Sistema híbrido eólico-fotovoltaico (SHEFV) de baja potencia (página 2)

Las energías renovables son las que se aprovechan directamente de recursos considerados inagotables (no disminuyen sus recursos en lo que respecta a la escala humana) como el Sol, el Viento, los cuerpos de agua, la vegetación o el calor interior de la Tierra, recursos que están relacionados con los ciclos naturales de nuestro planeta, haciendo posible que dispongamos de los recursos permanentemente; al contrario de las fósiles (energía convencional proveniente de recursos no renovables) cuyas "reservas almacenadas" se agotan debido a nuestro alto consumo.

Fig. Nº2

Las energías renovables que se utilizan en el Sistema Híbrido Eólico Fotovoltaico-SHEFV son:

A. La Energía Eólica

B. La Energía Solar

Este sistema autónomo basado en generadores eólico y fotovoltaico con almacenamiento por medio de baterías son una opción para suministrar electricidad las 24 horas del día alimentando pueblos remotos o áreas aisladas (emplazamientos remotos).

Para dimensionar los sistemas monovalentes utilizados en el sistema híbrido se relacionan los datos meteorológicos (velocidad del viento y radiación solar) de un emplazamiento con el tamaño de cada uno de los elementos del sistema (Generador eólico, fotovoltaico y baterías), para calcular:

C. El Potencial Energético de un Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico (SHEFV)

Los sistemas Eólico y Solar son los sistemas que van a transformar las energías Eólica y Solar en energía eléctrica. Especificando el concepto general de sistema, siendo necesario definir este concepto debido que vamos a estudiar los sistemas que integran el Sistema Híbrido eólico fotovoltaico-SHEFV y las relaciones que existen entre los sistemas, a continuación la definición de sistema.

¿Qué es sistema?

Sistema (lat. systema, proviene del griego σύσvημα) es la combinación de partes o elementos reunidos para obtener un resultado o formar un conjunto, de tal forma que un cambio en las partes o elemento afecta al conjunto de todos ellos. Los elementos relacionados directa o indirectamente con el problema y sólo estos formarán el sistema que se a de estudiar, (Ejm. sist. nervioso, sist. planetario, sist. binario, sist. informático, sistema energético, sistema educativo, etcétera).

¿Donde acaba el sistema?

Se incluirán sólo aquellos elementos que tienen una influencia razonable en el comportamiento del sistema, ya que no se debe olvidar el objetivo trazado: "proponer alguna acción práctica que sea eficaz en la solución del problema que se a de estudiar".

El sistema debe de contener el menor número posible de elementos, que permita realizar una simulación para explicar al final cual de las propuestas de acción que se a estudiado es más eficaz para solucionar el problema planteado.

Los modelos se crean primero pequeños y con pocos elementos, para luego ampliarse y perfeccionarse, posteriormente se suprimen los elementos que no intervienen decisivamente en el problema, para la construcción del modelo se suceden varias fases de expansión y simplificación de modelos añadiendo y suprimiendo elementos.

Fig. Nº3. Bosquejo de un Sistema

A. La Energía Eólica

La energía eólica tiene una procedencia directa de la energía solar, entre el 1% y 2% de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica, una característica fundamental de ese tipo de energía es su gran aleatoriedad, por lo que resulta complicado estimar la cantidad de energía eólica de la que vamos a disponer en un intervalo determinado de tiempo, además presenta una gran variación local, superior a la de la energía solar.

Fig. Nº4

La energía eólica es la energía cinética que posee una masa de aire que se encuentra en movimiento, asimismo la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen, en otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire, más energía recibirá la turbina. Por lo tanto la variable básica de la que debemos partir para estimar el potencial eólico de un determinado emplazamiento, es la velocidad de viento.

Energía y potencia del Viento

Una masa de aire m con movimiento uniforme unidireccional de velocidad v que posee una energía cinética, la expresión de esta ecuación básica es:

(1)

donde:

Ec : Energía cinética

m : masa de aire móvil

v : velocidad de masa de aire

Si ρ es la densidad del aire de la corriente uniforme, la energía por unidad de volumen de esta masa es:

(2)

El flujo volumétrico Q a través de una superficie de control estacionaria de sección frontal A es:

(3)

El flujo de energía (flujo de aire que atraviesa la superficie que cubre un aerogenerador) o potencia eólica (potencia disponible en el aire) de la corriente a través de A es:

(4)

donde:

P : potencia disponible en el aire

A : superficie que cubre el aerogenerador

v : velocidad del viento

ρ : densidad del aire 1,225 kg/m³

Fig. Nº5. Área A barrida por el rotor de diámetro D.

Una turbina eólica nunca va a ser capaz de extraer toda esta energía, por lo que es interesante disponer de un factor que nos indique la eficiencia de una determinada máquina. Ese factor es el coeficiente de potencia Cp, que determina el rendimiento aerodinámico del rotor. Es decir:

(5)

En forma teórica se ha obtenido el máximo valor que puede obtener este coeficiente que se denomina "límite de Betz" y su valor representativo es del orden de 0,5926.

B. La Energía Solar

El sol es una fuente de energía formidable, como todas las estrellas, el Sol es un gigantesco reactor nuclear (su masa es del orden de 330000 veces la de la Tierra) en el que la masa se convierte en energía radiante continuamente. Está formada por diversos elementos en estado gaseoso (hidrógeno principalmente). Tiene un diámetro de 1,4 millones de km. En su interior existen elevadas presiones, y temperaturas de varios millones de grados, que hace que en el seno del Sol se produzcan, de manera continua, reacciones nucleares mediante las cuales dos átomos de hidrógeno se fusionan dando lugar al átomo de helio liberando una gran cantidad de potencia, del orden de 389× 1024 W, este es el origen de la energía solar. Esta energía por encontrarse a 150 millones de Km. llega en forma de radiación a la Tierra, la potencia que llega es de unas 10.000 veces mayor que la que proporcionan todas las fuentes energéticas que el hombre emplea.

La radiación solar

Es la energía electromagnética (del sol) emitida, transmitida o recibida (RISOL 1999), podemos considerarla también como una lluvia de pequeñas partículas llamadas fotones. Los fotones viajan a la velocidad de la luz (c=3× 108m/s), independientemente de su longitud de onda λ, el comportamiento de la radiación solar esta determinado por la ecuación λ=c/v, donde v es la frecuencia de la propagación de los fotones.

La radiación solar terrestre, como en la atmósfera se refleja parte de la radiación que llega del sol, y otra parte se absorbe, a la superficie de la tierra llega, lógicamente una cantidad menor que la que se tiene en el exterior de la atmósfera. Viene a ser de unos 900 W/m², la cual cambia dependiendo de la hora del día, del día del mes y del mes del año; es decir, cambia cuando varían las condiciones atmosféricas (nubosidad, vapor de agua, gases, partículas, etc.).

La radiación solar extraterrestre, es la cantidad de energía solar recibida por unidad de superficie y por unidad de tiempo (por término medio) sobre una superficie enfrentada al Sol (perpendicular a los rayos solares), situada en el límite de la atmósfera, a la distancia media entre la tierra y el Sol cuyo valor medio es 1353 W/m², la cual es prácticamente una constante durante todo el año y es conocida como la constante solar.

Esta radiación está formada aproximadamente en:

Ø 47% por el espectro visible.

Ø 46% por el espectro infrarrojo.

Ø 7% por el espectro ultravioleta.

Fig. Nº6. Espectro electromagnético proporcionado por el Sol sobre la superficie de la Tierra.

Para especificar la Radiación Solar Terrestre, es necesario definir los siguientes conceptos:

• Radiación Solar Directa: Es la radiación que incide directamente del sol.
• Radiación Solar Difusa: Es la radiación dispersada por los agentes atmosféricos (nubes, polvo, etc.)
• Radiación Solar Reflejada (albedo): Es la radiación reflejada por el suelo o por los objetos cercanos.

Fig.Nº7. Componentes de la radiación solar terrestre total.

La radiación solar total sobre la superficie terrestre, es la suma de estas tres componentes y es la que se mide con un medidor de ración solar llamado piranómetro.

A continuación definiremos los componentes de la radiación solar total:

• Coeficiente de Absorción: Es el porcentaje de la energía incidente que absorbe el cuerpo.
• Coeficiente de Reflexión: Es el porcentaje de la energía incidente que refleja el cuerpo.
• Coeficiente de Transmisión: Es el porcentaje de la energía incidente que es transmitida a través del cuerpo.

Luego, por el Principio de Conservación de la Energía:

G = G× α + G× ρ + G× τ (6)

º α+ρ+τ=1 (7)

Fig. Nº8. Balance energético sobre un cuerpo

• Para un cuerpo negro: α=1 ; ρ=τ=0
• Para un cuerpo opaco: τ=0 ; α+ρ=1

En general, α, ρ y τ; dependen de la temperatura del cuerpo, pero para fines prácticos, se pueden considerar como constantes características de cada material.

C. El Potencial Energético de un Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico (SHEFV)

Para dimensionar un sistema híbrido basado en generadores fotovoltaicos y eólicos con almacenamiento por medio de baterías es necesario identificar todas las combinaciones posibles que ofrecen un determinado nivel de satisfacción o fiabilidad, la óptima opción se obtiene al valorar el coste económico de cada una de las posibilidades para un mismo nivel de fiabilidad.

El objetivo ideal sería obtener un conjunto de ecuaciones que liguen los datos meteorológicos (velocidad de viento y radiación solar) de un emplazamiento con el tamaño de cada uno de los elementos del sistema (Generador eólico, fotovoltaico y baterías).

Método de dimensionamiento del Sistema híbrido Eólico Fotovoltaico-SHEFV

Las condiciones climáticas indican la configuración idónea para un determinado emplazamiento. El carácter complementario que presentan la energía eólica y solar en diferentes lugares durante los ciclos estacionales presenta algunas importantes ventajas. Para estos casos los sistemas híbridos ganan fiabilidad respecto a los sistemas con una sola fuente de energía sin necesidad de un sobre dimensionamiento de los convertidores o las baterías.

Entre las ventajas de combinar el uso del viento y el sol para la generación de energía eléctrica es que ofrece reducción del coste total de la instalación. El mayor o menor beneficio de esta opción depende de la anticorrelación estacional en el tiempo de ambos recursos (el viento y el sol).

El método de simulación temporal del sistema para una determinada configuración que va variando hasta satisfacer los niveles de fiabilidad que se exige al sistema permite identificar rápidamente las posibles configuraciones con una probabilidad del 99%, se puede aumentar la fiabilidad de los sistemas teniendo en cuenta que ambas fuentes de energía pueden estar en correlación inversa.

Método Series Sintéticas

Las medias mensuales de irradiación diaria son los únicos datos necesarios para la generación de una serie horaria de índices de claridad, estas series tienen la característica principal de conservar propiedades estadísticas con validez universal, a partir de una autoregresión se describe la persistencia de la radiación de primer orden y la función de distribución del índice de claridad de la atmósfera tiene una forma exclusivamente asociada a su valor medio durante el periodo a considerar.

La velocidad media mensual y la velocidad cúbica media mensual que ajustará la función de distribución, se utilizará la densidad espectral de potencia para el modelado de la variación estocástica de la velocidad del viento. Estos dos procedimientos de generación de series se implementan individualmente.

Métodos de dimensionamiento del Shefv

Para dimensionar un sistema fotovoltaico: se debe afrontar la cuantificación del generador y del acumulador, la capacidad del generador (CA), se define como una relación entre los valores medios de la energía producida por el generador y la energía consumida por la carga. La capacidad del acumulador (CS), se define como la máxima energía que puede extraerse de él dividida por el valor medio de la energía consumida por la carga, es decir:

(8)

(9)

(10)

donde:

AG : Es el área del generador.

ηG : Es la eficiencia de conversión del generador.

Gd(α,β) : Es el valor medio de la irradiación diaria sobre el plano del generador.

L : Es el valor medio de la energía diaria consumida por la carga.

CU: Es la capacidad utilizable del acumulador.

CB : Es la capacidad nominal de la batería.

PDmáx : Es la profundidad de descarga máx. de la batería.

Para dimensionar un sistema eólico: se debe cuantificar la energía eólica disponible y los parámetros estadísticos que caracterizan a esta fuente de energía, es decir:

(11)

donde:

E : Energía Cinética.

m : masa de aire.

v : velocidad del viento.

(12)

donde:

e : energía por unidad de volumen de la corriente de aire.

(13)

donde:

Pd : Potencia mecánica disponible en las masas de aire.

A : Área expuesta a la corriente de aire.

(14)

donde:

Pd : La energía que fluye por unidad de tiempo, o potencia disponible.

ρ : Es la densidad del aire, 1,225 Kg/m³

Para dimensionar un Shefv: imaginemos un sistema que tiene todo el consumo durante la noche, el acumulador no tiene pérdidas y que la capacidad útil es la nominal. El estado de carga final del acumulador, en el momento al acabar la noche del día vendrá determinado por el estado de carga del día anterior y la energía generada y consumida en el día.

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D. Sistema Eólico

Un sistema eólico es un conjunto de máquinas eólicas (Aerogeneradores) accionadas por el viento que son capaces de suministrar electricidad a gran escala o a viviendas, granjas o pequeños núcleos rurales. Las máquinas eólicas destinadas a la producción de energía eléctrica se diferencian en función de las potencias nominales: a) Grandes aerogeneradores y b) Pequeños aerogeneradores.

a) Grandes Aerogeneradores

Aerogeneradores destinados a la producción de energía eléctrica a gran escala, cuya potencia nominal es de cientos de kilowatios (en la actualidad las máquinas instaladas en su mayoría tienen potencias nominales de 600 y 900 kW).

El aerogenerador por 3 partes:

Torre: Estructura que soporta el aerogenerador (góndola y el rotor), mejor cuanto más alta es, a mayor altura mayor velocidad de viento, un aerogenerador de 600 kW puede estar en torno a los 50 metros. Las torres pueden ser tubulares (más seguras) o, de celosía (más baratas).

Turbina Eólica: Se encarga de captar energía cinética del viento y transformarla en energía mecánica en su eje.

Los componentes de la turbina eólica son:

Buje: Centro del rotor donde se encastran las palas.

Eje de Buje: Eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 kW el rotor gira bastante lentamente, de unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.). El eje contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos.

Pala: Transforma por aprovechamiento aerodinámico la energía cinética del viento en energía mecánica en el eje del generador.

Góndola: Ubicada en la parte superior del aerogenerador, dentro se encuentran el multiplicador, el generador eléctrico o el sistema de orientación, los 2 primeros son componentes claves del aerogenerador. Las palas, el rotor del aerogenerador y el buje están situados a la izquierda de la góndola.

Los componentes de la góndola son:

Anemómetro: Mide la velocidad del viento, envía señales al controlador electrónico conectando el aerogenerador cuando el viento alcance la velocidad de arranque, Si la velocidad es superior a la de corte, el ordenador parará el aerogenerador para evitar los desperfectos.

Controlador electrónico: Equipado con un ordenador para monitorear las condiciones del aerogenerador y controlar el mecanismo de orientación, en caso de disfunción automáticamente detiene el aerogenerador y da aviso al ordenador del operario encargado de la turbina.

Eje de alta velocidad con su freno mecánico: Gira aproximadamente a 1,500 revoluciones por minuto (r.p.m.) lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

Generador eléctrico: Transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Existen fundamentalmente 3 tipos de generadores: Generador asíncrono de jaula de ardilla, Generador asíncrono de rotor bobinado y Generador síncrono de imanes permanentes.

Multiplicador: Sistema mecánico encargada de elevar la velocidad de giro del sistema mediante un conjunto de engranajes comunica al eje arrastrado o de salida una velocidad de giro mayor que la del eje motor o de entrada, desde la velocidad de la turbina (20-30 rpm) a la velocidad del generador (1000-1500 rpm).

Mecanismo de Orientación: Utilizado para mantener el rotor de la turbina en posición contra el viento (perpendicular a la dirección del viento) para que a través del rotor pase la mayor proporción posible de energía eólica.

Sistema Hidráulico: Restaura los frenos aerodinámicos del aerogenerador.

Unidad de Refrigeración: Compuesta por un ventilador eléctrico y una unidad de refrigeración de aceite, el primero enfría el generador eléctrico y el segundo enfría el aceite del multiplicador, otras turbinas tienen generadores enfriados por agua.

Veleta: Mide la dirección del viento, envía señales al controlador electrónico de forma que hace girar el aerogenerador en contra del viento utilizando el mecanismo de orientación.

Fig. Nº9. Grandes Aerogeneradores y sus partes.

b) Pequeños Aerogeneradores

Este tipo de generadores suelen ser instalados en zonas alejadas del suministro eléctrico o trazado de la red general de distribución eléctrica, el tamaño y tipo de instalación depende únicamente de las necesidades del usuario de la instalación y es característico en ellos que la instalación se sitúe muy cerca del centro de consumo (viviendas, granjas o pequeños núcleos rurales), requiriéndose frecuentemente la existencia de acumuladores.

Las instalaciones más frecuentes emplean tecnologías muy fiables en las que es necesario un mantenimiento básico, las aeroturbinas empleadas en las instalaciones de pequeña potencia son aerogeneradores de alta velocidad (λ>2), normalmente utilizadas para suministro eléctrico a viviendas aisladas y/o otros centros de consumo, la potencia de estas aeroturbinas varían entre 100 W y 10 kW.

Estos aerogeneradores son muchos más sencillos que los descritos anteriormente para sistemas de generación a gran escala, sus características fundamentales son:

1. Aerogenerador de viento de baja potencia:

Turbina: Puede tener 2 o 3 palas realizadas en fibra de vidrio y carbono.

Generador: Es de imanes permanentes y esta acoplado directamente a la turbina (no utiliza multiplicador).

Sistema de Orientación: Ejerce el papel de sistema primario de protección ante velocidades elevadas de viento, consiste en una cola, tal como se ve en la figura (abajo). Los sistemas de orientación automática están diseñados especialmente para conseguir una sensible timonización ante rachas de viento de bajas velocidades, cuando las velocidades se acercan a valores demasiado elevados para el buen funcionamiento de la máquina, este sistema produce la progresiva desorientación del aerogenerador que lo lleva a dejar de funcionar.

Salida del sistema: Depende del sistema al que se desee abastecer puede ser en corriente continua o alterna.

Torre: Puede ser de celosía o tubular.

2. Equipo de regulación y monitorización del aerogenerador (Segundo sistema de seguridad): Conjunto de resistencias de frenado y un regulador de carga, que desvía hacia el conjunto de resistencias los excedentes de energía que las baterías de la instalación no pueden asumir, evitándose de este modo que el aerogenerador tenga que estar funcionando en vacío y por lo tanto girando a velocidades peligrosamente elevadas, en los periodos de tiempo en que las baterías presentan elevados niveles de carga.

3. Banco de Baterías: Almacena energía durante varios días, con el objeto de disponer de energía en los períodos de viento flojo o de calma, este sistema es inútil en sistemas de generación eléctrica conectados a la red.

4. Inversor: Transforma y amplifica corriente continua en alterna. Los voltajes continuos pueden ir desde los 12 V hasta los 100 V.

5. Punto de Consumo: Lugares alejados o remotos y centros poblados que no están interconectados a la red eléctrica nacional.

Fig. Nº10. Pequeños Aerogeneradores y sus partes.

E. Sistema Fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico es el conjunto de elementos que son capaces de realizar suministro de electricidad para cubrir las necesidades planteadas a partir de la energía procedente del sol. El sistema Fotovoltaico está constituida por un conjunto de componentes básicos: paneles fotovoltaicos, regulador, baterías eléctricas e inversor y cargas.

Fig. Nº11. Esquema del Sistema Fotovoltaico

F. Sistema Híbrido

Un sistema híbrido es un sistema compuesto por dos o más sistemas, ejm.: Sistema Híbrido Diesel-Eólico, Sistema híbrido Eólico-Fotovoltaico, Sistema híbrido Eólico-Fotovoltaico-Hidráulico.

Los sistemas autónomos basados en generadores fotovoltaicos y eólicos con almacenamiento por medio de baterías son una opción para la alimentación de pequeñas cargas en emplazamientos remotos. Para dimensionar un sistema híbrido es necesario identificar todas las combinaciones posibles que ofrecen un determinado nivel de satisfacción o fiabilidad. De todas las opciones la óptima se obtiene al valorar el coste económico de cada una de las posibilidades para un mismo nivel de fiabilidad.

Sistema Híbrido Eólico Fotovoltaico-SHEFV

Fig. Nº12. Esquema del Sistema Híbrido

CONCLUSIONES

El Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico (SHEFV) de baja potencia es un sistema de alta eficiencia, con resultados muy alentadores, aunque todavía no se puede dar paso a escala comercial comparable a la dada en los sistemas aislados o en los interconectados a las redes nacionales. La configuración típica de un sistema híbrido eólico-fotovoltaico (SHEFV) está representada por la Fig. №12.

Ser consumidores dependientes del petróleo y consumidores excesivos de la energía nos lleva a una reconversión energética; el sistema híbrido eólico-fotovoltaico (SHEFV) rompe la dependencia económica de los proveedores de combustible.

La industria de las energías eólica y solar fotovoltaica son demasiado jóvenes, se deben esperar algunos años más para que alcance su madurez (confianza razonable en las tecnologías y materiales utilizados).

También se tiene como unas de sus desventajas tal vez las más importantes el desconocimiento que muchos tienen de estos sistemas y la falta de inversiones en este sector.

BIBLIOGRAFÍA

[1] PACCO RAMÍREZ Karina Lucy del Pilar; Proyecto de Tesis; Evaluación Energética Comparativa de un Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico (SHEFV) de baja potencia para la electrificación de una vivienda urbana; Tacna-Perú; 2008, pg. 1-32.

[2] PACCO RAMÍREZ Karina Lucy del Pilar; Informe de prácticas pre-profesionales; Vientos de Tacna; Tacna-Perú; 2005, pg. 1-100.

[3] PACCO RAMÍREZ Karina Lucy del Pilar; Los Vientos de Tacna; Primera Edición; Perugráfica S.A.C.; Tacna-Perú; Diciembre 2007; pg. 1-117.

[4] ESCUDERO PASCUAL Alberto; Documentación; Sistema Mixto Eólico Fotovoltaico en vivienda rural basada basada en el concepto de "Permacultura"; Piña de Esgueva-España; Mayo 1998; pg. 1-114.

[5] BAYOUD Ángel y otros; GUÍA DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES APLICADAS A LAS PYMES; en:

CEPYME ARAGON; España.

[6] UPME; ENERGÍAS RENOVABLES: DESCRIPCIÓN, TECNOLOGÍAS Y USOS FINALES; en:

Unidad de Planeamiento Minero Energética (UPME)- MINISTERIO DE ENERGÍA; Bogotá D.C.; Colombia.

Autora:

Karina Lucy del Pilar Pacco Ramírez

Bachiller en Física aplicada con mención en Energías Renovables

Datos del artículo:

Fecha de realización: 06 de Julio del 2008

CATEGORÍA: Tecnología

Tacna, Perú