Este artículo se ha seleccionado del atlas de guías de diseño de sistemas fotovoltaicos para edificios. Incluye la clasificación y los parámetros de los módulos fotovoltaicos, el cálculo de la potencia real de los paneles solares, el cálculo de la potencia instalada por unidad de superficie, el cálculo de la generación de energía fotovoltaica, el cálculo del espaciado de los paneles fotovoltaicos y la demostración de un caso práctico.
Clasificación de los módulos fotovoltaicos
1-1. Los módulos fotovoltaicos se dividen en módulos fotovoltaicos de silicio cristalino y módulos fotovoltaicos de película fina según el tipo de célula solar.
1-2. Los módulos fotovoltaicos se pueden clasificar en flexibles y no flexibles según su apariencia. Los módulos flexibles se pueden doblar y deformar libremente, y los paneles de los módulos no flexibles generalmente utilizan vidrio fotovoltaico.
1-3. Los módulos fotovoltaicos flexibles son resistentes y generalmente soportan una flexión superior a 30°. Al utilizarlos en techos inclinados, se ajustan mejor al techo. Si se utilizan módulos flexibles, no deben colocarse directamente sobre el techo.
2. Composición de los módulos fotovoltaicos
2-1. Los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino se componen principalmente de celdas de batería, tiras de interconexión, barras colectoras, vidrio, película adhesiva, placa base, marco de aleación de aluminio, silicona y caja de conexiones. Como se muestra en la Figura 2-1:
2-2. Los módulos fotovoltaicos de película delgada son estructuras de película multicapa, compuestas principalmente de vidrio templado, capa conductora transparente, capa de ventana (capa semiconductora de tipo N), capa amortiguadora, capa de absorción (capa semiconductora de tipo P), electrodo de placa base y vidrio. Como se muestra en la Figura:
3. Parámetros principales de los módulos fotovoltaicos y cálculo de la serie fotovoltaica
3-1. Los parámetros principales del módulo fotovoltaico son: peso, tamaño, potencia máxima (P₁), coeficiente de temperatura de la tensión de apertura (K), coeficiente de temperatura de la tensión de funcionamiento (K), corriente óptima de funcionamiento (I₁), corriente de cortocircuito (I), temperatura mínima de funcionamiento (℃), temperatura máxima de funcionamiento (℃), tensión de apertura (V), tensión óptima de funcionamiento (V₁), carga estática máxima superficial positiva, carga estática máxima trasera, etc.
3-2. La potencia máxima del panel solar se refiere a la potencia de funcionamiento en condiciones de prueba estándar (STC). La capacidad instalada del lado de CC del proyecto es la capacidad instalada total basada en la potencia máxima del módulo fotovoltaico. Por ejemplo, en el proyecto fotovoltaico distribuido de 5,9 MWp en el tejado de una central en Pekín, la capacidad instalada de 5,9 MWp se calcula a partir de la potencia máxima del módulo fotovoltaico.
3-3. El peso y el tamaño son los parámetros principales para calcular el número de módulos fotovoltaicos instalados en la azotea del edificio. Otro parámetro importante es la capacidad de carga de la azotea. El diseño del sistema fotovoltaico para la azotea del edificio debe calcular primero la carga de la azotea para garantizar su uso normal.
3-4. Los parámetros principales para calcular el número de serie de la cadena de módulos fotovoltaicos son: el coeficiente de temperatura de la tensión de apertura, el coeficiente de temperatura de la tensión de operación, las condiciones de operación a baja temperatura y a alta temperatura, la tensión de apertura, la tensión de operación y los parámetros relacionados con el inversor. La fórmula de cálculo es la siguiente.
Kv: Coeficiente de temperatura de la tensión de circuito abierto del panel solar.
K'v: Coeficiente de temperatura de la tensión de funcionamiento del panel solar.
N: Número de series del panel solar.
t: Límite de temperatura mínima (°C) en condiciones de funcionamiento del panel solar.
t': Límite de temperatura máxima (°C) en condiciones de funcionamiento del panel solar.
Vdcmax: Voltaje máximo de entrada de CC permitido por un inversor (V).
Vmpptmax: Voltaje máximo de MPPT del inversor (V).
Vmpptmin: Voltaje mínimo de MPPT del inversor (V).
Voc: Voltaje de circuito abierto del panel solar (V).
Vpm: Voltaje de funcionamiento del panel solar (V).
4. Potencia real del panel solar
4-1. Los parámetros proporcionados por el fabricante de la energía solar corresponden a las condiciones de prueba estándar de STC, es decir, con una radiación solar de 1000 W/m². La temperatura de la batería es de 25 °C y los parámetros eléctricos son AM1.5G espectrales.
4-2. En el proyecto, la potencia real del panel solar está relacionada con la temperatura de trabajo, la intensidad de la radiación solar y otros parámetros. Para un cálculo sencillo, la potencia real de los paneles solares se calcula de la siguiente manera:
Im = Corriente óptima de funcionamiento;
Vm = Tensión óptima de funcionamiento;
Sref = Intensidad de radiación en condiciones de prueba estándar de STC;
△T,△S = Diferencia entre la temperatura y la intensidad de radiación a intensidad estándar;
P = Potencia real;
S = Intensidad de radiación real
a = 0,0025 °C; b = 0,0005 m/W; c = 0,00288 °C;
Observe la influencia de la intensidad de la radiación solar, suponiendo que la temperatura es constante, sin considerar su influencia, y deduzca la siguiente fórmula a partir de la fórmula anterior:
Sustituyendo los datos en la fórmula (4), se obtiene la siguiente fórmula:
P = 0,001 × lm × Vm × S × ln (2,21828 + 0,0005 S)
Determine el panel solar. Im y Vm son valores fijos, y su producto es la potencia estándar en condiciones de prueba estándar, que se considera la constante K. La fórmula anterior se puede interpretar como:
P = K × S × In (2,21828 + 0,0005 S) K = 0,001 × Pref (5)
P = Potencia real;
Pref = Potencia nominal en condiciones de prueba estándar STC;
S = Intensidad de radiación real;
Para diferentes valores de K, la condición de radiación es de 200 W/m² a 800 W/m². La relación funcional de la fórmula (5) se muestra en la Figura 4-1. Sin considerar la influencia de la temperatura, la potencia real del panel solar es básicamente lineal con la intensidad de la radiación, cuanto mayor sea el efecto de la radiación.
5. Cálculo de la potencia instalada por unidad de área
5-1. El método de instalación de los módulos fotovoltaicos se ve afectado principalmente por el entorno y las condiciones estructurales del edificio del proyecto.
5-2. La potencia instalada por unidad de área se determina por el método de instalación de los componentes, las normas contables y otros factores.
5-2-1. Cálculo según el área del módulo
Con base en el área del módulo, el área de instalación unitaria de los diferentes módulos de potencia es igual al módulo dividido por el área del módulo. La fórmula de cálculo (6) es la siguiente:
Pe = Paz/(DxLxcosβ) (6)
Pe = Potencia instalada por unidad de área;
Paz = Capacidad de instalación fotovoltaica;
L = Longitud de la superficie inclinada del campo fotovoltaico;
W = Ancho del módulo;
β = Ángulo de inclinación del campo fotovoltaico;
5-2-2. Cálculo basado en la superficie del proyecto
En el proyecto de instalación de paneles fotovoltaicos, se adopta un método de instalación con un ángulo de inclinación fijo y se mantiene una cierta distancia entre ellos, lo que aumenta la superficie del proyecto y evita la oclusión por sombras. La fórmula de cálculo es la siguiente:
Pe = Paz/S (7)
Pe = Potencia instalada por unidad de superficie
Paz = Capacidad instalada de módulos fotovoltaicos
S = Superficie total de la obra
Ejemplo de cálculo 1: Un proyecto fotovoltaico de 10,8 kWp para tejados en Pekín cuenta con un total de 20 módulos de 540 Wp, dispuestos en una sola fila con dos columnas. Cada columna del conjunto está compuesta por 10 módulos fotovoltaicos con un ángulo de inclinación de 33°. La cubierta del proyecto es de hormigón armado y está orientada al sur. La distancia desde el punto más bajo del panel solar hasta el suelo es de 0,3 m, el parapeto es de 2 m, la distancia del parapeto al panel solar sur es de 5,5 m y la distancia del parapeto al panel solar norte es de 1 m. El ancho del campo fotovoltaico es de 11,52 m y cuenta con canales de mantenimiento de 1 m de ancho a ambos lados.
Superficie del proyecto: S = 13,82 x 13,52 = 186,85 m². Potencia instalada por unidad de superficie: Pe = 10,8/186,85 = 57,80 W/m².
6. Ejemplo de cálculo de la generación de energía de una central fotovoltaica
6-1 La fórmula de cálculo de la generación de energía fotovoltaica es la siguiente:
Ep = Ha*(Paz/Es)*K (8)
Ep = Generación conectada a la red (kWh);
Ha = Radiación solar horizontal total (kW·h/m²);
Paz = Capacidad instalada del módulo (kWp);
Es = Radiación en condiciones estándar (constante = 1 kWh/m²);
K = Coeficiente de eficiencia integral. El factor de eficiencia integral K incluye: factor de corrección por tipo de panel solar, inclinación del campo fotovoltaico, factor de corrección de azimut, disponibilidad del sistema de generación de energía fotovoltaica, tasa de utilización de luz, eficiencia del inversor, pérdidas en la línea del colector, pérdidas del transformador elevador, factor de corrección por contaminación superficial del panel solar y factor de corrección de la eficiencia de conversión del módulo fotovoltaico.
Ejemplo de cálculo 2:
Un proyecto de sistema fotovoltaico para tejados en Pekín, con una capacidad instalada total de PAZ (campo fotovoltaico de 2,8 MWp) se instala horizontalmente. La radiación solar media (Ha) monitorizada por la estación meteorológica cercana al proyecto durante los últimos 20 años es de 1456,94 kWh/m², y la eficiencia integral K (eficiencia PR) del proyecto es de 0,861. Los datos se introducen en la fórmula (8). La generación de energía del proyecto E, cuyo resultado es:
Ep = 1456,94 x 2800 / (1 x 0,861) = 3512390,95 kWh
6-2. Para calcular la generación de energía, los datos de radiación solar total se basarán en los proporcionados por la estación meteorológica cercana a la ubicación del proyecto. Si el sistema fotovoltaico se instala con un ángulo de inclinación fijo, se utiliza la cantidad total de radiación solar correspondiente al plano inclinado para diferentes ángulos de inclinación, o bien se utiliza el método del coeficiente de corrección del plano inclinado, cuyo coeficiente de corrección en Pekín es de 1,0976.
7. Espaciamiento del panel fotovoltaico
7-1. En el diseño de un sistema fotovoltaico, es necesario calcular el espaciamiento del panel fotovoltaico. El panel fotovoltaico queda bloqueado por la sombra, lo que reduce su eficiencia de conversión y afecta el funcionamiento normal del sistema.
7-2. El espaciamiento entre las filas y columnas del panel fotovoltaico debe garantizar que no se aíslen entre sí antes, después, a la izquierda ni a la derecha, de 9:00 a 15:00 h durante todo el año.
7-3. Durante el período de 9:00 a 15:00 h del solsticio de invierno, el espaciamiento sin apantallamiento del panel fotovoltaico se calcula de la siguiente manera:
D: Distancia mínima que el módulo fotovoltaico no debe ser oscurecido por obstáculos ni por la sombra del módulo fotovoltaico en la primera fila.
L: Longitud de la superficie inclinada del panel fotovoltaico.
β: Ángulo de inclinación del panel fotovoltaico.
Ψ: Latitud local.
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