Sizing a photovoltaic system / Dimensionar un sistema fotovoltaico

How does one know that a new solar photovoltaic system has the correct size and number of different units for the needs of a particular use? The first step is to make a list of every appliance or point of energy consumption that will need to be supplied by electricity from the photovoltaic system you are designing. To this list you then need to add the amount of energy that every item consume (watts) and the number of hours they typically will be active per day. Multiplying the watts och each item by its corresponding hours gives you a sum of watt-hours per day. The grand total is your daily consumption. Increase this number by for example 30 % (multiplying by 1.3) to account for the energy losses of the system. This the first basic figure you need for sizing a PV system.

But what happens if everything is connected at once? Can the system handle the sudden consumption? What is the peak need of my particular installation? The simultaneous electrical consumption in a normal on-grid installation is limited by the amount of energy that you have contracted from the energy company (normally measured in Amperes (A)) and can be controlled electronically or by the size of the main fuse. However,  in a off-grid PV system the limitation will be set by the inverter that converts stored energy from your batteries into the alternating currency (AC) that your appliances use.  The rating you will be looking for is continuous capacity that inverter has, not the maximum capacity that it can deliver during a very limited time. One way to estimate the peak consumption would be using the figure of 1/3 of your total daily consumption or the sum of all your appliances. The inverter of your choice would then be the next available size superior to this figure.

When looking at the number of solar panels to acquire it depends on if the installation will be used just occasionally or all the time. For a weekend installation we can depend more on consuming from stored battery power and recover during the rest of the week, but if the house is to be used all the time we need to produce enough energy even during the months with less solar radiation, which would typically be during the months of December or January. This will require a more thorough  study but to simplify things we will use an invented figure of 4 hours of full production per day during winter. So if, according to the consumption calculated above, you needed to produce 5,000 Wh/day and the panels give 275 W each, and there is typically some losses from that ideal figure, an estimation of number of panels needed would be (5,000/(275x4x0.8)=5.68 panels) or 6 panels. A weekend installation could probably do with half of that number as it has 3 days of consumption but 7 days of production in a week. But then you need to store that energy and look at the number of batteries needed for energy storage.

Now you need to decide on how many days of autonomy you need to have. In a weekend house you would need to cover for the three days of the weekend (days that can be cloudy without hardly any production) but in an all-year house you need to cover for perhaps 4 to 6 days without enough sun. (This figure can be reduced with a energy backup from a generator.) We also have to take into account that the batteries cannot be totally drained but need some base charge left to keep working, perhaps 60 %. In a our example case and using a 24V battery system we need (5,000×3)/(24×0.6) = 1041.7 Ah of battery capacity to get 3 days of autonomy.

This has just an orientation on how to size a solar PV system. Any real case would need to look into more detail, but for that there numerous providers and independent consultants to help you.

 

¿Cómo se puede saber que un nuevo sistema solar fotovoltaico tiene el tamaño correcto y el número de unidades diferentes para las necesidades de un uso particular? El primer paso es hacer una lista de cada electrodoméstico o punto de consumo de energía que deberá ser suministrado por la electricidad del sistema fotovoltaico que está diseñando. A esta lista, necesitas agregar la cantidad de energía que consume cada punto (en vatios) y la cantidad de horas que normalmente estarán activos por día. La multiplicación de los vatios de cada aparato por sus horas correspondientes le da una suma de vatios-hora por día. El gran total es tu consumo diario. Aumente este número, por ejemplo, 30% (multiplicando por 1.3) para tener en cuenta las pérdidas de energía del sistema. Esta es la primera figura básica que necesita para dimensionar un sistema fotovoltaico. Digamos que sean 5.000 Vatios por día.

Pero, ¿qué sucede si todo está conectado a la vez? ¿Puede el sistema manejar el consumo repentino? ¿Cuál es la necesidad máxima de mi particular instalación? El consumo eléctrico simultáneo en una instalación normal en la red está limitado por la cantidad de energía que has contratado con la compañía de energía (normalmente se mide en amperios (A)) y puede controlarse electrónicamente o por el tamaño del fusible principal. Sin embargo, en un sistema fotovoltaico sin conexión a la red, la limitación será establecida por el inversor que convierte la energía almacenada de las baterías a corriente alterna (AC) que utilizan sus dispositivos. La calificación que necesitas saber es la capacidad continua que tiene el inversor, no la capacidad máxima que puede ofrecer durante un tiempo muy limitado. Una forma de estimar el consumo máximo sería usar la cifra de 1/3 del consumo diario total o la suma de todos sus electrodomésticos. El inversor a elegir sería entonces el siguiente tamaño disponible superior a esta figura.

Para saber el número de paneles solares necesarios, depende de si la instalación se usará ocasionalmente o todo el tiempo. Para una instalación de fin de semana, podemos depender más del consumo de energía almacenada y recuperarlo durante el resto de la semana, pero si la casa se va a utilizar todo el tiempo, necesitamos producir suficiente energía incluso durante los meses con menos radiación solar, lo cual normalmente sería durante los meses de diciembre o enero. Esto requiere un estudio más exhaustivo, pero para simplificar las cosas utilizaremos una figura inventada de 4 horas de producción completa por día durante el invierno. Entonces, si, de acuerdo con el consumo calculado anteriormente, necesitamos producir 5.000 Wh / día y los paneles dan 275 W cada uno, y normalmente hay algunas pérdidas de esa cifra ideal, una estimación del número de paneles necesarios sería (5.000 / ( 275x4x0,8) = 5,68 paneles) o 6 paneles enteros. Una instalación de fin de semana probablemente podría hacer con la mitad de ese número, ya que tiene 3 días de consumo, pero 7 días de producción en una semana. Pero entonces necesitamos almacenar esa energía y calcular la cantidad de baterías necesarias para el almacenamiento de esa energía.

Ahora también necesitas decidir cuántos días de autonomía necesitas tener. En una casa de fin de semana se necesitaría cubrir los tres días del fin de semana (días que pueden estar nublados sin apenas producción) pero en una casa de todo el año, hay que cubrir quizás 4 a 6 días sin suficiente sol. (Esta cifra puede reducirse con un respaldo de energía de un generador). También debemos tener en cuenta que las baterías no se pueden drenar por completo, pero necesitan un poco de carga base para seguir funcionando, tal vez un 60%. En nuestro caso de ejemplo y usando un sistema de batería de 24V, necesitamos (5.000×3) / (24×0,6) = 1041.7 Ah de capacidad de batería para obtener 3 días de autonomía.

Esto solo ha sido una orientación sobre cómo dimensionar un sistema solar fotovoltaico.  Cualquier caso real necesitaría estudiarse más en detalle, pero para eso existen numerosos proveedores y consultores independientes para ayudar.

Choosing solar power system / Elegir sistema de energia solar

When designing your new solar energy system there are quite a number of questions to think about. First of all is perhaps the question if you are building an independent, off-grid system or if you also will be connected to the normal electrical mains system (on-grid).

If you will be on-grid then there is no strict need for a local energy storage (like batteries), as the grid will act as one. Still it is a good idea to have your own energy storage capacity to be able to deal with situations like blackouts.

The next election is between a alternating current (AC) or direct current (DC) based system. A solar energy system will always consist of a number of photovoltaic panels (that produce direct current, DC, when exposed to the sunlight) and a number of inverters that turn that DC current into the AC current that your  household appliances and the grid will require (230 V, 50 Hz in Spain).

In an AC system the inverters are close to where the energy is produced, having perhaps one central inverter for all solar panels or a micro-inverter for each solar panel. The good thing about an AC based system is that you can more easily combine any number and configuration of energy sources (different types or orientations of photovoltaic panels or perhaps wind turbines) and use the mains current as you standard energy form. The cable sections will also be smaller reducing the cost for cabling. This is perhaps the most natural option is you are on-grid and if most of your energy consumption is during the daytime.

In a DC based system on the other hand the direct current will typically go unchanged through a charger to the energy storage media (the batteries) using the same cabling, and thus it will receive stronger currents and require bigger cables. The solar panels should also be of the same type as the weakest panel will set the standard for the rest. This option is perhaps the most common one for a totally off-grid system with all the panels in the same place and looking in the same direction.

A solar panel consists of a number of cells that produce a small current when exposed to the solar light. The most commonly sold photovoltaic panel today consist of 60 cells and produce around 32 volts. The panels can either be connected in parallel, where they still produce the same voltage but a higher current, or in a serial connection, where the voltage will rise but the current stays the same.

In other coming articles we will take a look at other aspects, such as sizing and orienting a photovoltaic installation.

Al diseñar un nuevo sistema de energía solar, hay un gran número de temas en que pensar. En primer lugar, la pregunta es si estás construyendo un sistema independiente sin conexión a la red o si también estará conectado al sistema de alimentación eléctrica normal (en la red).

Si va a estar en la red, entonces no hay una necesidad estricta de un almacenamiento de energía local (como las baterías), ya que la red actuará como almacenamientos por si sola. Aún así, es una buena idea tener su propia capacidad de almacenamiento de energía para poder enfrentar situaciones como apagones.

La siguiente elección es entre un sistema basado en corriente alterna (AC) o corriente continua (DC). Un sistema de energía solar siempre consistirá en una serie de paneles fotovoltaicos (que producen corriente continua cuando se exponen a la luz solar) y una serie de inversores que convierten esa corriente continua en corriente alterna que requerirán los electrodomésticos y la red. (230 V, 50 Hz en España).

En un sistema de corriente alterna, los inversores estarán cerca donde se produce la energía, teniendo quizás un inversor central para todos los paneles solares o un microinversor para cada panel solar. Lo bueno de un sistema basado en corriente alterna, es que se puede combinar más fácilmente cualquier número y configuración de fuentes de energía (diferentes tipos u orientaciones de paneles fotovoltaicos o quizás turbinas eólicas) y utilizar el sistema de corriente habitual de red como forma de energía estándar. Las secciones de cable también serán más pequeñas, reduciendo el costo del cableado. Esta es quizás la opción más natural si estás conectado a la red y si la mayor parte de su consumo de energía es durante el día.

En un sistema basado en corriente continua, por otro lado, esa corriente normalmente no se transformará y se lleva directamente a través un cargador al sistema de almacenamiento de energía (las baterías) utilizando el mismo cableado, y por lo tanto recibirá corrientes más fuertes y requerirá cables más gordos. Los paneles solares también deberían ser del mismo tipo, ya que el panel más débil establecerá el estándar para el resto. Esta opción es quizás la más común y lógica para un sistema totalmente desconectado a la red con todos los paneles en el mismo lugar y mirando en la misma dirección.

Un panel solar se compone de varias celdas que producen una pequeña corriente cuando se exponen a la luz solar. El panel fotovoltaico más vendido en la actualidad consiste en 60 celdas y produce alrededor de 32 voltios. Los paneles pueden conectarse en paralelo, donde todavía producen el mismo voltaje pero una corriente más alta, o en una conexión en serie, donde la tensión aumentará pero la corriente se mantendrá igual.

En otros artículos miraremos otros aspectos como el dimensionar y orientar el sistema fotovoltaico.

Agriculture without fossil fuel / Agricultura sin combustible fósil

Our conventional agriculture is one of the most voracious consumers of fossil fuels we have, not only fuel for all the machinery involved in the production, but mainly really it is for the production of synthesized fertilizers. Would a future be possible where we manage to reduce our dependence on the more and more declining sources of fossil fuels?

A first step could be to look for other kind of fuels. Some people want to promote biomass-based fuels, thinking that raw material can be transported off the farm to a specialized plant where the fuel first is produced and then transported back to the farm. To me this seems like taking useful nutrients from the farm, transporting them back and forth to be used with the same type of combustions motors. Perhaps it is a small step in the right direction but it still keeps us locked in the same thought schemes.

Setting productive land aside for producing biofuels instead of food seems like adding more momentum to the process of land loss that is already going on because of climate change and destructive farming methods. It would be much better to tap into the abundant and never-ending renewable energy source like the sun.

Looking at the current development for electric agricultural vehicles it seems no important player is working seriously on anything like this. On the internet there are a lot of posts to be found where enthusiasts remodel their tractors to become electric, and companies producing lighter vehicles like Alké (alke.com) are trying to enter the market. There are also electric quads that are used in agriculture like Eco Charger (ecochargerquads.com).

Where things are staring to change is in the market for electric machines and tools more than vehicles. Farms that add numerous solar panels to their installation could quickly transform to apply the electrical energy to many more and new uses, aside from just tools, making this energy form a vital and integrated part of the farm.

Organic agriculture that is not based on a heavy use of fertilizers, pesticides, herbicides and so on are efficiently producing healthy food while maintaining soil fertility and keeping off crop diseases through a good combinations of old and new farming methods, while enormously reducing the need for fossil fuels.

Perhaps we are still far from an agriculture without fossil fuels but there are many interesting initiatives and many projects to start to get moving faster in this direction.

Nuestra agricultura convencional es uno de los consumidores más voraces de combustibles fósiles que tenemos, no solo combustible para toda la maquinaria involucrada en la producción, sino y  principalmente para la producción de fertilizantes sintetizados. ¿Sería posible un futuro en el que logramos reducir nuestra dependencia de las fuentes cada vez más decrecientes de combustibles fósiles?

Un primer paso podría ser buscar otro tipo de combustibles. Algunas personas desean promover los combustibles a base de biomasa, pensando que la materia prima puede transportarse fuera de la granja a una planta especializada donde el combustible primero se produce y luego se transporta de regreso a la granja. Para mí, esto parece quitar nutrientes útiles de la granja, transportándolos de un lado a otro para ser utilizados con el mismo tipo de motores de combustión. Tal vez sea un pequeño paso en la dirección correcta, pero aún nos mantiene encerrados en los mismos esquemas de pensamiento.

Apartar tierras productivas para producir biocombustibles en lugar de alimentos parece dar más impulso al proceso de pérdida de tierras fértiles que ya está ocurriendo debido al cambio climático y los métodos de cultivo destructivos. Sería mucho mejor aprovechar la abundante y eterna fuente de energía renovable como el sol.

Viendo el desarrollo actual de los vehículos agrícolas eléctricos, parece que ningún jugador importante está trabajando seriamente en estos temas. En internet hay muchos textos escritos por entusiastas, que han remodelado sus tractores para convertirles en eléctricas, y las empresa que producen vehículos eléctricos ligeros como Alké (alke.com) intentan entrar en el mercado. También hay quads eléctricos que se utilizan en la agricultura como Eco Charger (ecochargerquads.com).

Donde si se ven cambios está en el mercado para las máquinas eléctricas y las herramientas más que para los vehículos. Las granjas que añaden numerosos paneles solares a sus instalaciones podrían transformarse rápidamente para empezar a usar la energía eléctrica para muchos más y nuevos usos, aparte de las herramientas, haciendo de esta energía una parte vital e integrada de la granja.

La agricultura orgánica que no se basa en un uso intensivo de fertilizantes, pesticidas, herbicidas, etc. produce alimentos saludables de manera eficiente, mantiene la fertilidad del suelo y evita las enfermedades de los cultivos mediante una buena combinación de métodos agrícolas antiguos y nuevos, al tiempo que reduce enormemente la necesidad de combustibles fósiles.

Quizás estamos todavia lejos de una agricultura sin combustibles fósiles pero hay muchas iniciativas interesantes y muchos proyectos por iniciar para andar en esta dirección con más fuerza.

The urban perspective on rural areas / La mirada urbana sobre lo rural

The urban areas represent to many people that vision of sophisticated modernity and a linear flow of time, where apparently unlimited quantities of consumer goods and energy enter on one side and the waste mysteriously leave and disappear on the other. The development of a society is understood as the continuous growth of urban areas, which are projected towards a technologically advanced and highly prosperous future.

In rural areas, however, it is more logical to have a circular view of time; is where the seasons and cycles of cultivation become more evident. The traditional, cultural and historical dominates. It is clearer here than elsewhere that what we can not produce ourselves, we must bring from outside, and that waste and what is left over, better to give it a new use nearby, not to have to carry it away.

In this sense, rural areas seem to be the most prepared to face an uncertain future, which is more likely to come with a shortage of energy and resources, and it will be more feasible for these areas to become self-sufficient because they have enough space to capture water and produce their own energy and nutrients, if we give provide the necessary technical solutions.

From the urban point of view we often contemplate the rural with that academic and somewhat romantic look as something primitive that must be protected from the inevitable depopulation and abandonment, since progress (which is contrary to the traditional) will take place somewhere else – and urban. We think of protecting some “forests” as if they were originating from native species, what really are abandoned farms poor in biodiversity and we only cause more abandonment by not providing the rural areas with the tools to stay alive and become more self-sufficient.

Then we have the bordering areas, where the land considered suitable for urban development meets land that is not considered so. Many times a simple line on a paper of urban planning gives way to an overexploitation to one side and a protection to the other side. On both sides this usually means a loss of cultural values. On the urban side the existing cultural elements are lost because it has no place within the projected urban grid, and in the rural side they are lost because the forms are not provided to keep them active. In the countryside, there is a preference for farms with an industrial scale and methods that are often strongly linked to the agro-chemical industry and have more in common with industrial zones that usually don’t have a vision for balance of the ecological and social aspects together with the economic and to provide a long-term rooting in the rural context.

Today there are again talks about “finger plan cities” (https://en.wikipedia.org/wiki/Finger_Plan), where the dense urban areas grow around urban transit corridors and rural and agricultural activities can enter the urban fabric. Not much of this have yet been put into practice, since the urbanism continues to be projected as always, repetitive, monotonous and poor in diversity. Hopefully we will have more orchards and crops in urban areas, along with less food and energy dependency, while small “micro-urban” elements in rural areas can help to preserve these areas active for the future.

p681

Lo urbano representa para mucha gente esa visión de la modernidad sofisticada y de un flujo lineal del tiempo, donde aparentemente entran ilimitadas cantidades de bienes de consumo y energía por un lado y los residuos salen y desaparecen misteriosamente por el otro. El desarrollo de la sociedad se entiende como el crecimiento continuo de las zonas urbanas, que se proyectan hacia un futuro tecnológicamente muy avanzado y de gran prosperidad.

En zonas rurales, sin embargo, es más lógico tener una visión circular del tiempo; es donde las estaciones, temporadas y ciclos de cultivo se hacen más evidentes. Domina lo tradicional, cultural y histórico. Queda más claro aquí en otros sitios que lo que no podemos producir nosotros mismos, hay que traerlo desde fuera, y que los residuos y lo que nos sobra, mejor darles un nuevo uso cercano, para no tener que cargar con ellos.

En este sentido parece ser justo las zonas rurales las que están más preparados para afrontar a un futuro incierto que más previsiblemente llegará con escasez de energía y recursos, y será más factible que podrán ser autosuficientes, ya que disponen del espacio suficiente para captar agua y producir su propia energía y nutrientes, si lo dotamos de las soluciones técnicas para serlo.

Desde lo urbano solemos muchas veces contemplar lo rural con esa mirada académica y algo romántica como algo primitivo que hay que proteger del inevitable despoblamiento y abandono, ya que el progreso (que es contrario a lo tradicional) tendrá lugar en algún otro sitio – y urbano. Pensamos en proteger como si fueran bosques originarios de especies autóctonos lo que realmente son cultivos abandonados pobres en biodiversidad y solo provocamos más abandono al no dotar las zonas rurales con las herramientas para seguir vivos y más autosuficientes.

Luego tenemos las zonas limítrofes, donde lindan los terrenos urbanizables, con los terrenos que no son urbanizables. Muchas veces una simple línea sobre el papel del planeamiento urbanístico supone una sobre-explotación a un lado y una protección al otro lado. En ambos lados suele suponer una perdida de valores culturales. En el lado urbano los elementos culturales existentes se pierden porque no tiene cabida en la trama urbana proyectado, y en lado rural se pierden porque no se da las formas para mantenerlos en activo. En zonas rurales tiene preferencia las explotaciones agrícolas con escala y métodos industriales que muchas veces están fuertemente vinculados a la industria agro-química y que tiene más que ver las islas de polígonos industriales y no suelen tener la visión de equilibrar lo ecológico y social junto con lo económico y fomentar un arraigo rural a largo plazo.

Hoy en día se esta volviendo a hablar de “ciudades dedo” (https://es.wikipedia.org/wiki/Proyecto_de_los_Dedos), donde el crecimiento urbano sigue las lineas de transporte público y las actividades rurales y agrícolas pueden entrar en la trama urbana. Todavía no se ve mucho de ello puesto a la práctica, ya que el urbanismo se sigue proyectando como siempre, repetitivo, monótono y pobre en diversidad. Ojalá tendremos más huertos y cultivos en las zonas urbanas, junto con menos dependencia alimenticia y energética, a la vez que pequeños elementos “micro-urbanos” en las zonas rurales podrían ayudar a preservar estas zonas en activo para el futuro.