capacidad de Baterías o ambos a la vez y correr nuevamente la serie, procediendo por aproximaciones hasta alcanzar el valor esperado de Déficit.
Por el contrario de resultar el valor de Déficit inferior al deseado se deberá realizar nuevas corridas disminuyendo el número de paneles o la capacidad del Baterías o ambos a la vez hasta alcanzar el valor esperado de Déficit.
Se observa que la vida esperada de las Baterías de acumulación determinadas solo tienen en cuenta la que resulta de la curva de vida por ciclado dada de las mismas.
En consecuencia no se han considerado accidentes de cortocicuito o de descargas totales así como tampoco la exposición de la Batería a la intemperie.
En estas condiciones, se sugiere limitar la vida útil de las Baterías a los siguientes valores si el resultado resulta superior en:
Baterías tubulares de alta calidad 12 años
Baterías SLI tipo “Solares” 8 años
Baterías SLI tipo “automotriz” 3 años.
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Créditos
Esta versión de SimSolar se basa en los desarrollos realizados en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República Oriental del Uruguay desde el año 1992 hasta la fecha.
Esta versión es una puesta al día de las herramientas desarrolladas y fue realizada por los ingenieros Ruben Chaer (rch@todo.com.uy) y Raúl Zeballos (rzeballos@fing.edu.uy).
El modelo de factores de ubicación geográfica y de generación sintética de series de radiación solar fue desarrollado por los ingenieros Ruben Chaer y Raúl Zeballos.
El modelo de transformación de la radiación a plano inclinado fue desarrollado por un equipo de especialistas del Instituto de Física entre los que destacamos al profesor Duomarco y al Ing. Eduardo Planchón.
El modelo de batería, teniendo en cuenta su degradación por el ciclado fue desarrollado por el Ing. Gonzalo Casaravilla en su primera versión y modificado en parte por el Ing. Ruben Chaer para esta implementación.