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.

Domotics using KNX / Domótica con KNX

The term “domotics” is normally referring to an installation of a centralised automated control system for a building, in this case for a home or smaller house. The domotic system can be configured to control installations like interior climate, lighting, security and other appliances, and to communicate with the Internet to be able display status and events and to receive configurations remotely.

The KNX automation standard has existed for nearly thirty years and was created unifying three older standards. One of the main reasons for making KNX was to create a global independent standard that permitted to connect all kinds of equipment from any supplier adhering to the standard. Another goal was to reduce the amount of electrical cabling done in a building. This is achieved turning every small appliance to a node in a network with its own unique address.

This means that when you, for example, want to turn on the lights in a room you would normally press a light switch mechanism (in our case a pushbutton) on the wall and, instead of directly driving electricity through the switch mechanism and to the lamp in your ceiling, your intention is first interpreted by small unit connected to the button, which sends a signal to the KNX central, that will close an electrical circuit to light the lamp.

While this might seem overly complicated, it does open up a whole range of new possibilities. Now the mere action of pressing that button could lead to any kind of programmable events, it could turn on a whole scenery of different lights and intensities, and perhaps according to the hour of the day, start playing your favourite morning music, open the window blinds, turn on the coffee machine and perhaps step up the heating a couple of degrees. The button press has been “digitalised”, meaning that instead of closing a mechanical circuit, the same button press action can be done on a tablet standing on the kitchen table or from wherever you happen to be at the moment, through the Internet.

The development of KNX installations has been rather complicated before, requiring a trained installer and technician to program the installation through specialist software, called ETS, which put the whole program for the installation in the hands of the installer and not the owner of the building. That also meant that normal house owners were not so likely to spend the extra money on a KNX system, in spite of its advantages.

Now, through the software ETS Inside, it is much easier to directly program and update an installation from a tablet, and the software stays part of the installation and can be further extended and developed by any person of the building owner’s choice. This means that in the future we will probably be seeing a more popularised and generally spread usage of KNX into smaller and cheaper installations.

Home automation with KNX
(copyright knxtoday.com)

El término “domótica” se refiere normalmente a la instalación de un sistema de control automatizado y centralizado para un edificio, en este caso para una casa o una casa más pequeña. El sistema domótico se puede configurar para controlar instalaciones como el clima interior, iluminación, seguridad y otros dispositivos, y para comunicarse con Internet para poder mostrar el estado y los eventos y recibir configuraciones de forma remota.

El estándar de automatización de KNX existe desde hace casi treinta años y se creó unificando tres estándares anteriores. Una de las razones principales para formar KNX fue crear una estándar global independiente, que permitiera conectar todo tipo de equipos de cualquier proveedor que se adhiera a la norma. Otro objetivo era reducir la cantidad de cableado eléctrico realizado en un edificio. Esto se logra convirtiendo cada pequeño dispositivo en un nodo en una red con su propia y única dirección.

Esto significa que cuando, por ejemplo, queremos encender las luces en una habitación, normalmente presionaríamos un mecanismo del interruptor de luz (en nuestro caso, un botón) en la pared y, en lugar de conducir directamente la electricidad a través del mecanismo del interruptor hasta la lámpara del techo, su acción se interpreta primero mediante una pequeña unidad conectada al botón, que envía una señal al central KNX, que cerrará un circuito eléctrico para encender la lámpara.

Si a primera vista esto pueda parecer demasiado complicado, se abre una gama de nuevas posibilidades. Ahora, la simple acción de presionar ese botón podría llevar a cualquier tipo de eventos programables, podría activar un escenario completo de diferentes luces e intensidades, y quizás de acuerdo con la hora del día, empezar a tocar su música matutina favorita, abrir las persianas, encender la máquina de café y tal vez subir la calefacción un par de grados. La pulsación del botón se ha “digitalizado”, lo que significa que, en lugar de cerrar un circuito mecánico, la misma acción de pulsación del botón se puede realizar en una tableta colocada sobre la mesa de la cocina o desde cualquier lugar que se encuentre en este momento, a través de Internet.

Anteriormente el desarrollo de las instalaciones de KNX ha sido bastante complicado, ya que se necesita un instalador y técnico capacitado para programar la instalación a través de un software especializado, llamado ETS, que pone todo el programa para la instalación en manos del instalador y no del propietario del edificio. Eso también significaba que los propietarios de viviendas normales no tenían tantas probabilidades de gastar el dinero extra en un sistema KNX, a pesar de sus ventajas.

Ahora, a través del software ETS Inside, es mucho más fácil programar y actualizar directamente una instalación desde una tableta, y el software sigue siendo parte de la instalación y puede ser ampliado y desarrollado por cualquier persona que elija el propietario del edificio. Esto significa que en el futuro probablemente veremos un uso más popularizado y generalizado de KNX en instalaciones cada vez más pequeñas y más económicas.

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.