How does a photovoltaic system work?

The photovoltaic panel consists of a set of silicon cells capable of producing electricity from the sunlight that hits them.

In the following figure we can see how is constituted a photovoltaic panel:

Image: https://www.fazland.com

Aluminum Frame
Sealant Tempered
Glass
Eva
Solar cells connected in series / parallel
Tedlar Backing (Vinyl Polifluoride)

In a cut view the panel would look like this:

Image: https://www.ujaen.es

When the solar rays affect the Silicon crystals they are transformed into electricity, the electricity produced is of the type "Continuous", (DC) that is similar to that produced by common batteries. In order to be able to use this energy in a house we must first transform it into "Alternating Current" (AC). To do this we use an apparatus commonly called "Inverter". This Inverter is in charge of making that change and supplying us with the AC electricity that we need.

In a simple connection scheme such as the one shown here, we can observe this process and the path that follow the electric current from the solar panel to its use in the house.

Image: http://eliseosebastian.com

Photovoltaic panel
Inverter (if Micro inverters are used these are placed under each panel)
Fuse Box
Bidirectional Mete
Public Electrical Line

You will notice that the inverter is not only connected to the electrical line of the house, but also to the light meter of the Electrical Company. This is because the system, in addition to providing electric power for self-consumption, also supplies the Electrical company with the surplus that we do not use. During the day there are usually few electrical appliances working at home, so the surplus energy is delivered to the Company, while at night, when we make more use of electricity, it is the Company Network that provides it to us. This give and receive electrical energy is recorded in Watts through the "bidirectional" meter, specially designed for this purpose. Thus, when we receive the bill every month or every two months as the case may be, we can see how many Watts were supplied to us from the Company and how many we delivered to the Company.

When the electricity we deliver is greater than the one we received, the excess is recorded on the bill and this surplus will be discounted as we will need in later periods. (Maybe in other Countries this may be different) In this way we can have a photovoltaic installation that allows us to match the amount of electricity we deliver with the electricity we receive and thus our light bill could be in $ 0.00 or near that.

There are systems called "Backup" which, in addition to the elements described above, have a battery bank and in case of a power outage, this system has a switch that automatically disconnects the electrical installation from the Public Network and then provides us with electricity through the batteries and / or panels.

TROJAN BATTERY BACKUP SYSTEM IN A GREAT INSTALLATION

How can we determine how many panels to install?

As solar panels are classified according to their power in WATTS (Watts produced in an hour of maximum solar radiation at 1000W / m2 and 25ºC) it is very easy to determine how many of these panels we may need. If we observe, generally our bulbs indicate how many Watts they consume (lights of 30W, of 60W, etc.) also the electrical appliance like the refrigerator, washing machine, microwave, television, etc. These Watts indicated on the labels refer to Watts / Hour, i.e. a 30W bulb will consume 30 watts in an hour to stay on. In the same way the other appliances. So, it is very easy to use a small table like the one shown below to calculate our electricity consumption:

* THE WATTS OF THE APPLIANCES AS WELL AS THE HOURS OF USE REPORTED IN THE PREVIOUS TABLE SHOULD BE CONSIDERED AS APPROXIMATE DATA, YOU SHOULD CONSIDER THE WATTS REALLY INSTALLED IN YOUR HOUSE AS WELL AS THE HOURS OF DAILY USE.

The data used to calculate the number of panels to be installed is the average daily load in AC. This is the sum of Watts / hour of each device we use in a day. In the example we have 11.002 Watts / hr. The photovoltaic panels have different powers, but taking the most generalized 250W / h we can do the following calculation.

This panel will generate 250W / h when there is maximum solar radiation (at 1000W / m2 and 25ºC), this is in the hot months and on clear cloud days. We need to make the observation that, in Winter, in the coldest months, although there were very clear days and with much Sun light, as the Sun is farther from the Earth than in the warm months the power of its radiation is smaller. As the panel starts to generate electricity as soon as the first rays of the sun reach the panels and coninuing generating until the end of the night, and as the watts the panel produces in the first hours is less than in the half-day hours, we need to use a table containing the average daily values and that serves us as a guide for the calculation we need to perform.

For our example, we can say that the average solar radiation in kWh / M2 / day for Guanajuato (México) zone according to the NASA charts, has been about 5.79 Hours at maximum power. (Latitude 21.093 / Longitude -100.385 https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?&num=080112&lat=21.093&hgt=100&submit=Submit&veg=17&sitelev=&email=&p=grid_id&step=2&lon=-100.385)

So the installation required to produce an annualized daily average of 11,002 kW / h (11,002 W) as in the previous example is:

• Consider a 0.83 as a system efficiency factor

In this way we can fairly accurately dimension the number of panels that we must install according to how much we want to generate. In the example we should install at least 9 panels (better 10) and a single current inverter of 2Kw or 2.5 KW, or, if in principle we do not want to acquire all of them, we could then install the photovoltaic system with micro-inverters. In this way we can gradually add a greater number of panels each time to increase the installed capacity until reaching the desired value

NOTES:

For refrigerators consider only 8 hrs. of operation, since it is the average hours in which it actually has a current draw.
It is possible that when checking the labels of electrical appliances find that instead of indicating Watts you found indicate "Amperes", if this is the case, all you have to do is multiply the amperes indicated on the label by the Voltage present at your home. If you do not have a voltmeter to corroborate this data, you can consider 110V as value and you will get the watts of your appliance. (Or 220V in Countries with that normal value) Example: the label marks 1.5 amperes, then we would multiply this number by 110V and we would get 165 Watts.

I hope my post has been useful and if you have any questions with pleasure we can analyze it.

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¿Cómo funciona un sistema fotovoltaico?

El panel fotovoltaico está formado por un conjunto de celdas de silicio capaces de producir electricidad a partir de la luz solar que incide sobre ellos.

En la siguiente figura podemos apreciar cómo está constituido un panel fotovoltaico:

Imagen: https://www.fazland.com

Marco de Aluminio
Sellador
Vidrio Templado
Eva
Celdas solares unidas en serie / paralelo
Respaldo Tedlar (Polifluoruro de Vinilo)

En una vista de corte el panel se vería así:

Imagen: https://www.ujaen.es

Los rayos solares al incidir sobre los cristales de Silicio se transforman en electricidad, esta electricidad es del tipo “Continuo”, es decir similar al que producen las baterías eléctricas y pilas comunes. Para poder utilizar esta energía en una casa o comercio debemos primero transformarla en “Corriente Alterna” (CA) para eso nos servimos de un aparato llamado comúnmente “Inversor de Corriente”, éste se encarga de hacer precisamente dicho cambio y suministrar la CA que necesitamos.

En un esquema simple de conexión como el aquí mostrado podemos observar dicho proceso y el recorrido que hace la corriente eléctrica desde el panel solar hasta su utilización en la casa.

Imagen: http://eliseosebastian.com

Panel fotovoltaico
Inversor de Corriente (Los Microinversores se colocan debajo de cada panel)
Centro de Carga
Medidor de la Empresa Eléctrica (EE)
Línea de la Empresa Eléctrica (EE)

Notaremos que el inversor no sólo está conectado a la línea eléctrica de la casa, sino también al medidor de luz de la EE. Esto se debe a que el sistema, además de proporcionar energía eléctrica para autoconsumo, también suministra a la EE el excedente que no utilizamos. De día generalmente hay pocos aparatos eléctricos trabajando en casa, por lo que el excedente de energía se entrega a la EE, mientras que, de noche, cuando hacemos más uso de la electricidad es entonces la Red de la EE quien nos la provee. Este dar y recibir energía eléctrica se registra en Watts a través del medidor “bidireccional” especialmente diseñado para este fin. Así, al llegar nuestro recibo cada mes o cada bimestre según sea el caso, podemos constatar cuántos Watts nosotros suministramos a la EE y cuántos nos entregó ésta.

Cuando es mayor la electricidad que nosotros entregamos a la que la EE nos provee, el excedente se va registrando en el recibo de la EE y este excedente es abonando a nuestra cuenta y será descontada según la vayamos necesitando en periodos posteriores. De esta manera podemos tener una instalación fotovoltaica que nos permita igualar la cantidad de electricidad que nosotros entregamos con la electricidad que recibimos y así nuestro recibo de luz nos podría llegará tan sólo por una mínima cantidad. (Esto puede cambiar en cada país)

Es importante notar que, si se “va la luz”, si hay un corte de energía, el sistema fotovoltaico dejará de suministrar corriente. El inversor se apaga en ¡16 milisegundos! Esto se hace así para proteger a cualquier trabajador de la EE que estuviera trabajando en alguna reparación en el tendido de la red eléctrica ya que le estaría llegando a él la electricidad por nosotros generada.

Existen sistemas llamados de “Respaldo” que, además de los elementos antes descritos, tienen un banco de baterías y en caso de producirse un corte de energía se acciona en automático un switch que desconecta la instalación eléctrica de la casa de la red de EE y entonces nos provee de electricidad a través de las baterías y/o de los paneles.

Sistema de respaldo con baterías Trojan en una gran instalación

¿Cómo podemos determinar cuántos paneles debemos instalar?

Como los paneles solares se clasifican de acuerdo a su potencia en WATTS (Watts producidos en una hora de máxima radiación solar a 1000W/m2 y 25°C) es muy fácil determinar cuántos de estos paneles podemos necesitar.

Si observamos, generalmente nuestros focos indican cuántos Watts consumen (foco de 30W, de 60W, etc.) así mismo los aparatos eléctricos como el refrigerador, lavadora, horno de microondas, televisor, etc. Estos Watts indicados en las etiquetas se refieren a Watts/Hora, es decir un foco de 30W consumirá 30 watts en una hora de permanecer encendido. De la misma forma los demás aparatos.

Siendo así, es muy fácil valernos de una pequeña tabla como la que a continuación se muestra para calcular nuestro consumo eléctrico:

*Los Watts de los electrodomésticos así como las horas de uso reportados en la tabla anterior se deben considerar como datos aproximados, usted deberá considerar los watts realmente instalados en su casa así como las horas de uso diario.

El dato que nos sirve para calcular el número de paneles que debemos instalar es el de la carga diaria promedio en AC. Esta es la suma de los Watts/hora de cada aparato que utilizamos en un día. En el ejemplo son 11,002 Watts/hr.

Los paneles fotovoltaicos los hay de diferentes potencias, pero tomando los más generalizados de 250W/h podemos hacer el siguiente cálculo.

Un panel nos generará 250W/h cuando haya máxima radiación solar (a 1000W/m2 y 25°C), esto es en los meses cálidos y en días despejados de nubes. Hacemos la observación que, en los meses fríos, en invierno, aunque hubiera días muy despejados y con mucho Sol, al encontrarse éste más lejos de la Tierra que en los meses cálidos la potencia de su radiación es menor.

Como el panel empieza a generar electricidad tan pronto le llegan los primeros rayos solares hasta los últimos de la tarde noche y como los Watts que produce en las primeras horas es menor que en las horas de medio día, se ha elaborado una tabla que contiene los valores promedio diario y que nos sirve de guía para el cálculo que nos proponemos.

Podemos decir que en general la radiación solar promedio en kWh/M2/día para la zona de Guanajuato (México) según las tablas de la NASA, viene siendo de aproximadamente 5.79 Horas a máxima potencia.

(Latitude 21.093 / Longitude -100.385 https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?&num=080112&lat=21.093&hgt=100&submit=Submit&veg=17&sitelev=&email=&p=grid_id&step=2&lon=-100.385)

Por lo que la instalación que se requiere para producir un promedio diario anualizado de 11.002 kW/h (11,002 W) como en el ejemplo anterior es de:

· Considere un 0.83 como factor de eficiencia del sistema

De esta forma podemos dimensionar con bastante exactitud la cantidad de paneles que debemos instalar de acuerdo a cuánto queremos generar. En el ejemplo que nos ocupa podríamos instalar por lo menos 9 paneles (mejor 10) y un solo Inversor de corriente de 2Kw o 2.5 KW, o bien, si en principio no queremos adquirir la totalidad de los mismos, podríamos entonces instalar el sistema de paneles con micro-inversores incorporados. De esta manera podemos ir añadiendo poco a poco una mayor cantidad de paneles cada vez para aumentar la capacidad instalada hasta llegar al valor deseado.

NOTAS:

Para los refrigeradores considere sólo 8 hrs de funcionamiento, ya que es el promedio de horas en las que realmente tiene un consumo de corriente.
Es posible que al revisar las etiquetas de los aparatos eléctricos encuentre que en lugar de indicar Watts le podría indicar “Amperes”, si este fuera el caso, lo único que tiene que hacer es multiplicar los Amperes indicados en la etiqueta por el voltaje presente en su domicilio. Si no cuenta con un voltímetro para corroborar este dato puede considerar 110V como valor y obtendrá los Watts de su electrodoméstico. (o 220V de acuerdo al voltaje usual en su país) Ejemplo: la etiqueta marca 1.5 amperes, entonces multiplicaríamos esta cifra por 110V y obtendríamos 165 Watts.

Espero que este post te haya servido. Si tienes alguna duda con gusto la analizamos.

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