Design of Sizing Algorithms for a Direct Current Off-Grid Photovoltaic Installation T. Castillo, A. M. Macarulla, and C.E. Borges 1 Abstract— This paper presents a novel methodology for the sizing of an off-grid photovoltaic DC microgrid with emphasis on cost reduction and design simplification. The sizing algorithms used to design and build each of the subsystems of the installation are also presented and validated by the SimPowerSystem tool. The methodology has been tested on a real building, the hall of residence from the University of Deusto, and its novelty lies in the capacity of supplying electricity to a building, which average daily consumption is around 339.41 kWh, located in one of the regions of Spain with low solar radiation. Experiments provide satisfactory results by reducing both the necessary number of panels around 54 % and the energy storage down to 51 % in comparison with the sizing methods established in the literature. Our proposed methodology includes highly adaptable algorithms that enable a rapid design and posterior adjustment of a new installation for newer buildings. Keywords—Photovoltaic generation, sizing algorithm, hall of residence, direct current, grid off. I. INTRODUCCIÓN A ENERGÍA es un bien preciado por la humanidad, sin ella la vida tal y como la conocemos, no sería posible. Para producir energía eléctrica existen dos tipos de fuentes energéticas: la tradicional (carbón, petróleo, gas, y la nuclear) y la emergente (renovable). Mientras que la tradicional es altamente contaminante, y costosa [1], la emergente es limpia [2], democrática, y eficiente [3][4]. Las tradicionales se asocian con las no renovables. Se están logrando consensos [2] internacionales respecto a cómo sustituir las fuentes tradicionales (fósiles), por sistemas de generación renovables. Algunas de las renovables como lo son la: eólica, hidroeléctrica, solar, biogás, mareomotriz, entre otras. Entre las renovables la hidroeléctrica suma significativamente al mix energético su aportación desde principios del siglo XX. Esta fuente de energía ha contribuido con su posicionamiento actual por el gran potencial que presenta, pero no se puede olvidar que presenta serios inconvenientes, tales como: • Problemas técnicos como la ruptura de la presa [5]. • El cambio climático varía los patrones de lluvia afectando las rentabilidades de estas infraestructuras [6][7]. • Se necesitan de grandes inversiones para poder generar electricidad. 1 T. Castillo, Universidad de Deusto, España y Universidad de Oriente, Venezuela, tony.castillo@opendeusto.es A. M. Macarulla, Universidad de Deusto, España, ana.macarulla@deusto.es C. E. Borges, Fundación Deusto, España, cruz.borges@deusto.es Corresponding author: Tony Castillo Calzadilla • El desplazamiento de poblaciones enteras para construirlas [8]. • La necesidad de mantener los caudales ecológicos, problemas con los desoves de las especies, facilitación de entrada de especies invasoras, así como también la devastación de grandes extensiones de flora y fauna autóctona [9]. A pesar de que la generación hidroeléctrica representa el 16,6 % [10] a escala global depende mucho de la situación geográfica, tal y como sucede con la eólica. Es por ello, que para aplicaciones de mediana escala y con posibilidad de trabajar de forma aislada de red [11], la energía solar fotovoltaica (PV) [3][4] es la que mejor se posiciona para solventar los problemas del cambio climático, eficiencia energética, y aumento del consumo global. El mercado parece ir en esta dirección pues solo en el 2015 hubo un incremento de 50 % en la capacidad instalada alcanzando los 227 GW [10]. Si bien es cierto que en la actualidad la generación solar PV es aún más costosa y menos eficiente que la tradicional, también lo es que la solar PV tiene un futuro prometedor no muy lejano. Los costos en sistemas fotovoltaicos han caído entre un 29 % y un 65 % entre 2010-2014. El costo nivelado de la electricidad en proyectos solares fotovoltaicos de azotea ha descendido a un mínimo de 78 $ MWh en 2015, mientras que el gas natural tiene un mínimo de 68 $ MWh, así como el carbón tiene un costo de 65 $ MWh. Esto ha impulsado la masificación del uso de esta tecnología verde para la generación eléctrica [12]. Los niveles de eficiencia año a año vienen aumentado, mientras que el precio disminuye proporcionalmente [13], en la actualidad se han alcanzado récords de eficiencia de más del 26 % para silicio monocristalino [14], un 50 % en células de Perovskitas [15], y en células comerciales de silicio la eficiencia ha alcanzado un récord de 24,1 %. Existen innumerables algoritmos de uso comercial para el diseño de instalaciones solares, pero en su mayoría orientadas al consumo en AC haciendo uso de inversores [16] impulsadas por empresas comercializadoras de estas tecnologías. En este trabajo se proponen algoritmos para el dimensionamiento de microrredes de generación solar fotovoltaica de baja tensión en corriente continua (DC) para edificios aislados de mediana potencia. De esta manera se genera una alternativa a las metodologías de diseño de instalaciones solares que ya se comercializan en la actualidad. Basándonos en datos reales de consumo eléctrico y de generación solar se ha modelizado una instalación DC que daría servicio a un gran edificio residencial [17]. En este artículo se presentan los algoritmos para dimensionar eficientemente los sistemas de: captación, almacenamiento y de control. L 2168 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 8, AUG. 2018