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Paneles solares y Baterías de litio

Diseña tu sistema solar

 

 

La colosal bajada de precios de los paneles solares, abre las puertas a la energía renovable para nuestros barcos.

 

Aunque las baterías de litio aún siguen siendo caras, también continúan bajando de precio y YA permiten instalaciones eléctricas sostenibles. Su tendencia a la baja abre las puertas a soluciones energéticas definitivas a bordo de nuestro barco.

¿En dónde montar los paneles? ¿Cuántos? ¿De qué tipo? ¿Cómo orientarlos? ¿Con qué tipo de regulador? ¿Cuántos módulos a instalar? ¿Qué capacidad de parque de baterías? ¿Decidirnos por el litio? ¿Modificaciones a efectuar en los

cargadores? Preguntas que todos nos haremos si pensamos montar una nueva instalación solar. Cuestiones que debemos abordar para lograr una solución eficaz a nuestras necesidades y expectativas energéticas.

Nada tiene que ver dimensionar una instalación solar en un velero de 9 metros, a por ejemplo, calcular la instalación necesaria para un Cata de 15 metros, tanto por necesidades de consumo como por superficie aprovechable en la cubierta, en la que poder instalar los paneles solares, que son cada vez más baratos, con mayor rendimiento y más duraderos.

En 2021 ya es posible conseguir precios en torno a los 35 céntimos por vatio y esto es diez veces menos que lo que costaban hace solo unos pocos años. Un panel de dos metros cuadrados que entrega unos 400 vatios se puede comprar hasta en el “Bricomart” por 150€.

Un sitio idóneo para el montaje de los paneles es encima del Bimini. Mejor aún, instalar un arco de inox en la popa en el que montar varios paneles que incluso pueden proyectarse fuera del barco, lo cual nos ayudará a sombrear la bañera logrando un doble beneficio. En algunos barcos se montan encima del "‘roof" o también en los balcones de popa con un mecanismo giratorio para poder orientarlos al sol. La mejor solución es encontrar una posición estática que no necesite de mecanismos giratorios que además complicarán la captación solar. En un catamarán el techo del Hard-Top permite instalar una buena superficie solar que podríamos incrementar o complementar con alguna zona de solarium de proa.

 

 

En un monocasco, diseñar un nuevo "HardTop" en bañera fijo, con todo el techo cubierto de paneles solares es una buena idea, pero incluso así debemos prestar atención al tema de las sombras de la botavara y otros elementos del barco, como expondremos a continuación.

 

Panel solar a pleno rendimiento: La buena orientación.

Es importante pensar en las posibles sombras que recibirán los paneles solares. Un panel encima del arco de popa alejado de las sombras de la botavara es una solución perfecta. Un pequeña sombra sobre la superficie del panel puede hacer decaer de forma drástica el funcionamiento del panel.

En un barco, la orientación que demos al panel importa mucho, pues la sombra, por ejemplo, de una botavara sobre la superficie solar será en sentido del eje de crujía. Un panel solar está formado por 3 bandas en sentido longitudinal y si una pequeña zona de esa banda entra en sombra, esa parte del panel dejará de producir energía. Por esta razón si montáramos un panel en sentido babor-estribor, en vez de orientarlo de popa a proa, en cuanto la sombra de la botavara se proyecte un poco sobre el panel ésta afectaría a las 3 bandas del panel y este dejaría totalmente de producir energía.

En este panel vemos tres series de células totalmente diferenciadas. Cada serie se comporta como si fuera una fuente de energía no dependiente de las otras dos. Basta con que una sola célula de una serie esté sombreada, para que la serie entera deje de producir amperios. Esta es la razón para separar internamente el panel en distintas series. Si una 'serie' entra en zona de sombra, las otras dos seguirán produciente energía.

Ésta es una de las razones para buscar paneles de "célula partida" que no es otra cosa que paneles con células más pequeñas pero en mayor número y con más zonas independientes, de tal forma que si una pequeña parte del panel entra en sombra, el resto pueda seguir produciendo energía eléctrica. En una instalación en una finca el asunto de las sombras es menos relevante pues todo el parque estará siempre a pleno sol (salvo si hay nubes), pero en un barco en donde hay sombras de backstays, botavaras, obenques o toallas secándose al sol, y estas además se mueven por el movimiento del barco, el asunto de las sombras tiene bastante relevancia para conseguir una buena instalación solar.

 

Entender la influencia de las sombras

Un panel solar está formado por numerosas células solares, cada una de las cuales podría ser considerada como una pequeña pila cuyo voltaje sube desde cero a medida que va recibiendo luz solar. Para alcanzar el voltaje máximo del panel en vacío, estas "pilas" solares se conectan en serie para sumar tensiones.

Aunque existen numerosos tipos de paneles, tamaños y configuraciones, en un panel solar típico, existen 3 grupos de células en serie, dispuestas en columnas. Es decir de las 6 columnas que vemos en el ejemplo, las dos primeras columnas forman un circuito de células en serie. Las columnas 3 y 4 forman otra "‘pila" solar, y las columnas 5 y 6 una tercera serie de células solares.

 

En la primera configuración, la sombra de la botavara afecta anula el funcionamiento del un panel entero y deja sin producción a las dos primeras series del segundo panel. si cada panel puede generar 300 watios, solo tendremos 100 diponibles de los 600 watios totales.

Simplemnte montando los panles orientados a 90º es decir con las series paralelas al eje de crujía, esta misma sombra de la botavara afectará a UNA SOLA serie, dándonos una producción de 500 watios frente a los 100 W de la otra configuración.

 

Por tanto en este panel solar, tenemos 3 "pilas" solares independientes cuyas salidas están conectadas a su vez, en paralelo entre sí y con las salidas protegidas entre ellas por un diodo, para que si una de ellas deja de funcionar por estar en sombra, la energía de las otras dos no pueda ser absorbida por la "serie" sombreada.

Es importante comprender que si UNA sola célula está en sombra, afectará a la toda esa cadena. Una sola célula en sombra hará caer su "cadena" completa de células al aumentar la resistencia interna de esa célula ensombrecida.

 

 

Si por ejemplo tenemos instalados dos placas de 300 watios encima del bimini, ahora podemos entender que la sombra alargada de la botavara puede afectar a una sola cadena de células de las 6 que tenemos en total entre los dos paneles y la producción máxima de 600 watios caerá una sexta parte hasta alcanzar 5/6 de esos 600 watios, es decir a 500 watios.

 

 

Pero si tuviéramos la desafortunada idea de montar los paneles en sentido horizontal en vez del vertical (girados a 90º respecto al montaje lógico) la sombra de la botavara en esas mismas condiciones afectará a unas pocas células, PERO de las 6 cadenas de células, haciendo que la producción de los dos paneles decaiga a cifras cercanas de cero.

 

En un panel de células partidas, la producción de energía se divide en 6 zonas en vez de 3. En cada panel tenemos 6 "fuentes de energía", todas ellas unidas entre sí a través de 6 diodos. De esta forma si una zona entra en sombra, las otras 5 seguirán dando energía. En un barco este tipo de panel es muy adecuado, pues es complicado predecir que partes del panel irán entrando y saliendo de las sombras.

 

Tipo de paneles

Ya hemos hablado de ello en otros artículos en Fondear, pero seguiremos haciéndolo, pues las tecnologías relacionadas con las energías renovables siguen mejorando a pasos agigantados y el tema da para mucho, tanto por extensión en materia, como por importancia, pues en los próximos años la energía solar, también en las embarcaciones adquirirá gran relevancia. No lo dude…

En los barcos es muy normal ver instalaciones con paneles solares flexibles. Lo cierto es que con la tecnología actual, son flexibles sólo en cierta medida, pues las células solares independientes siguen siendo rígidas y la flexión proviene de la curvatura en las separaciones entre las distintas filas de células. Al flexionar el panel una parte del esfuerzo y tensión pasa a estas células y con el tiempo estas se estropean como también lo hace el recubrimiento de plástico transparente al verse afectado por la radiación ultravioleta del sol. Por si esto fuera poco, los paneles solares flexibles se montan sin dejar espacio bajo ellos o incluso se atornillan a la cubierta en un solarium. Una mala decisión, pues con la radiación solar, los paneles se calientan, y mucho, ya que el silicio es muy oscuro y absorbe mucho calor. Y con el calor se produce una grave pérdida de rendimiento y la producción de energía caerá de forma drástica.

Una forma de evitar este problema con paneles solares flexibles, es atornillar el panel sobre un soporte de plástico hueco (laminas de policarbonado reticulado), para que en alguna medida 'ventilen', y exista un 'puente' térmico entre el panel y la cubierta.

 

Si es posible, la mejor solución es utilizar paneles solares con las siguientes características y por las siguientes razones.

  • Rígidos en vez de flexibles. Larga duración de los rígidos.

  • Los rígidos tienen un recubrimiento de cristal templado, de vida "infinita".

  • El cristal no se degrada, como si lo hace el plástico transparente de los flexibles.

  • Coste: Por vatio producido los rígidos cuestan cerca de la mitad de precio.

  • Los rígidos refrigeran mejor al no ir, normalmente, atornillados contra una superficie.

  • El rendimiento es mayor en los paneles rígidos.

  • Mejor paneles de célula partida (mayor número de zonas independientes)

 

Paso 1.- Dimensiona nuestros consumos; Veamos los números…

Lo primero que debemos hacer es sumar la energía que consumimos en el barco durante un día típico. Veamos un ejemplo que podrá extrapolar a su propio barco. Supongamos que en nuestro barco queremos tener encendido 5 horas de ChartPlotter que consume 100w. La energía necesaria son 5x100vatios= 500 vatios-hora.

Además queremos poder utilizar 4 bombillas de bajo consumo LED de 10 vatios durante 6 horas por la noche. En este apartado de iluminación tendremos que reservar 4 luces x 10 vatios x 6horas = 240 vatios-hora. En este asunto de iluminación es importante remarcar que el cambio a LED en el barco produce un ahorro importante pues podemos conseguir reducir el consumo a una cuarta parte de la que consumíamos antes con bombillas de incandescencia.

Además queremos tener la nevera todo el día en marcha que tiene un consumo de 140 vatios, pero al estar bien aislada solo funciona la mitad del tiempo de forma intermitente. Es decir en 24 horas gastaría 70 vatios x 24 horas = 1.680 vatios-hora. Pero de los cuales durante el uso diurno al sol (8 horas), la nevera se alimenta de la sobre producción de los paneles y por tanto no extraerá energía de la batería, por lo que podemos estimar que el consumo de la nevera a partir del parque de baterías será de 2/3 de esta cifra o lo que es lo mismo, 1.120 vatios-hora diarios.

 

 

Supongamos también, que tenemos un microondas de 1.000 vatios de potencia montado en la cocina, que se alimenta a través de un inversor que nos entrega 220 voltios, y con el que nos hacemos el café por la mañana durante 5 minutos y 10 minutos por la noche para calentar la cena en el microondas (triste cena por cierto). En este caso, la energía consumida será de 15 minutos a 1.000 vatios = ¼ hora x 1000vatios = 250 vatios-hora. Como el inversor tiene buen rendimiento de un 90% solo desperdicia un 10% en la conversión, por lo que el consumo de los electrodomésticos de la cocina será de 250 + 10% = 250 x 1,1 = 275 vatios-hora.

En total en este barco “típico” tendremos un consumo de energía diario de:

  • Electrónica………… 500 vatios-hora

  • Iluminación……..    240 vatios-hora

  • Nevera……………. 1.120 vatios-hora

  • Cocina…………….     275 vatios-hora

  • TOTAL Consumo medio diario: 2.235 vatio-hora.

Lo mejor es redondearlo por encima, pues siempre habrá que cargar algún teléfono móvil o algún consumo extra puntual; Y por tanto la energía consumida de forma diaria, en nuestro barco ejemplo será de 2.500 vatios-hora (2,5 Kwh).

 

Paso 2.- Dimensionar nuestro consumo diario y por tanto el parque de baterías

Dependiendo de por donde naveguemos y las posibilidades de tener días lluviosos, debemos considerar la posibilidad de tener energía para dos o tres días sin que salga el sol, o bien considerar el uso diario como la única energía que necesitamos almacenar.

Podríamos ser prudentes y dimensionemos el parque de baterías para que pueda alimentar el barco durante dos días completos sin regenerar el parque con los paneles solares. Esto nos permitiría duplicar los consumos si estamos en una temporada en la que todos los días tenemos sol. Pero si no somos tan prudentes, "‘a las malas", siempre podríamos encender el motor del barco para recargar baterías en los días excepcionalmente lluviosos…

Vamos a suponer que nuestro barco está  equipado a 12 voltios, aunque luego explicaremos en que afectaría si fuera con parque de 24 voltios con las ventajas de tener un barco al doble de tensión.

Si decidiéramos montar un parque en baterías de Ion-Litio tendríamos muchas ventajas. Estas son aún muy caras y del orden de 1.000€ por batería, aunque ya se pueden conseguir por algo más de la mitad de precio, de marcas de segundo orden y en los próximos 24 meses bajaran de forma significativa del orden de un 20%.

La energía que almacena una batería de Ion-Litio puede ser aprovechada de forma casi total. Es decir en una batería de 100 Amperios-hora a 12 voltios, que por tanto tiene una energía almacenada de 1.200 vatios-hora, casi TODA esta energía puede ser utilizada para nuestro ciclo diario de carga y descarga. Por tanto con SOLO 2 baterías (2 x 1.200 wh= 2.400 vatios-hora),  podríamos hacer un ciclo diario de carga y descarga de energía de eso… 2.400 vatios-hora que consumimos al día en nuestro barco ejemplo.

 

 

Como queremos ser precavidos y para disponer de una autonomía de 2 días, podríamos montar 4 baterías de 100 Ah. Pero al final el "bolsillo" manda, y entre tener una autonomía de 1 ó de 2 días (2 ó 4 baterías respectivamente) decidimos, por ejemplo, montar un parque de baterías de Ión-Litio de 300 Ah formado por 3 baterías de 100 Ah. El precio de CADA batería está en torno a los 800€ ó 900€, aunque actualmente está bajando a toda velocidad.

Es importante explicar que este mismo parque en baterías de ácido-plomo (independientemente de la tecnología de plomo utilizada, ciclo profundo, gel, AGM, Selladas, etc…) necesita ser multiplicado por 2 o por 3, pues de una batería de plomo de 100 Ah de capacidad, NO debemos extraer más allá de un 40% o 50% de su capacidad, so pena de estropearlas en sólo unas pocas decenas de ciclos. Así ocurre en muchos barcos de chárter, que siempre se quejan de tener las baterías machacadas por el extenuante uso que hacen los clientes poco cuidadosos. En decir en nuestro ejemplo de 3 baterías de litio de 100 Ah, deberíamos pasar a 8 baterías de plomo para alcanzar los 800 Ah.

 

 

Aunque las baterías de litio son mucho más caras, estas pueden tener una vida 5 veces más larga que las de plomo pues podemos alcanzar entre 4.000 a 5.000 ciclos completos de carga y descarga. Por tanto el precio por año utilizado ha de ser dividido por 5, aunque en el momento de la inversión tengamos que hacer un mayor desembolso. Si a esto sumamos que para una capacidad de energía útil utilizable, podemos utilizar la mitad o un tercio de las que antes teníamos en plomo, el coste real vuelve a dividirse, y por ello en el largo plazo, el Ión-Litio se convierte en el caballo ganador en todos los aspectos, incluido el económico.

Todo ello sin tener en cuenta otras ventajas muy importantes, como son el peso reducido a casi una tercera parte si utilizamos Litio, a igualdad de número de baterías o mucho menos aún si tenemos en cuentas que podemos reducir mucho el número real de baterías utilizadas. En nuestro ejemplo 3 baterías de litio de marca Battle Born de 100 Ah pesan 42 kilos (14 Kg cada Batería), mientras que el equivalente en plomo serian 8 baterías con un peso total de 178 kilos y un precio total de unos 900€.

 

Paso 3.- Dimensionar los paneles

Al final en nuestro ejemplo hemos decidido montar 3 baterías de Litio de 100 Ah y 12 voltios, con una energía total de 300 Ah, equivalen a 300Ah x 12Volt = 3.600 vatios-hora.

Si suponemos que tenemos 5 horas solares de buen irradiación, los paneles que montemos tendrán que suministrar durante 5 horas una energía total de 3.600 vatios-hora. Y por tanto, de media, en cada una de estas 5 horas, los paneles han de suministrar 3.600/5 = 720 vatios de potencia. O sea, que con dos placas de 400 vatios vamos bien, siempre y cuando estos paneles no entren en sombras.

En total habremos de "encontrar" una superficie de unos 4 metros cuadrados, pero si vamos a tener ratos de sombras, no estaría de más lograr algún metro cuadrado extra para garantizar el aporte de energía a las baterías.

Esta es una buena relación que si queremos podemos ampliar en misma proporción o disminuir, dependiendo de nuestras necesidades de energía a bordo de nuestro barco:

  • 2 paneles de 350 o 400 vatios.

  • 3 baterías de litio de 100Ah (o bien 8 de plomo de misma capacidad),

  • Consumo asegurado en uno o dos días a razón de 2.500 vatios-hora en cada día, que son suficiente para lo que ya describimos al comienzo, con el uso de una nevera 24/24, electrónica e iluminación.

Es raro ver instalados parques de baterías en plomo de más de 8 ó 10 baterías (salvo barcos de grandes esloras). En esloras por debajo de los 14 metros, el que más tiene llega entre 300 y 500 Ah, y por tanto, ya entendemos que sea normal que la mayoría de estos barcos tengan problemas de energía. El plomo al degradarse por mal dimensionamiento y mal uso, hace que estas se estropeen aún más, obligándonos a reponerlas para volver a destrozarlas poco después, por la siguiente tripulación.

 

 

 

Reguladores, instalaciones, cableados y controladores

Las instalaciones solares en los barcos son asunto de enorme interés y requiere de otros conocimientos que no hemos explicado en este artículo. Por ello seguiremos explicando cómo utilizar el mejor controlador solar, cómo cablear los distintos paneles solares, que tipo de sección de cobre utilizar para evitar pérdidas, como proteger el parque de baterías de las baterías de arranque… etc.

 

 

También dedicaremos otros artículos exclusivos a las baterías de Litio y como fabricarnos un parque en Ion-Litio por mucho menos dinero. El ácido/plomo está muerto, y a la larga, las nuevas "químicas" de Litio se van a imponer de forma definitiva. Existen diferentes químicas en baterías de litio, y una de ellas es la conocida y muy utilizada LiFePo4, que requiere un manejo adecuado y algunas modificaciones en nuestro barco, para que funcionen adecuadamente con el alternador del motor del barco y saber cómo modificar el cargador de baterías para que nuestro nuevo parque de baterías no corran peligro alguno.

 

 

 

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