Storing solar energy / Almacenar la energía solar

In most places on earth the energy flow from the direct sunlight corresponds to more than 1,000 watts per square meter. As the sun shines, the light heats air, water, earth or whatever material that comes underneath its generous rays.

When photovoltaic panels are exposed to sunlight the energy flow is transformed into electricity, but that electricity is then automatically lost if it is not consumed directly or put into storage. Therefore most solar systems use some kind of battery bank so that the consumption of the generated energy can be postponed to when it is needed better. Typically the electricity generated by day is mostly consumed during the night.

Most photovoltaic systems are over-dimensioned to some extent to allow for a continued use during periods with less productivity (like cloudy days). With more panels you get more production capacity, and with more batteries you can store more of that production.

When looking at many off-grid systems that added capacity from over-sizing means that the systems spend most of their time with fully loaded batteries. So when the batteries are full the system just has to discard the rest of energy production.

One simple way to augment the system’s capacity is to plan the use of electricity so that it coincides with the time of the day when most of the energy is produced (around midday or early afternoon), like for example to set the washing machine to run at those hours. In this way you get added capacity as you draw both from the batteries and what is produced at that very moment. And you don’t drain the batteries as easily as you have planned the main consumption when there otherwise would have been an over-production of energy.

If you also have the on-grid option of a connection to the general electrical network, you could sell to the grid when your batteries are full and buy back from them when you need to, and use the grid as a virtual storage for all the extra electricity that you can’t store yourself. It is a virtual storage, as the energy you have put to the grid will be consumed be someone else directly, and someone else will produce the electricity you buy back later. So really you are storing energy in the form of the money you get for selling electricity, which buys you capacity to withdraw energy from the grid later.

Other forms of energy storage are to produce hot (or cold) water with the surplus electricity and use that energy to heat (or cool) your building. Or some other liquid could be used for the storage (like oil), or the proper building could be looked upon as a form of storage, if it encloses heavy elements that can hold thermal energy. This could be conceived by an under-floor heating system that put energy into the floor slab. If it is water-based it could even be used for cooling down a building during hot summer days.

There are far more complex to store energy a for example using catalyzers to produce hydrogen gas from water, hydro potential storage (pump water to a higher point and let it fall through a generator) or the use of a heat exchanger to produce electricity. Most of them are just too expensive or too inefficient but of course still interesting for smaller scale experiments or for large-scale investments.


En la mayor parte de la Tierra, el flujo de energía de la luz solar directa corresponde a más de 1.000 vatios por metro cuadrado. A medida que el sol brilla, la luz calienta el aire, el agua, la tierra o cualquier material que venga por debajo de sus generosos rayos.

Cuando los paneles fotovoltaicos estén expuestos a la luz solar, el flujo de energía se transforma en electricidad, pero esa electricidad se pierde automáticamente si no se consume directamente o se almacena. Por lo tanto, la mayoría de los sistemas solares utilizan algún tipo de banco de baterías para que el consumo de la energía generada pueda posponerse cuando se necesite mejor. Normalmente, la electricidad generada por el día se consume principalmente durante la noche.

La mayoría de los sistemas fotovoltaicos están sobredimensionados en cierta medida para permitir un uso continuado durante los períodos con menos productividad (como los días nublados). Con más paneles hay más capacidad de producción y con más baterías se podrá almacenar más de esa producción.

Cuando se observan muchos sistemas fuera de la red, la capacidad agregada por estar sobredimensionados significa que los sistemas pasan la mayor parte de su tiempo con baterías completamente cargadas. Entonces, cuando las baterías están llenas, el sistema tiene que desechar el resto de la producción de energía.

Una forma sencilla de aumentar la capacidad del sistema es planear el uso de la electricidad de modo que coincida con la hora del día en que se produce la mayor parte de la energía (alrededor del mediodía o la tarde), como por ejemplo configurar la lavadora para que funcione a esas horas. De esta manera, se obtiene mayor capacidad a medida que extrae tanto de las baterías como de lo que se produce en ese momento. Y no agota las baterías tan fácilmente como ha planeado el consumo principal cuando de lo contrario habría habido una sobreproducción de energía.

Si también tiene la opción de una conexión a la red eléctrica general, podría vender la electricidad a la red cuando sus baterías estén llenas y comprarlas cuando sea necesario, y utilizar la red como un almacenamiento virtual para todos la electricidad adicional  que no puedes almacenar. Es un almacenamiento virtual, ya que la energía que ha puesto en la red se consumirá directamente por otra persona, y otra persona producirá la electricidad cuando vuelves a comprar. De modo que realmente está almacenando energía en la forma de dinero que obtiene por vender electricidad, lo que le da capacidad para retirar energía de la red más adelante.

Otras formas de almacenamiento de energía son producir agua caliente (o fría) con el excedente de electricidad y usar esa energía para calentar (o enfriar) su edificio. O se podría usar algún otro líquido para el almacenamiento (como el aceite), o se podría considerar el edificio mismo como una forma de almacenamiento, si encierra elementos pesados ​​en su interior que pueden contener energía térmica. Esto se puede conseguir por medio de un sistema de calefacción por suelo radiante que almacena energía en la losa del piso. Si el sistema radiante es a base de agua, incluso podría usarse para enfriar un edificio durante los calurosos días de verano.

Hay formas mucho más complejas para almacenar energía como, por ejemplo, utilizar catalizadores para producir gas hidrógeno a partir del agua, almacenamiento de potencial hidráulico (bombear agua a un punto más alto y dejarlo caer a través de un generador) o el uso de un intercambiador de calor para producir electricidad. La mayoría de ellos son demasiado caros o demasiado ineficientes, pero por supuesto siguen siendo interesantes para experimentos a pequeña escala o para inversiones a gran escala.

The plant revolution / El futuro es vegetal

We normally see plants as something inferior to animal life, more primitive, that hasn’t evolutionized at the same rate and to the same grade as the “superior” animals. In his new book, The Revolutionary Genius of Plants: A New Understanding of Plant Intelligence and Behavior, the author Stefano Mancuso shows us a whole new and intriguing view on plant life.

The plants wasn’t at all “left behind” by evolution, he argues, they just took a totally different evolutionary approach and followed a distinct path. While animals avoid changes by constantly moving around, plants decided to stay put, resist and adapt to the changes. While animals consume, plants produce. While animals have developed dedicated organs for different functions and a central brain, plants have evolved in a decentralized manner where all functions are present in every part of a plant.

We see the ability to move, and move quickly, as something very important. Speed is in a way our measurement of modernity and performance. Animals and humans have used their capacity to move for various reasons, for finding food and shelter, for protection against other animals and for spreading their DNA to new places. This behaviour has in a way freed us from a part of the need to adapt to changes and threats in our surroundings. Plants on the hand had to try to handle changing, or just plain hostile, environmental conditions and find strategies to cope with what was present around them.

So to survive, plants had to develop defences against being eaten to extinction, like sharp or unpalatable parts, and develop techniques to use the environment to carry them away to new places. They also needed to cope with strong heat, cold, draught, deluge, winds, lack of nutrients and other extreme conditions.

When you look at a plant, what you see is hierarchy of equal parts or perhaps one should say, a network of connected parts. You can cut off a piece of a plant and you still maintain a complete and fully functional organism as a base for a new individual. In a way you could say that plants never die, as parts of it may decline while others regenerate. This makes the plants a model for us when we want to create resilient technological solutions, like for a example communications networks.

Animals mostly consume more than they produce, they need an abundant quantity of nutrients from plants and other animals to keep alive and through their breathing they consume oxygen. Green plants, on the other hand, consume very little, taking most of their energy through the sunlight and the process photosynthesis and produce a substantial part of the earth’s oxygen need.

What is really fascinating about plants is that recently it has been shown that they actually have their own form of intelligence, that they react to stimuli in their environment in an active way, with different chemical reactions, or that they actually can see what is around them and also have memory, being able to remember different situations and change their reactions over time.

It may well be that the solution to many of our current environmental problems, like adapting to climate change, drinking water scarcity or food shortage, might have been here silently waiting for aeons for us humans to evolve enough to be able to see them.

Normalmente vemos las plantas como algo inferior a la vida animal, más primitivo, que no ha evolucionado tanto y al mismo ritmo que los animales “superiores”. En su nuevo libro, “El futuro es vegetal”, el autor Stefano Mancuso nos muestra una visión completamente nueva e intrigante sobre la vida de las plantas.

Las plantas no se habían “quedado atrás” por la evolución, argumenta, simplemente adoptaron un enfoque evolutivo totalmente diferente y siguieron un camino distinto. Mientras los animales pueden evitar cambios moviéndose constantemente, las plantas han decidido quedarse, resistir y adaptarse a los cambios. Mientras los animales consumen, las plantas producen. Mientras los animales han desarrollado órganos dedicados para diferentes funciones y un cerebro central, las plantas han evolucionado de una manera descentralizada con todas las funciones presentes en cada parte de una planta.

Vemos la capacidad de moverse, y de moverse rápidamente, como algo muy importante. La velocidad es, en cierto modo, nuestra medida de modernidad y rendimiento. Los animales y los humanos han usado su capacidad para moverse por varias razones, para encontrar comida y refugio, para protegerse contra otros animales y para difundir su ADN a nuevos lugares. Este comportamiento nos libera de una manera en parte de la necesidad de adaptarnos a los cambios y amenazas en nuestro entorno. Las plantas a cambio tenían que tratar de manejar condiciones ambientales cambiantes, o simplemente hostiles, y encontrar estrategias para hacer frente a lo que estaba presente a su alrededor.

Así que para sobrevivir, las plantas tenían que desarrollar defensas contra ser consumidas hasta la extinción, como partes afiladas o desagradables, y desarrollar técnicas para usar el medio ambiente para llevarlas a lugares nuevos. También necesitaban lidiar con excesos de calor o frío, sequias, inundaciones, vendavales, la falta de nutrientes y otras condiciones extremas.

Cuando miras una planta, lo que ves es una jerarquía de partes iguales o tal vez de debería decir, una red de partes conectadas. Puede cortar un esqueje de una planta y aún mantener un organismo entero y completamente funcional como base para un nuevo individuo. Se podría decir que las plantas nunca mueren, como partes puede declinar mientras que otras se regeneran. Esto les convierte en un modelo para nosotros cuando queremos crear soluciones tecnológicas resistentes, como por ejemplo las redes de comunicaciones.

Los animales en su mayoría consumen más de lo que producen, necesitan una cantidad abundante de nutrientes de plantas y otros animales para mantenerse con vida y respiran consumiendo oxígeno. Las plantas verdes, por otro lado, consumen muy poco, ya que consiguen la mayor parte de su energía a través de la luz solar y el proceso de la fotosíntesis y producen una parte sustancial de la necesidad de oxígeno de la tierra.

Lo realmente fascinante de las plantas es que se ha demostrado que de hecho tienen su propia forma de inteligencia, que reaccionan ante los estímulos de su entorno de forma activa, con diferentes reacciones químicas, o que realmente pueden ver lo que hay alrededor. También tienen memoria, son capaces de recordar diferentes situaciones y cambiar sus reacciones con el tiempo.

Puede ser que las soluciones a muchos de nuestros problemas ambientales actuales, como la adaptación al cambio climático, la falta de agua potable o la escasez de alimentos, podría haber estado esperando que evolucionásemos suficiente para poder verlos.

How to orient a PV system / Como orientar un sistema FV

It goes perhaps without saying  that the more directly your solar panels are looking into the sunlight the more energy will they absorb, meaning that a solar panel system should be facing south on the northern hemisphere and north on the southern hemisphere. An optimum solution would really be a system that were able to orient the panels towards the sun as it moves along the sky, both horizontally and vertically. That being a costly solution both to acquire and to maintain (it does not really pay off to do so) so the second best solution is to find the optimum orientation that works best all day and all year.

Using a fixed orientation and inclination will also mean that the panels will be too flat in winter and too steep in summer. So, if you intend to use the system more in wintertime you could go for a steeper orientation, and if you plan to use it mostly in the summer you could have less inclination. For an all-year-round installation there is a mean value that works well.

As an example we can take a the latitude 41 degrees. In Spain that would be somewhat south of Tarragona. On the day of the equinox (in spring and in autumn) the length of the day and night is approximately the same. On this day the altitude of the sun at the latitude of 41 degrees will be 90 – 41 = 49 degrees. This is the mean value altitude of the sun at this location.  Due to that the earths orbit around the sun is tilted 23.5 degrees the altitude of the sun will vary between the highest value of 49 + 23.5 = 72.5 in summer and the lowest value of 49 – 23.5 =  25.5 in winter. So to meet the sun rays at a right angle on the day of the equinox your solar panels should be tilted up 90 – 49 = 41 degrees from the horizontal plane. If you plan to use your installation more in the summer your panels should lay down flatter and if, on the contrary it will be used more in winter, the angle of the panels should be the steeper.

Quizás es bastante evidente que cuanto más directamente miren los paneles fotovoltaicos hacía la luz del sol, cuanta más energía absorberán, lo que significa que un sistema de paneles solares debería estar orientado hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur. Una solución óptima sería realmente un sistema que fuera capaz de orientar los paneles hacia el sol mientras se mueve a lo largo del cielo, tanto en el eje horizontal como en el eje vertical. Al tratarse de una solución costosa tanto para adquirir como para mantener (en realidad no vale la pena hacerlo), la segunda mejor solución es encontrar la orientación óptima que funcione mejor todo el día.

Usar una orientación e inclinación fijas también significará que los paneles estarán demasiado planos en invierno y demasiado empinados en verano. Por lo tanto, si tiene la intención de utilizar el sistema más durante el invierno, podría optar por una orientación más empinada, y si planea usarlo principalmente en el verano, podría tener menos inclinación. Para una instalación durante todo el año hay un valor medio que funciona bien.

Como ejemplo podemos tomar la latitud 41 grados. En España eso sería un poco al sur de Tarragona. En el día del equinoccio (en primavera y en otoño) la duración del día y la noche es aproximadamente la misma. En este día, la altitud del sol en la latitud de 41 grados será 90 – 41 = 49 grados. Esta es la altitud media del valor del sol en este lugar. Debido a que la órbita terrestre alrededor del sol está inclinada 23,5 grados, la altitud del sol variará entre el valor más alto de 49 + 23,5 = 72,5 en verano y el valor más bajo de 49 – 23,5 = 25,5 en invierno. Por lo tanto, para encontrarse con los rayos del sol en un ángulo recto en el día del equinoccio, los paneles solares deben inclinarse hacia arriba 90 – 49 = 41 grados desde el plano horizontal. Si planea usar su instalación más durante el verano, sus paneles deben tenderse más planos y si, por el contrario, se usarán más en invierno, el ángulo de los paneles debe ser más pronunciado.

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.