Cómo diseñar una estación de energía fotovoltaica (Solar)? Una guía paso a paso para diseñar un sistema fotovoltaico 2025-07-14
¿Cómo diseñar una estación de energía fotovoltaica(Solar)? Una guía paso a paso para diseñar un sistema fotovoltaico
La generación de energía fotovoltaica (PV) se refiere específicamente a un sistema de generación de energía que utiliza módulos PV para convertir directamente la energía solar en electricidad.
Es un método nuevo y prometedor para la generación de energía y la utilización integral de la energía. Propone los principios de generar electricidad localmente, conectarse a la red localmente y convertir energía localmente. Este enfoque no sólo aumenta eficazmente la capacidad de generación de energía de las centrales eléctricas PV de la misma escala, sino que también resuelve el problema de la pérdida de energía durante el impulso de tensión y la transmisión de larga distancia.
Un sistema de generación de energía PV consiste en módulos, estructuras de montaje, inversores, materiales auxiliares y construcción. Entre ellos, los módulos representan la mayoría del costo, mientras que las estructuras de montaje representan una porción más pequeña, como se muestra en la figura siguiente.
Poder de producción relativamente pequeño
Generalmente, la capacidad de un proyecto de generación de energía PV distribuido está dentro de unos pocos kilovatios.
A diferencia de las centrales eléctricas centralizadas, el tamaño de una central eléctrica PV tiene poco impacto en su eficiencia de generación de energía, y por lo tanto poco efecto en su viabilidad económica. El rendimiento de la inversión para los sistemas de VPP en pequeña escala no es necesariamente inferior al de los sistemas a gran escala.
Low Pollution and Significant Environmental Benefits
Los proyectos de generación de energía PV distribuidos no producen ruido durante la operación y no causan contaminación del aire o del agua.
Puede aliviar parcialmente las deficiencias del poder local
Sin embargo, la densidad energética de la generación de energía PV distribuida es relativamente baja, con una potencia de sólo unos 100 vatios por metro cuadrado. Además, el área limitada de techo adecuado para instalar módulos PV significa que no puede resolver fundamentalmente la escasez de energía.
** Generación y Consumo de Energía simultánea**
Las centrales terrestres de gran escala generan electricidad conectando a la red de transmisión después del aumento de tensión, operando únicamente como instalaciones de generación de energía. En cambio, la generación de energía PV distribuida se conecta a la red de distribución, permitiendo la generación de energía y el consumo simultáneos, con énfasis en el consumo local.
*3 Principios de diseño
Introducción
El uso de sistemas fotovoltaicos distribuidos es un medio eficaz para lograr la conservación de la energía y la reducción de las emisiones. Con el desarrollo continuo de la tecnología, los sistemas fotovoltaicos distribuidos se han vuelto cada vez más maduros. Normas y especificaciones técnicas relevantes, tales como GB/T 19939-2005 "Requisitos técnicos para la conexión a la red de sistemas de generación de energía fotovoltaica" y GB/T 29319-2012 "Requisitos técnicos para inversores de sistemas de generación de energía fotovoltaica con tecnología a presión", proporcionan apoyo técnico para el diseño, instalación y funcionamiento de sistemas fotovoltaicos distribuidos.
Safety
El diseño de sistemas fotovoltaicos distribuidos debe cumplir con las normas nacionales pertinentes y los reglamentos industriales para garantizar la seguridad del sistema. La protección de rayos y el diseño de tierra son aspectos cruciales para prevenir daños al equipo y garantizar la seguridad del personal. El diseño del sistema también debe considerar factores ambientales y seguridad operacional para minimizar los riesgos.
** Beneficios económicos**
Los beneficios económicos de los sistemas fotovoltaicos distribuidos son importantes. Mediante la utilización de techos o espacios abiertos para la generación de energía, reduce la dependencia de fuentes de energía tradicionales, reduce los costos de electricidad y proporciona un rendimiento estable en la inversión.
** Impacto ambiental**
La generación de energía fotovoltaica distribuida tiene un impacto ambiental mínimo. Ayuda a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación del aire, contribuyendo al desarrollo sostenible y la protección del medio ambiente.
** Ejemplos de aplicación**
En los últimos años, los sistemas fotovoltaicos distribuidos se han aplicado ampliamente en entornos residenciales, comerciales e industriales en diversas regiones. Estudios de casos exitosos demuestran su viabilidad y eficacia, proporcionando valiosa experiencia para futuros proyectos.
** Panorama general del proyecto**
Este proyecto utiliza aproximadamente 30 m2 de superficie de techo efectiva, que comprende 12 piezas de 260Wp módulos PV. La estructura de montaje está hecha de aleación de aluminio con una vida útil de 30 años. La capacidad total instalada es de 3.12KWp para un sistema de generación de energía PV distribuido en la azotea.
El sistema utiliza un inversor PV de 3KW Omnik para convertir la potencia DC en 220V AC, que luego se conecta a la línea 220V que conduce a la caja de distribución interior existente del propietario. Desde allí se conecta a la red de distribución de baja tensión del propietario a través de una línea 220V, permitiendo la entrega de energía a la red municipal.
** Ubicación del proyecto**
El proyecto se encuentra en el condado de Hong'an, al noreste de la provincia de Hubei, en las laderas sur de las montañas Dabie. Limita a Macheng al este, Dawu al oeste, Huangpi (Wuhan) al sur, y Xinyang (Henan) al norte. El condado está a 80 km de la capital provincial, Wuhan.
El período medio libre de heladas es de 236,4 días por año. La precipitación media anual es de 1.116,2 mm, con precipitaciones estivales que representan la mitad del total. La nevada media anual es de 8,3 días, la humedad relativa media es de 77%, y la velocidad media del viento es de 3 en la escala de Beaufort. La duración media anual del sol es de 1.998.8 horas, lo que representa el 45% de las posibles horas de sol. El área se clasifica como una región de recursos solares Clase III.
PV (panel solar)** Selección de módulos**
Este proyecto utiliza 260P-60 módulos de células solares de silicio policristalina con una potencia nominal de 260Wp.
Selección de Inversor con Agarre de PVC
Dado que el proyecto implica un sistema residencial distribuido con un voltaje de conexión de red de AC220V, se selecciona un inversor PV monofásico.
Site Selection
Para sistemas de generación de energía PV distribuidos en viviendas y hogares, el sitio es elegido típicamente en tejados o terreno abierto. Por lo tanto, las condiciones naturales a gran escala (radiación solar, ubicación geográfica, transporte, fuentes de agua) y las condiciones de conexión de red (distancia al punto de conexión, espaciamiento de puntos de conexión, etc.) no se consideran aquí.
Los factores ambientales afectan más directamente la selección del sitio para sistemas de generación de energía PV distribuidos en viviendas y hogares. Las principales consideraciones son:
A. Presencia de obstáculos de afeitación (tanto a corto plazo como a largo plazo) B. Presencia de daño salado o contaminación C. Nieve de invierno, hielo, relámpagos y otros peligros
Para este proyecto, la instalación está en la azotea del propietario, sin edificios altos cercanos, por lo que no se requiere análisis de sombras durante el diseño.
Optimal Tilt Angle and Orientation for PV Arrays
Para maximizar el rendimiento del proyecto y simplificar la instalación asegurando un atractivo estético, el análisis profesional del software de simulación PV indica que el ángulo de inclinación solar óptimo para esta ubicación es de 26 grados, orientado hacia el sur.
Esto asegura que la generación de energía del sistema se maximice durante el ciclo anual.
Considerando factores como la fuerza de la estructura de montaje PV, el costo del sistema y la utilización de la zona del techo, el ángulo de inclinación se ajusta para reducir la exposición al viento, aumentar la fuerza estructural, reducir los costos y mejorar la utilización del espacio, sin reducir significativamente la generación de energía (no más del 1%).
El análisis sugiere un ángulo de inclinación recomendado de aproximadamente 17 grados (alineado con la pendiente orientada al sur del techo).
Optimal Spacing Between PV Arrays
Para lograr la mejor generación de energía anual y maximizar la utilización del techo, el espaciamiento entre los arrays PV debe prevenir la afeitación mutua entre las 9:00 AM y las 3:00 PM en el solsticio de invierno (22 de diciembre o 23). Este espaciado se considera óptimo.
La simulación de software PV profesional muestra que con un ángulo de inclinación de 17 grados y un espaciado mínimo de 5 metros entre los puntos más bajos de los arrays adyacentes, la afeitación mutua se evita efectivamente durante el tiempo especificado en el solsticio de invierno.
** Diseño de serie y paralelo para los rayos PV**
En sistemas de generación de energía PV distribuidos, los módulos de célula solar están conectados en serie para formar cadenas. Las conexiones de serie aumentan el voltaje DC del sistema para que coincida con el rango de tensión de entrada del inversor, asegurando que el sistema opera dentro de los límites del inversor bajo diferentes condiciones de radiación solar y temperatura.
Para este proyecto, el voltaje máximo DC del inversor (tensión máxima de circuito abierto) es 550V, con un rango máximo de seguimiento de puntos de potencia (MPPT) de 70-550V y un canal MPPT por conexión paralela.
Utilizando 12 piezas de 260W módulos de células solares de silicio policrístallina, cada uno con un voltaje de funcionamiento nominal de 31.2V y un voltaje de circuito abierto de 38V, el diseño preliminar requiere 12 módulos en serie.
En condiciones de prueba estándar (25±2°C, 1.000 W/m2 solar irradiancia), el voltaje de funcionamiento nominal de la cadena de 12 módulos es de 374.4V, y el voltaje de circuito abierto es de 456V, tanto dentro del rango de entrada permitido del inversor, asegurando una operación normal.
En condiciones variables:
A una temperatura extrema baja de -10°C, el voltaje máximo de punto de potencia es 12 × 31.2 × (0.35% × 35 + 1) = 420.3V, cumpliendo con el requisito máximo de voltaje de entrada MPPT 550V.
A una alta temperatura extrema de 42°C, el voltaje operativo es 12 × 31.2 × (-0.35% × 17 + 1) = 352.1V, cumpliendo con el requisito mínimo de tensión de entrada MPPT de 70V.
Contabilidad para una pérdida de voltaje del sistema del 2%, el diseño satisface plenamente los requisitos operacionales.
Después de la verificación, el número de módulos en serie se confirma como 12.
Diseño electrónico del sistema
Basado en la selección de módulos PV, selección de inversor y diseño de serie-paralela, el sistema eléctrico para este proyecto de generación de energía PV está diseñado de acuerdo con los requisitos de conexión de baja tensión del propietario.
Protección de control y diseño de tierra
Los componentes básicos de un sistema de generación de energía PV conectado con cuadrícula incluyen: la matriz de células solares, caja de combinación PV, transformador de caja, e inversor.
La estructura de montaje para la matriz de células solares está hecha de metal y ocupa un gran espacio, normalmente instalado en áreas abiertas. Durante las tormentas, es particularmente vulnerable a las huelgas de relámpago. Habida cuenta del alto costo de los módulos e inversores de la PV, es esencial una protección eficaz de relámpagos y aumentos para evitar pérdidas económicas.
Las principales medidas de protección del rayo para las centrales eléctricas PV conectadas a la red incluyen:
Dispositivos de protección de rayos externos como barras de relámpago, tiras y redes para reducir los efectos electromagnéticos de las corrientes de relámpagos que entran en edificios y protegen las estructuras.
Los equipos PV y los sistemas de construcción están interconectados con acero galvanizado, con tratamiento anticorrosión en los puntos de soldadura. Esto reduce la resistencia total a la tierra y crea una superficie de equipo, minimizando las sobretensiones causadas por el rayo.
Los electrodos de tierra horizontal están enterrados por lo menos 0,5 metros de profundidad (bajo la línea de helada) y conectados en un patrón de red usando pinzas cruzadas. Las conexiones subterráneas deben estar envueltas con cinta resistente a la corrosión.
Para este proyecto, el diseño de protección de relámpagos incluye protección externa (derribando conductores) y protección interna (protección de cirugía).
Lightning Protection Design Descripción:
Protección externa: Los componentes metálicos de la matriz PV (estructura de montaje, marcos de módulos, etc.) están conectados a la banda de protección de relámpagos existente en la azotea utilizando electrodos horizontales.
Protección interna: Un protector de onda Clase II se instala entre los alambres neutros, vivos y terrestres en la salida de AC del inversor de cuerda. El terminal de tierra del protector de oleaje está conectado a la red de tierra (existiendo o recién instalado) a través de electrodos de tierra horizontal.
*6 Análisis de los ingresos
Referencias clave:
Métodos y parámetros para la evaluación económica de los proyectos de construcción (Tercera edición) (publicados por la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y el Ministerio de Construcción en julio de 2006), Nota del Consejo de Estado sobre la aplicación de un sistema de capital para proyectos de inversión en activos fijos y otras políticas nacionales pertinentes.
Políticas de la provincia de Hubei.
Tasas nacionales de interés por préstamos corrientes, reglamentos fiscales y disposiciones conexas.
Evaluación financiera
La inversión estática total para este proyecto es de ¥28.100, con una vida de proyecto de 20 años (1 mes de construcción y 20 años de funcionamiento). La relación de capital es del 100%, con el primer año como el año base. El período de depreciación es de 20 años, con una tasa de valor residual del 5%.
Otros parámetros financieros se basan en normas nacionales o estándares industriales.
** Principales indicadores económicos y técnicos**
No.
Tema
Dependencia
Valor
1
Capacidad total instalada
kWp
3.12
2
20 años de generación de energía acumulativa
kWh
63.690
3
Generación media anual de energía
kWh
2,81
4
Potencia máxima
kW
-
5
Horas de utilización media anual
h
4.7
6
Promedio de suministro anual de energía por unidad
kWh/m2
1.69
7
20 años Promedio de alimentación anual
kWh
6.39
8
Horas de carga completas equivalentes
h/kWh
0,42 (20 años)
9
Costo medio de electricidad por kWh
¥/kWh
0,25 (5 años)
10
Inversión inicial por capacidad de dependencia
¥/kWh
0,567
11
Promedio anual Margin
%
3.58
12
Tasa interna de retorno
%
6.37
Nota: Para la pequeña generación de energía distribuida residencial, el estado exime el impuesto de valor añadido (IVA).
Este proyecto tiene una capacidad total instalada de 3.12KWp, con una generación de potencia acumulativa de 63.690 kWh durante 20 años. Funciona en un modo "autoconsumo con exceso de energía alimentada a la red", con una tasa de autoconsumo del 70%. La tasa interna de retorno (IRR) sobre la equidad es del 6,37%, y el período de devolución es de 7,76 años.
Después de la terminación, la central eléctrica PV de 3.12KW generará un promedio de 3,123 kWh al año (calculado durante 25 años). Basado en un consumo teórico de carbón de 350g de carbón estándar por kWh para la generación de energía térmica, los beneficios de ahorro de energía y reducción de emisiones son los siguientes:
Cuadro: Indicadores de evaluación del impacto ambiental
Indicador
Unit
Unit Conversion
Standard Coal Equivalent (tce)
** Factor de emisión (25 t/año)**
Emisiones de Dióxido de Liberación (2007)
kgce/kWh
0,355
tce
1.09
27.33
Sistema fotovoltaico distribuido
kg/kWh
1
t
3.12
78.08
Sistema fotovoltaico distribuido
g/kWh
3.35
t
0,01
0,266
Reducción de CO2
g/kWh
859.845
t
2.69
67.13
** Reducción de OS2**
g/kWh
8.03
t
0,03
0.63
Notas:
"kgce/kWh" se traduce como "kgce por kWh" (kg de carbón estándar equivalente por kilovatio-hora).
"Tce" significa "ton of coal equivalent".
Los valores se traducen según lo previsto, con "t" representando toneladas métricas y "g/kWh" como gramos por kilovatio-hora.
La estructura y las unidades de mesa se conservan para la claridad y la consistencia.
La inversión total para el proyecto de alivio de la pobreza PV de 3,12 KW es de 28,100 dólares, con una generación de energía anual de aproximadamente 3,184 kWh y un ingreso anual de unos 3,200 yenes.
Por lo tanto, los sistemas de VPP de los hogares distribuidos no sólo ofrecen rendimientos estables de inversión y excelentes efectos de ahorro de energía y reducción de las emisiones, sino que también abordan eficazmente las cuestiones de ingresos para las poblaciones de bajos ingresos, logrando un alivio específico de la pobreza.
Acaso:Sudeste de Asia toma múltiples medidas para desarrollar la industria fotovoltaica
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Sala A612, Ciudad Económica Changhe, Parque Científico de Nangang, Intersección de Dabieshan Road Y Tianlong Road, Zona de alta tecnología
