8. rojas espinoza hugo

XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014

IMPLEMENTACION DE SISTEMAS DE ENERGÍA HIBRIDOS SOLA R DIESEL DE ALTA CONFIABILIDAD PARA UNA RED DORSAL DE

TELECOMUNICACIONES ENTRE YURIMAGUAS E IQUITOS

Hugo Rojas Espinoza - [email protected]; [email protected] Jafett Rolando Vergara Prado - [email protected]

Vicente Lopez Giraldo - [email protected] CIME Comercial S.A. - Departamento de Ingeniería

Dirección: Av. Industrial 132, ATE. Lima-Perú

Resumen. Este artículo muestra los criterios de diseño e implementación de sistemas de energía híbridos solar-diesel de alta confiabilidad para respaldar estaciones de telecomunicaciones para una red dorsal (red de transporte) instaladas en la selva del Perú a lo largo de los Ríos Huallaga y El Marañón. Estos sistemas de energía respaldan la red dorsal que une Yurimaguas con Iquitos desde Marzo de este año y se encuentran operando, uniendo Iquitos a nuestra Red de Interconectada de Telecomunicaciones. Palabras-clave: Energía Solar, Diesel, Confiabilidad, Estrategia, Control, Seguridad, Optimización. 1. INTRODUCCION

En el marco del proyecto de integración amazónica el gobierno del Perú renovó el contrato de una de las

operadoras más importantes en el sector de telecomunicaciones. En el marco de este contrato la operadora a cargo de la inversión licitó la implementación de la infraestructura y operación de la red. La red de telecomunicaciones compuesta por tres pilares; infraestructura, energía y enlace fue adjudicada a un consorcio dentro del cual CIME Comercial S.A. ha sido responsable de la parte de energía, es decir, construir (diseñar, fabricar, suministrar e instalar) diez (10) sistemas de energía (shelters, soportes, paneles, generador diesel, baterías, balizaje, sistema de control, etc.) para respaldar la red de transporte. Por la clasificación de la red de transporte, muy alta disponibilidad de servicio. Los sistemas de energía, como un subconjunto del sistema de telecomunicaciones y que brindará soporte para los equipos de radio-enlace, deberá ser un sistema con alta confiabilidad. La ubicación geográfica de las estaciones, por su dificultad de acceso, su localización en zonas protegidas de la nuestra Amazonía y su impacto en las localidades cercanas, hace de este proyecto un emblema dentro de los proyectos ejecutados por los ejecutores. Este artículo muestra, brevemente, los criterios de diseño, las condiciones previamente asumidas para la operación y la implementación de los sistemas de energía solar-diesel.

Los sistemas de energía se encuentran ubicados en el recorrido entre Yurimaguas y Nauta. Todo el acceso es solo

vía fluvial o aérea (helicóptero). La geografía implica esfuerzos adicionales para llevar adelante el proyecto. En los criterios para el diseño se ha tomado en cuenta que la operación del sistema no demande repuestos y/o consumibles que dificulten tiempos de respuesta y costos elevados que no estén previstos por la dificultad de acceso a las estaciones que conforman el enlace. Los tiempos entre estaciones consecutivas, utilizando un deslizador de 160HP sin carga, demanda un viaje de 2 a 3 horas entre un puerto a otro y caminatas sin carga de 40 minutos a 2 horas dependiendo de la ubicación. El recorrido de toda la ruta entre capitales de Yurimaguas a Nauta está alrededor de 12 horas sin hacer paradas en puertos. Esto nos da una idea de la complejidad de atención de alguna de las estaciones ante una emergencia. Es ahí donde se requiere el alto grado de confiabilidad para permitir tiempos de respuesta largos y sobre todo equipamiento resiliente para evitar cortes de servicio.

Figura 1. Diagrama de un sistema de energía híbrido fotovoltaico/eólico/diesel.


2. CONFIABILIDAD EN SISTEMAS DE ENERGIA

Para esta red de transporte de telecomunicaciones el soporte de energía está basado en la operación combinada de dos fuentes de generación, una renovable y la otra no. Este sistema de energía, debe brindar mayor confiabilidad que la propia red de transporte. Al ser un subconjunto del sistema requiere mayor confiabilidad que el mismo sistema. Para sistemas de telecomunicaciones, las redes de transporte (dorsales) requieren confiabilidad de 4 nueves, así la red de transporte requiere 99.995%. Este concepto de confiabilidad se hace extensivo a los sistemas de energía. Es aquí, donde, por el grado de confiabilidad de requiere; la planificación, el diseño, la construcción y la operación para la puesta en servicio del sistema de comunicaciones puede convertirse en un reto difícil de cumplir. Para analizar la confiabilidad del sistema se deben tener en cuenta que cada componente tiene o debe tener asociado un histórico estadístico obtenido desde el fabricante o de un registro del operador del sistema. Para ello es importante tener los siguientes conceptos en cuenta: 2.1. MTBF: tiempo medio entre fallas

2.2. MTTR: tiempo medio para reparar

2.3. Disponibilidad 3. SISTEMAS DE ENERGÍA HIBRIDOS

Los sistemas de energía híbridos son aquellos que proveen energía en áreas remotas y que por lo alejado y/o dificultades de acceso no están conectadas a la red. Un sistema de energía híbrido integra una o más fuentes de energía con el propósito de cubrir cierta demanda de energía. Estos sistemas eliminan los problemas asociados con sistemas solares fotovoltaicos puros y sistemas diesel aislados.

Figura 2. Diagrama de un sistema de energía híbrido fotovoltaico/eólico/diesel.

Aquellos sistemas son inherentemente confiables debido a las múltiples fuentes de energía y generalmente usan

conjuntos con generación diesel, como segunda fuente, capaces de proveer el total de la energía a demanda. Estos son independientes de la capacidad, red eléctrica centralizada e incorpora más de una tipo de fuente de energía. Los sistemas de energía aislados en corriente alterna incluyen como siguiente: sistemas convencionales de generación diesel en AC, un sistema eléctrico de distribución y consumos en AC distribuidos. Un sistema híbrido de energía podría también incluir fuentes adicionales de energía como fuentes renovables (aerogeneradores, módulos fotovoltaicos) y almacenamiento.

Puede haber más de un generador diesel suministrando energía a la red. Estos están normalmente conectados a un

bus AC en una caseta de energía donde los generadores diesel están instalados. Este bus provee energía a la red de distribución. Cuando existe más de un generador diesel, un sistema de control debe ser empleado para introducir adecuadamente la energía desde los generadores diesel. Estos sistemas de control podrían tomar varias formas especialmente sistemas de control computarizados que se han generalizados y uno de esas formas es utilizar un grupo diesel para mantener la frecuencia de la red y hacer operar los otros a aceleración constante (Kaikhurst, 1998).


4. CONFIGURACION DE SISTEMAS DE ENERGÍA HIBRIDOS Las configuraciones de sistemas híbridos tienen muchas ventajas como; alimentar directamente los consumos de

manera óptima; la eficiencia del Diesel puede ser maximizada; el mantenimiento del Generador Diesel se minimiza y se logra una reducción en las capacidades del banco de baterías y el Generador Diesel (mientras se alcanzan los picos de cargas) 1. De acuerdo a Wichert (1997)2, los sistemas de energía híbridos con y sin fuentes renovables están clasificados de acuerdo a su configuración como sistema híbridos en serie, híbrido conmutado o híbrido paralelo.

4.1. Sistema hibrido en serie

En este tipo de sistemas la fuente de energía renovable o el generador diesel son utilizados para mantener cargado

un gran banco de baterías. Durante periodos de baja demanda de energía eléctrica el generador diesel está apagado y los consumos pueden ser alimentados desde un sistema fotovoltaico o eólico junto con la energía almacenada. La energía proveniente del banco de baterías es convertida en corriente alterna a cierto voltaje y frecuencia por un inversor y luego se alimentan los consumos. La recarga de baterías puede ser controlada o regulando la corriente del rectificador. El controlador de carga previene la sobrecarga del banco de baterías que puede darse cuando la fuente renovable (solar o eólica) excede la demanda y las baterías están completamente cargadas. El sistema puede ser operador en modo manual o automático, con la adición de un sistema de control apropiado que sense el voltaje de baterías y prenda/apague el generador diesel.

Figura 3. Diagrama de sistema híbrido en serie.

Las ventajas de esta configuración son que el generador diesel puede ser dimensionado para ser utilizado de

manera óptima, mientras alimenta los consumos y recarga el banco de baterías, hasta que se alcanza un estado de carga (SOC) alrededor de 70-80%. No se requiere conmutación de alimentación entre las diferentes fuentes de energía simplificando así la interfaz de salida eléctrica. También la potencia suministrada a la carga no se interrumpe cuando se el generador diesel empieza a operar y el inversor puede generar una onda senoidal pura, cuadrada, modificada dependiendo de la aplicación.

Aunque los principios de diseño de los sistemas híbridos en serie son relativamente fáciles de aplicar. Islam

(1999)3 indica entre sus desventajas: baja eficiencia debido a los la configuración en serie de los elementos del sistema; la necesidad de un banco de baterías de capacidad mayor que la demanda máxima pico haciendo más costoso este componente para el sistema; y con fuentes renovables hay un control limitado del rectificador porque está basado en el nivel de carga de la batería más que la demanda del sitio.

Un sistema híbrido tipo serie se caracteriza por la baja eficiencia global del sistema ya que el generador diesel no puede suministrar energía directamente a la carga; el uso de un gran inversor y debido al perfil cíclico de recarga del gran banco de baterías se debe limitar la profundidad de la descarga; limitando la optimización del generador diesel y la fuentes de energía renovable. El banco de baterías es ciclado (cargado/descargado) frecuentemente, acortando su vida útil. Si el inversor falla se produce una pérdida completa de energía que alimenta el consumo, a menos que la carga se puede alimentar directamente por el generador diesel para casos de emergencia.

4.2. Sistema hibrido conmutado

1 Shaahid-Elhaldidy, 2007, Technical and economic assessment of grid-independent hybrid photovoltaic–diesel–battery power systems for commercial loads in desert environments, Center for Engineering Research, Research Institute, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Arabia Saudi. 2 Wichert, B 1997 “PV-diesel hybrid energy systems for remote area power generation- A review of current practice and future developments”, Renewable and Sustainable energy Reviews, Vol. 1, No. 3, 1997, pp. 209-228. 3 Islam, S.M., 1999. Improving Operational Cost in a Hybrid System by Optimal Sizingand Control Design, A Short Course On: PV/Diesel/ Hybrid Systems, Australian Cooperative Research Centre For Renewable Energy, Curtin University of technology, Australia


Este sistema permite que la fuente de AC sea el generador diesel o el inversor pero no es posible el

funcionamiento en paralelo de la fuente principal de generación (Islam, 1999)3. Ambos, el generador diesel y la fuente renovable pueden cargar el banco de baterías. El generador diesel alimenta los consumos durante el día y picos nocturnos mientras el banco de baterías es cargado por la fuente renovable y algún exceso proveniente del generador diesel. La energía es entregada a los consumos desde la batería a través del inversor durante periodos nocturnos de baja demanda. A continuación se muestra un esquema típico de esta configuración.

Figura 4. Configuración de un sistema híbrido conmutado

La principal ventaja de este tipo de sistema es su operación silenciosa en las noches y las mejoras adicionales en el

consumo del diesel. Un sistema híbrido conmutado está también caracterizado por el hecho de que el generador diesel puede alimentar directamente la carga, por lo tanto, mejora la eficiencia del sistema y reduce el consumo de combustible. Así como el sistema tipo serie, el generador diesel se mantiene apagado durante periodos de baja demanda y el inversor puede generar una onda senoidal pura, cuadrada, modificada dependiendo de la aplicación. Los sistemas híbridos conmutados pueden ser operados en modo manual, sin embargo, el incremento de la complejidad del sistema hace indispensable incluir un control automático junto a un sistema de sensado del voltaje de baterías para prender/apagar el grupo automáticamente.

El generador diesel y el inversor son generalmente dimensionados para alimentar los picos de la demanda, estos

equipos reducen su eficiencia en operación a carga parcial y no existe optimización en el control del generador diesel cuando la solución de la fuente conmutada está basada en un simple reloj horario. La alimentación de los consumos es interrumpida momentáneamente cuando se hace la transferencia de la fuente AC.

4.3. Sistema hibrido paralelo (Fuente/Inversor-Cargador Paralelo/Almacenamiento)

La configuración en paralelo, mostrada en la siguiente figura, permite que todas las fuentes de energía alimenten

los consumos de forma independiente o separada a baja o mediana demanda, así como alimentar rápidamente los consumos desde una combinación de ellas sincronizando el inversor con la forma de onda de salida del generador diesel, un inversor bi-direccional puede recargar el banco de baterías cuando se tiene energía disponible desde el generador diesel, así es como actúa un conversor AC-DC (Rectificador). En este caso las fuentes renovables y el generador diesen pueden alimentar directamente parte de la demanda. El generador diesel y el inversor pueden operar en paralelo.

Figura 5. Configuración de un sistema híbrido conmutado


Las ventajas de esta configuración sobre los demás tipos de sistemas son que; puede alimentar los consumos de manera más óptima, la eficiencia del generador diesel puede ser maximizada, el mantenimiento del generador diesel puede ser minimizada y se tiene una reducción de las capacidades del generador diesel, banco de baterías y fuentes renovables cuando se cubre los picos de demanda. De todas maneras el control automático es esencial para una operación confiable y así el sistema es menos accesible a un usuario del sistema sin entrenamiento. También el inversor tiene que ser de onda senoidal pura con la posibilidad de sincronizarse con la fuente AC secundaria.

4.4. Sistema hibrido combinado (Fuente/Inversor-Cargador Bidireccional/Almacenamiento)

La configuración de sistema combinado utiliza una función existente en equipos que brindan alimentación

ininterrumpida de suministro (UPS por sus siglas en Inglés) permitiendo

Figura 6. Configuración de un sistema híbrido combinado

Las ventajas solamente pueden ser alcanzados si la operación interactiva de los componentes individuales del

sistema son controlados por un sistema inteligente de control de la energía. Aunque actualmente se pueden encontrar sistemas híbridos paralelos que incluyen sistemas de control que varían en complejidad y sofisticación, estos no optimizan4 la operación del sistema completo.

5. MODELADO DEL SISTEMA

En los sistemas híbridos implementados se ha establecido que el generador diesel opere como mínimo a un factor

de carga de 60% principalmente para atender la recarga del banco de baterías. Así mismo, se ha programado que la mínima profundidad de descarga del banco de baterías será del 50% para obtener un tiempo de vida mayor a 8 años. Durante la recarga del banco de baterías se aprovechará la reserva rotante del generador diesel para alimentar los equipos de comunicaciones. El funcionamiento a carga parcial del generador diesel ocurre cuando la batería está logrando completar su carga y no puede aceptar la corriente máxima del generador diesel.

Los parámetros descritos anteriormente han sido simulados en hojas de cálculo y validado con software privado de

manera que se pueda contrastar los valores obtenidos de la primera simulación bajo asunciones de experto. El modelo fue introducido en HOMER.

Figura 7. Datos obtenidos del modelo y costos introducidos en la herramienta de verificación.

4 El término “optimizar” es utilizado para describir el diseño y operación de sistema de energía híbrido paralelo que está basado en fuentes de energía renovable y diesel en el cual los costos del ciclo de vida resulta mínimo, mientras también considera condiciones restrictivas de operación. La optimización incluye el dimensionado y ciclado de baterías.


6. IMPLEMENTACIÓN DE PROYECTO 6.1. Diseño del Sistema

Los sistemas de energía implementados en este proyecto están diseñados bajo un escenario 80% solar y 20%

eólico partiendo de esa premisa los sistemas deberían generar el 100% del consumo de la estación repartidos en esas fracciones. De esta manera, todos los días el arreglo solar cubrirá el 80% de la demanda, el déficit acumulado – finalmente en la batería – tendrá un tope programado que iniciará el funcionamiento del generador diesel.

6.2. Análisis de Sombra

Dentro del proyecto por la limitación de espacios alquilados se han tenido áreas determinadas previamente sobre

las cuales el sistema solar no debería recibir sombras. Sin embargo, en los meses de Julio a Setiembre el frente sur donde se ubicaba la torre de 125 metros producía sombras en los arreglos solares. Se analizó el impacto que producían las sombras dentro del área que incluso estaba prevista para ampliaciones futuras.

Fotografía 1 y 2: Carta solar y geometría para calcular las pérdidas de los arreglos previstos en 4 ampliaciones.

Fotografía 3 y 4.- Perfil de la torre para distancias de los arreglos solares a 40m y 20m de la torre.

Fotografía 5 y 6.- Perfil de la torre para distancias de los arreglos solares a 10m y 3m de la torre.


Estas pérdidas por sombra se irán incrementando de acuerdo al crecimiento de los arreglos solares ya que el

proyecto involucra etapas de aumento de consumo o demanda, pues el tráfico de la red aumentará con el número de usuarios y volumen de servicios que tiene proyectado el operador.

Fotografía 7.- Distribución de los arreglos en site layaout de un sitio modelo.

6.3. Sistema de Control de Potencia

El sistema de control de potencia ha considerado redundancia N+1 para ambos sistemas de control de potencia

(Rectificador y Controlador Solar) esto brindará resiliencia del sistema ante alguna falla. El controlador solar es modular, está compuesta hasta por ocho (08) unidades que hacen manejan arreglos diferentes (con diferentes MPPT para optimizar la generación en sombra parcial) y conectados a través de la red Modbus para su supervisión. El rectificador compuesto por doce (12) módulos operando en paralelo Además el sistema de control permite:

� Maximizar la eficiencia del sistema � Minimizar el uso de combustible del generador diesel � Maximizar el uso de la fuente renovable � Maximizar el tiempo de vida de los componentes � Asegurar la confiabilidad de la operación del sistema � Considerar restricciones operacionales, tales como consumos prioritarios, restricciones de operación nocturna

del generador diesel o el mínimo estado de carga de la batería.

Fotografía 1 y 2: Izquierda: Controlador Solar. Derecha: Rectificador.


Fotografía 3 y 4.- Izquierda: Bancos de baterías. Derecha: Vista de equipos de control de potencia y en segundo plano

equipos de radio..

Fotografía 5.- Shelter de Grupo Electrógeno. Se logra ver el sistema solar que mantiene la batería de arranque cargada para el arranque del equipo.

Los shelters de comunicaciones y equipos cuentan con aislamiento y ventilación forzada que permite expulsar el

aire caliente (principalmente disipado por los equipos de comunicaciones) y mantener la temperatura de la sala a una temperatura menor o igual a la temperatura exterior. Se ha considerado la influencia de la temperatura dentro del análisis del CAPEX/OPEX sobre la vida útil de los equipos (principalmente baterías) ya que su costo de reposición debe pronosticarse y asegurarse para cumplir con los costos previstos para su operación y rentabilidad. 7. SISTEMA DE CONTROL

7.1. Estrategia de Control

Una característica dentro de los sistemas de control es la estabilidad, se dice que un sistema está en estado

estacionario cuando las salidas sigue a la entrada (tiene la misma forma). Un sistema es estable cuando estando en el estado estacionario cambia la entrada después de un tiempo finito el sistema vuelve a un estado estacionario.

El sistema de control debe regular la salida de generación de las fuentes de energía y controlar su inyección a la

unidad de almacenamiento. Así debe controlar los niveles de conexión de las fuentes de energía y desconexión de los consumos para proteger el banco de baterías de sobre-descargas y optimizar el tiempo de reposición del banco de baterías. Como se muestra en la gráfica siguiente el sistema controla la conexión y desconexión para el nivel de carga (umbrales o tensiones de carga), el nivel inferior muestra los umbrales de conexión y reconexión de los consumos o demanda. Estos umbrales son fijados por el usuario y dependerán del tipo de aplicación en que opera el sistema de energía (Telecomunicación, Industria petrolera, hospitales, electrificación rural, etc).


Figura 8. Distribución de sensores de adquisición de datos

Figura 9. Distribución de sensores de adquisición de datos

En la figura anterior se muestra la operación esperada del sistema de energía durante una semana, se han fijado

valores para el ingreso del sistema diesel en 50% de SOC. Este sistema de control tiene los algoritmos distribuidos. Equipos de control para la línea de fuerza y equipos de control para líneas de comando que obtienen información de los equipos de potencia.

7.2. Implementación del Sistema de Control

El sistema de control permite

Figura 10.- Sistema de control implementado.

Las imágenes siguientes muestran los sistemas implementados, shelters, arreglos, balizaje.


Fotografía 7 y 8: Vistas de los shelter y vista de planta del arreglo.

Fotografía 9.- Vista de planta del sistema de energía implmentado.

Fotografía 10.- Vista panorámica de uno de los sistemas de telecomunicaciones implementado.

Diariamente el sistema reporta la operación y comportamiento de voltaje de los bancos de baterías cada hora al equipo técnico involucrado. Es así que se verifica el comportamiento esperado del sistema de energía.


Figuras11 y 12: Gráficos de comportamiento del voltaje de los bancos de baterías en dos días distintos para los 10 sistemas de energía híbridos.

Figura 13.- Comparación de generación de dos sitios. Uno con sombra y otro sin sombra sobre el arreglo. Se muestra el impacto sobre las horas de absorción y flotación que brinda las estaciones diferentes.

8. CONCLUSIONES

8.1. Los sistemas de energía operan de acuerdo a los parámetros esperados. 8.2. Dentro de las estaciones tenemos diferentes geografía y fauna diversa que causa sombras en dos estaciones.

En la figura 13 se muestra y compara el impacto en dos de ella. 8.3. Estos sistemas tiene una confiabilidad de 5 nueves gracias a la resiliencia, redundancia y tasa de fallos de los

equipos instalados. 8.4. Todos los sistemas son monitoreados 24x7x365 a través de software propietario del cliente. Así mismo,

cuenta con respaldo de alarmas a través de los equipos de radio. 8.5. Esta confiabilidad está ligada a los mantenimientos preventivos y correctivos programados y ejecutados por el

operador. REFERENCIA Rojas Espinoza, Hugo, Vergara Prado, Jafett, 2010. Sistemas Solares Fotovoltaicos de Gran Capacidad y Alta

Confiabilidad, Artículo, IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII-SPES), Cusco, 1-5.11.2010

B. Wichert, W. Lawrance, 1999. Application of Intelligent Control Methods to the Management of Modular Hybrid Energy Systems, Artículo, Centre for Renewable Energy Systems Technology Australia.

Shaahid-Elhaldidy, 2007, Technical and economic assessment of grid-independent hybrid photovoltaic–diesel–battery power systems for commercial loads in desert environments, Center for Engineering Research, Research Institute, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Arabia Saudi Luque, Antonio and Hedegus Steven, C. 2003.

Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Instituto de Energía Solar, Universidad Politécnica de Madrid - Spain, Institute of Energy Conversion, university of Delaware –USA, John Wiley & Sons.

Wiles, John, C.1996, Photovoltaic Power Systems and The national Electrical Code: Suggested Practices, Sandia Report, Southwest Technology Development Institute, New Mexico California.

Henerica Tazvinga y Tawanda Hove, 2010.,Photovoltaic / Diesel / Battery Hybrid Power Supply System, Generator Component Sizing and Energy Performace Analysis, VDM, Germany.


Abstract. This paper shows the design criteria and implementation of systems for hybrid solar-diesel to support highly reliable telecommunication stations for backbone (transport network) installed in the Peru’s jungle along the Huallaga and the Marañon Rivers. These power systems support the backbone linking Yurimaguas to Iquitos from March 2014 and are operating, joining Iquitos to our Interconnected Network of Telecommunications. Key-words: Solar, Energy, Photovoltaic, Telecommunications, Backbone, Diesel Generator, Technical, Reliability, Safety.

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