FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

INSTALACIONES INDUSTRIALES (MN -183 A)

TRABAJO MONOGRFICO INDIVIDUAL

ASPECTOS A TENER EN CUENTA EN LA CONSTRUCCIN DE UN

GENERADOR HIBRIDO ELICO FOTOVOLTAICO

Profesor: Ing. Manuel Luque Casanave

Alumno: Ral Rodas Cervantes

Cdigo : 20002532D

UNI, 20 de diciembre de 2014

INTRODUCCIN

En el Marco nacional de la Conferencia por el Cambio Climtico, realizada hace poco en nuestra ciudad, quiero

expresar la importancia del tema que tocar a continuacin mediante una pequea monografa en la cual he buscado

informacin acerca de qu aspectos deberamos tener en cuenta para entrar en el tema de la generacin de energas

renovables.

En pases como Espaa, Alemania y Estados unidos, la necesidad de un suministro elctrico, para satisfacer la demanda

de la sociedad actual, en emplazamientos alejados de la red de distribucin elctrica, ha fomentado el desarrollo de

proyectos de generacin aislada de energa elctrica. Entre estos se encuentra el proyecto que he querido llamar Sistema

Autnomo de Generacin de Energa Renovable, que integra las dos fuentes de generacin elctrica renovable ms

utilizados en la actualidad solar fotovoltaica y elica.

Se define un sistema hbrido, dentro del contexto que nos toca, como la combinacin de energa solar fotovoltaica con

otra, o ms, fuentes de energa renovable, generador disel u otras combinaciones. En nuestro caso utiliza un sistema

que combina la energa solar fotovoltaica junto con energa elica. Estas fuentes de energa nos permiten la generacin

de energa a coste cero y sin polucin, excluyendo los costes de adquisicin.

Debido a la redundancia de fuentes energticas (solar y elica) se reduce la probabilidad de prdida de energa y el

nivel de carga de la batera. El sistema hbrido formado por fuentes de energa renovables viene a sustituir los sistemas

hbridos formado por paneles solares fotovoltaicos junto con un generador elctrico. Este cambio permite reducir

drsticamente el nivel de polucin por Kilovatio generado.

Debido a que las fuentes de energa son el viento y la luz solar, vamos a tener un estudio acera de estos tipos de energa

y las consideraciones a tomar en cuenta al momento de trabajar con ellas.

Espero que esta pequea monogafa pueda incentivar el inters del alumnado para el estudio de este tema tan poco

estudiado en nuestro pas.

Energa Elica Caractersticas

Circulacin general del viento Se considera viento toda masa de aire en movimiento, que surge como consecuencia del desigual

calentamiento de la superficie terrestre, siendo la fuente de energa elica, o mejor dicho, la energa

mecnica que en forma de energa cintica transporta el aire en movimiento.

La velocidad del viento es mayor cuanto mayor sea la diferencia de presiones y su movimiento viene

influenciado por el giro de la tierra.

Las causas principales del viento son:

Radiacin solar (ms fuerte en el ecuador que en los polos) Rotacin de la tierra (que provoca la aparicin de desviaciones, hacia la derecha en el hemisferio norte e izquierda en el hemisferio sur)

Perturbaciones atmosfricas

El desplazamiento de las masas de aire se efecta desde las zonas en las que la presin de la atmsfera y,

por lo tanto la del aire, es ms elevada (anticiclones), hacia las zonas de presin ms baja (depresiones o

ciclones), por la aceleracin de Coriolis. Las depresiones y los anticiclones estn representados en las cartas

meteorolgicas por el trazado de las isobaras.

La circulacin general en superficie depende del reparto medio de las presiones a lo largo de un cuarto de

meridiano terrestre. Para el hemisferio Norte existe un centro anticiclnico en el Polo, un eje de depresin

hacia los 60N, un eje anticiclnico hacia los 30N, conocido como cinturn subtropical, y una banda de

depresin hacia el Ecuador. El viento perfila o contornea los anticiclones en el sentido de las agujas del

reloj, dirigindose hacia las depresiones, y las contornea en sentido contrario.

El viento es aire en movimiento y aunque en general, dicho movimiento es tridimensional,

normalmente se considera la velocidad y direccin de la componente horizontal.

Direccin y velocidad del viento El viento se caracteriza por dos parmetros esenciales que son, su direccin y velocidad. La direccin del

viento y su valoracin a lo largo del tiempo conducen a la ejecucin de la llamada rosa de los vientos.

Medicin de la direccin y velocidad del viento Las mediciones de velocidad del viento se realizan mediante el empleo de anemmetros. En principio se

pueden clasificar en dos tipos: de presin y de rotacin. La direccin del viento se comprueba mediante

una veleta.

Definiciones de velocidad del viento:

Segn sea la velocidad del viento, se pueden considerar tres tipos de definiciones:

Viento instantneo; se mide la velocidad del viento en un instante determinado

Viento medio aeronutico; se mide la velocidad media durante 2 minutos

Viento medio meteorolgico; se mide la velocidad media durante 10 minutos

Aleatoriedad del recurso elico Una de las caractersticas ms importantes del viento es su variabilidad, tanto espacial como temporal, en

un amplio rango de escalas.

En la figura anterior, el rea bajo la curva representa la energa cintica medida durante todo el periodo de

consideracin.

Existen variaciones con muy alta frecuencia totalmente aleatorias que diremos que son turbulentas. Dado

que las fluctuaciones turbulentas son aleatorias y requieren un tratamiento estadstico, es aconsejable

separarlas de las variaciones de tiempo diarias o estacionales.

La forma de hacer esto consiste en considerar el valor medio de la velocidad durante un periodo apropiado

de tiempo, T, y suponer superpuestas al mismo las fluctuaciones turbulentas. Dicho valor es:

Ley exponencial del viento LEY DE HELLMAN La velocidad del viento vara con la altura:

Ley logartmica:

La velocidad del viento vara con la altura:

Energa til del viento

La potencia disponible del viento es proporcional a la densidad del aire. Pero tambin es proporcional al cubo de la velocidad del viento.

Esto significa que a mayor altura disminuye la potencia disponible del viento para la misma velocidad del viento (menor densidad del aire), pero se puede compensar la prdida de potencia

por el incremento en la velocidad del mismo.

Es ms importante el conocimiento de la velocidad del viento en un emplazamiento especfico que la densidad del aire.

El rea barrida del aerogenerador, al igual que la densidad es proporcional a la potencia que se puede extraer del viento, pero no supera la potencia que se puede extraer del viento disponible.

Evaluacin del recurso elico

Anlisis de la informacin Con respecto a la informacin del recurso elico interesa responder a las siguientes inquietudes:

Cul es el patrn anual, mensual y diario del recurso?

Cul es la duracin de las velocidades altas o bajas del viento?

Qu velocidades de viento se esperan cerca de los lugares que no estn demasiado alejados del sitio

de medicin?

Cules son las velocidades mxima de rfaga?

Cunta energa se puede producir por ao, por mes?

Anlisis de la informacin Con la informacin recopilada se analizan bsicamente dos aspectos:

La distribucin temporal

La frecuencia de distribucin

Distribucin temporal

Distribucin de frecuencias

A parte de la distribucin temporal es necesario conocer la cantidad de horas durante las cuales (en el da

o en el ao) la velocidad del viento toma determinados valores.

Distribucin de duracin de frecuencias

Tambin ser necesario estimar la cantidad de horas (anuales o mensuales) que es posible producir una

potencia determina.

Histogramas

La informacin recopilada se podr visualizar mediante dos maneras:Duracin de la frecuencia

de distribucin y distribucin acumulativa

Representaciones Matemticas de los Regmenes de Viento

El factor de forma de distribucin de la energa elica k, se define como la relacin entre la energa

obtenida en un ao y la energa que se obtendra ese ao si la velocidad del viento se mantuviese igual al

valor promedio.

Factor de distribucin de forma de energa elica k

k est comprendido entre 1,3 y 4,3. Se acepta normalmente tomar

k = 2 (Distribucin de Rayleigh)

Representaciones Estadsticas del Viento: Rayleigh

Poco precisa para velocidades del viento por debajo de los 15 km/h (4 m/s) la distribucin tiene poca

precisin. El rea bajo cualquier distribucin de la curva siempre vale la unidad. La mitad del rea de la

curva est a la izquierda de la vertical que pasa por el mximo, y el valor correspondiente es la mediana

de la distribucin, lo que significa que la mitad del tiempo el viento soplar a menos de ese valor y la otra

mitad soplar a ms de ese valor. No siempre se presentan distribuciones simtricas.

Aerodinmica de perfiles Al estudiar los efectos de la resistencia al aire de una placa plana se observa que la resultante de todas las

fuerzas aplicadas es un vector cuyo centro de aplicacin es el centro aerodinmico o centro de empuje,

siendo su direccin perpendicular a la placa, su sentido el del viento y su intensidad proporcional a la

superficie expuesta al viento y al cuadrado de la velocidad del viento

Consideraciones sobre perfiles de palas: Fuerzas sobre un perfil

Ley de Betz Cuanto mayor sea la energa cintica que un aerogenerador

extraiga del viento, mayor ser la ralentizacin que sufrir el

aire que deja el aerogenerador.

Albert Betz demostr en 1919 que, para extraer la energa

del viento debemos reducir su velocidad.

Tericamente esto se explica por el hecho de que para

extraer un 100% de la energa del viento que cruza a a travs

de un rotor elico, debera ser cero la velocidad del aire una

vez lo cruce, la realidad es que si esto sucediera no podra

continuar circulando aire a travs del rotor elico.

Segn el teorema, la energa mxima que podra captarse a

travs del viento para un rendimiento mximo es del

59%.

El lmite terico de Betz proporciona el lmite

superior de las posibilidades de un aerogenerador,

pero en s es poco detallada, pues no considera una serie de actores tales como:

La resistencia aerodinmica de las palas

La prdida de energa por la estela generada en la rotacin del rotor

La compresibilidad del fluido

La interferencia de las palas y otros elementos

Entonces el rendimiento prctico depende del tipo de rotor, por lo que al

multiplicar la expresin de la potencia terica disponible por un coeficiente

de rendimiento terico mximo que considere los factores anteriores y que

se sita en un intervalo de (0.30 0.80) se obtiene:

Adicionalmente habr de considerarse el rendimiento de los diversos

mecanismos que componen el aerogenerador:

Rendimiento de Betz 59.3% Rendimiento de la hlice 85% Rendimiento del multiplicador 98% Rendimiento del alternador 95% Rendimiento del transformador 98%

Obteniendo un rendimiento global de la instalacin: Sistema red : 46%

En la prctica el rendimiento ser an menor, aceptando la potencia til la

siguiente expresin:

Energa producida por un aerogenerador

La produccin de energa de una turbina elica est relacionada con la curva de potencia y la curva de

duracin de velocidad del viento.

Una forma usual de indicar dicha energa es mediante el factor de capacidad o de utilizacin:

Otra forma alternativa de expresar el factor de utilizacin es mediante el

nmero de horas equivalentes:

HE FC h

Energa Solar

Recurso solar

Efecto atmosfrico sobre la radiacin solar

La distribucin temporal de la energa solar

que alcanza la superficie es muy irregular.

No solamente varia la insolacin mxima

diaria (horas en las que el Sol esta por

encima del horizonte del lugar) sino que la

radiacin es ms o menos atenuada segn la

composicin instantnea de la atmosfera que

la atraviesa. Prcticamente el 47% de la

radiacin incidente sobre la atmosfera

terrestre alcanza la superficie del planeta.

El 31% lo hace directamente y el otro 16%

despus de ser dispersada por partculas en

suspensin, vapor de agua y molculas del

aire. La energa restante, un 53% es reflejada

hacia el espacio exterior o absorbida por la

atmosfera.

Irradiancia y Constante Solar

La potencia de la radiacin solar que se recibe en un instante dado sobre un metro cuadrado de

superficie se conoce como irradiancia (IS) y se expresa en W/m2. Para una distancia media Tierra

Sol el valor de la irradiancia en un plano exterior a la atmosfera y perpendicular a los rayos del sol se conoce como Constante Solar (Ss). El valor determinado por la NASA indica que la

constante solar es de 1353 (+/-1.6%) W/m2.

Si se tiene en cuenta que el Sol irradia cada segundo en todas las direcciones una energa

correspondiente a 41026 Julios y que la distancia que nos separa tiene un

valor medio de 149.5 millones de kilmetros, se da:

Donde:

P = Energa del Sol d2 = Distancia Sol-Tierra

Pero dado que la trayectoria es una elipse, la distancia de separacin tiene los siguientes lmites:

Solsticio de verano = 1.07d Solsticio de invierno = 0.987d

El valor 1.35 kW/m2 se ha dado en aproximacin por tal motivo. No obstante,

teniendo en cuenta el valor medio, su valor de referencia es de 1.367 kW/m2.

Componentes de la radiacin solar en superficie

La atmosfera terrestre est constituida por gases, nubes y partculas slidas en suspensin. Los diversos

constituyentes de la atmosfera provocan la atenuacin de la radiacin. A medida que la radiacin solar

atraviesa la masa de aire sufre de procesos de absorcin, reflexin y refraccin. En cuanto a la absorcin:

los rayos X y otras radiaciones de onda corta del espectro solar son absorbidas en la ionosfera por el N2 y

el O2; la mayor parte de la radiacin ultravioleta sufre el efecto del O3 y para longitudes de onda

superiores a 2.5 m se produce una fuerte absorcin por el CO2 y el H2O.

Componentes de la radiacin solar en superficie

Dadas las condiciones ptimas en cuanto a transmisin atmosfrica la atenuacin de la radiacin hasta la

superficie es de un 25%. De aqu que un valor

promedio o estndar de 1000 W/m2 sea empleado

como de referencia en ingeniera. La interaccin de la

radiacin solar con la atmosfera da lugar a dos

componentes de la radiacin solar: directa y difusa.

El efecto de la radiacin solar que se refleja en una

superficie con respecto al total incidente, llamado

reflectividad, depende de la longitud de onda de la

radiacin y de la naturaleza de la superficie. La

reflectividad global considerando todo el espectro de la

radiacin solar se conoce como albedo de superficie.

Albedo de diferentes superficies Irradiancia global y difusa en diferentes

condiciones

Masa de aire

Es un concepto que caracteriza el efecto de una atmosfera clara sobre la radiacin solar. Es la longitud de

la trayectoria solar desde la superficie externa de la atmsfera hasta la superficie de la Tierra.

Medida de la Radiacin Solar

La irradiacin (HS) corresponde al valor acumulado de la irradiancia en un intervalo de tiempo

determinado. Existen dos tipos bsicos de dispositivos para la medida de la radiacin

solar: el piranmetro y el pirhelimetro.

Las estaciones meteorolgicas ms sencillas no disponen de medidas de irradiancia y, en

ocasiones, emplean otros equipos, como heligrafos, que permiten medir la irradiacin de forma

indirecta.

Los heligrafos miden el intervalo de tiempo durante el cual se tiene radiacin directa superior a

un umbral de 120 W/m2.

Geometra solar

Posicin del Sol

Junto a las condiciones atmosfricas hay otro factor que determina la incidencia de la radiacin sobre un

captador solar, el movimiento aparente del Sol a travs de la bveda celeste, a lo largo del da y del ao.

La Tierra describe un movimiento de traslacin alrededor del Sol que sigue una trayectoria en forma de

elipse, con una excentricidad del 3%. La orbita imaginaria que describe esta trayectoria se denomina

eclptica. Durante el movimiento de traslacin el eje de rotacin terrestre forma siempre el mismo ngulo

de 23,5 con la perpendicular al plano de la eclptica.

El ngulo que forma el plano de la eclptica con el plano del ecuador vara a lo largo del ao. Este ngulo

se denomina declinacin y vara entre -23,5 el da de solsticio de invierno (hemisferio norte) y 23,5 el

da del solsticio de verano (hemisferio norte).

Movimiento de la Tierra alrededor del Sol

Solsticios

Invierno (Hemisferio Norte) Dic 21-22

Verano (Hemisferio Norte) jun 21-22

Solsticio de Invierno (Hemisferio Norte)

Solsticio de Verano (Hemisferio Sur)

Geometra del Movimiento del Sol (Geometra Solar)

Desde el punto de vista de un observador sobre la

superficie de la Tierra, el Sol parece describir un

arco de crculo desde su salida (orto) hasta su

puesta (ocaso).

La posicin del Sol se puede referir en dos

sistemas de coordenadas centradas en el

observador segn el sistema de referencia

escogido:

Horarias (S declinacin, S ngulo horario) y horizontales (hS altura solar, as acimut). Estas

coordenadas determinan el vector solar entendido

como un vector con origen en el observador y extremo en el Sol.

Coordenadas horarias

S = declinacin solar (), es el ngulo que forma el plano del ecuador terrestre con la direccin en que se encuentra el Sol. Vara a lo largo del ao siendo nulo en los equinoccios, mximo en el solsticio de verano

(hemisferio norte) y mnimo en el solsticio de invierno (hemisferio norte). Segn Lokmanhekim:

Otra ecuacin no tan aproximada pero mucho ms sencilla es propuesta por

Cooper:

Donde:

es la declinacin en grados sexagesimales y z es el nmero del da del ano (para el 1 de Enero, z = 1, para el 31 de Diciembre, z = 365)

S = Angulo horario solar (), desplazamiento angular del Sol sobre el plano de la trayectoria solar. Se toma como origen del ngulo horario el medioda solar y valores crecientes en el sentido del movimiento

del Sol. Cada hora es igual a 15.

El TSV (Tiempo Solar Verdadero) es la hora que indicara un reloj hipottico que

repartiera la duracin del da solar en 24h. Obviamente no es as. Para solventar ese problema se

define un TSM (Tiempo Solar Medio) el cual es un tiempo ficticio que deriva de suponer a la

tierra como una esfera que se desplaza a velocidad constante a lo largo del ao. La diferencia

entre ambos tiempos se conoce como Ecuacin del Tiempo (ET).

Dnde: ET TSV TSM

Donde, HO es la hora oficial, e es el adelanto con respecto a la hora civil, m es la longitud del meridiano medio del huso horario adoptado y es la longitud del meridiano que pasa por el punto considerado.

Diagramas de la Trayectoria Solar

La proyeccin de la trayectoria solar en la

bveda celeste sobre un plano horizontal es

conocida como diagrama de la trayectoria solar.

Otro tipo de diagrama de la trayectoria solar es

el rectangular. Esta carta es una proyeccin

vertical de la trayectoria del Sol sobre la bveda

celeste.

Clculo de Sombras

Las prdidas de radiacin solar que experimenta una superficie debido a sombras proyectadas por

obstculos circundantes varan a lo largo de un da, dependiendo de la latitud del lugar, la fecha y

la hora. Las cuestiones de sombreado afectan a las aplicaciones de la energa solar en diferentes

mbitos: sombreado entre captadores de una instalacin; sombreados de captadores y edificios

por otros obstculos y reduccin de cargas por la intercepcin de la radiacin en elementos

exteriores a un edificio.

La relacin bsica entre la longitud de la sombra (Lsombra), la altura del

obstculo (Hobst) y la altura solar (hS) es:

La separacin entre lneas de colectores se establece de tal manera, que al medioda solar del da

ms desfavorable (altura solar mnima) del

periodo de utilizacin, la sombra de la arista

superior de una fila se proyecte, como

mximo, sobre la arista inferior de la

siguiente:

Por lo tanto la distancia mnima entre hileras de colectores ser:

Donde LC es la longitud del colector (m), C su inclinacin y L es la longitud de la sombra (m).

La determinacin de sombras proyectadas sobre captadores por parte de obstculos prximos se

realiza de manera similar, aunque se recomienda seguir estos dos pasos:

Obtencin del perfil de obstculos.

Representacin del perfil de obstculos.

Sistema de Generador hbrido Elico Fotovoltico

DESCRIPCIN DEL SISTEMA

El equipo actual se compone de una matriz de 4 por 4

(cuatro columnas en paralelo formadas cada una por

cuatro paneles en serie) de paneles fotovoltaicos de

silicio monocristalino I-165 de Isofotn, con una

potencia total pico de 2,64 kW (bajo condiciones

estndar de test) conectado a una banco de bateras

mediante un regulador CC/CC de Xantrex, modelo

C40, un aerogenerador de eje vertical de 750 W,

modelo WRE.007, de Ropatec, conectado al banco de

bateras mediante el convertidor CA/CC del mismo

fabricante, un banco de bateras de Ni- Cd de 5040 Wh de capacidad de SPSI, un inversor CC/CA de

Xantrex SW3040 y una carga electrnica programable.

Se puede ver un esquema del sistema en la Figura 2.

El sistema se complementa mediante un completo equipo de monitorizacin y adquisicin de datos para

posteriores anlisis y evaluaciones de rendimientos. Para tal efecto se requieren de un total de diecisis

variables a monitorizar (entre tensiones, corrientes y temperaturas) y su posterior procesado para sacar

conclusiones. En otras referencias [2] se puede hallar sistemas que se asan en otras topologas en funcin

del tipo de bus utilizado: CC (como es en nuestro caso), CA o CC/CA. En nuestro caso utilizamos una

configuracin basada en un bus CC, como se muestra en la Figura 2. Tambin se podra hallar otras

configuraciones como las que se muestran en la Figura 3 , para el caso del bus de CA, y en la Figura 4, para

el caso de bus mixto.

Uno de los criterios ms importantes en el momento de la seleccin de la topologa para la interconexin

de los diferentes equipos consiste en conocer la aplicacin a la cual va destinada el sistema. Para los casos

en los que se requiera una interconexin con otros sistemas de generacin elctrica o se quiera formar una

microrred con mltiples sistemas tipo SAGER, la eleccin del bus de CA ser ptima. En estos sistemas se

premia la posibilidad de interconexin y capacidad de flexibilidad que a la optimizacin del rendimiento.

Por el contrario en casos en los que no se requiera montar una microrred y se desee alimentar una carga

definida, la eleccin del bus de CC ser la correcta; ya que se optimiza el dimensionado de los paneles,

bateras y aerogenerador. Finalmente, el caso del bus CC/CA se utilizar cuando se disponga de fuentes de

CA capaces de alimentar directamente a la carga de alterna. En estos sistemas se reduce la potencia a tratar

por el inversor. Usualmente se emplea esta topologa en el caso de utilizar como fuente auxiliar de CA un

generador disel.

A. Matriz Fotovoltaica

El grupo fotovoltaico se compone de cuatro ramas en paralelo formada cada una por cuatro paneles puestos

en serie. El panel solar tiene una tensin nominal de 12 V y una potencia pico de 165 W (a 17,4 V y 9,48

A) con lo que en total equivale a una matriz fotovoltaica de 2,64 kWpico. Cada mdulo est compuesto de

3 ramas en paralelo de 36 clulas conectadas en serie.

La potencia que es capaz de generar el panel solar depende en primer trmino de la radiacin recibida en la

superficie del mismo panel, as como de la temperatura de trabajo. En el artculo [3] se detalla el estudio de

las caractersticas de las clulas fotovoltaicas y del aerogenerador.

Figura 5 En el cuadro superior vemos la curva tensin-corriente del panel I-165 de Isofotn en condiciones estndar de test: un radiacin de

1000W/m2, 25C y densidad de aire (air mass) AM 1.5. En el cuadro inferior se muestra un evolucin de esta curva en funcin de la temperatura

de funcionamiento.

En la Figura 5 se muestra la curva caracterstica de tensin corriente del generador solar, en la parte inferior se muestra la dependencia de esta curva con la temperatura de trabajo del mdulo.

B. Aerogenerador

El sistema se complementa con un aerogenerador de eje vertical de una potencia pico de 750W montado

encima de una estructura especialmente ideada para la reparticin de esfuerzos con el fin de poder montar

el aerogenerador en azoteas no ideadas para sobreesfuerzos no habituales. Gracias a que el aerogenerador

es de eje vertical se minimizan los esfuerzos mecnicos y se aprovechan vientos provenientes de cualquier

direccin, evitando elementos mviles con excepcin de las aspas. El aerogenerador est compuesto por tres

alas en posicin vertical que aprovechan la fuerza del viento independientemente de la direccin que tenga.

Otra caracterstica muy importante consiste que no se requiere de mantenimiento de la turbina a lo largo de

la vida til. Esta caracterstica es muy importante cuando el aerogenerador est situado en sitios de difcil

acceso.

En la Figura 7 se muestra la curva potencia-velocidad del viento, en esta se observa que a partir de una

velocidad del viento de 3m/s el generador elico empieza a generar potencia, creciendo hasta los 14m/s. A

partir de este punto la aerodinmica del generador autolimita la velocidad de giro de este, todo y que aumente

la velocidad del viento.

En este proyecto se aprovecharn los instrumentos de medida para verificar las caractersticas del

funcionamiento del generador elico as como otros parmetros del sistema: carga y descarga de la batera,

factor de utilizacin y eficiencias entre otros.

C . Banco de Bateras

En los sistemas solares fotovoltaicos aislados de la red elctrica se utiliza un banco de bateras como

almacn energtico con el fin de sincronizar la disponibilidad con la demanda energtica. Este elemento

consiste en uno de los ms importantes y delicados. Usualmente estas bateras son del tipo Pb-a, pero en el

proyecto se propone trabajar con bateras de Ni-Cd. Todo y que estas tienen un coste de compra superior a

las bateras convencionales de Pb-a, presentan una mejor respuesta a largo plazo ante cargas parciales,

mayor capacidad de descarga sin tener una reduccin de la vida til, as como una mayor densidad

energtica. Este parmetro es muy importante en la reduccin del coste de transporte de las bateras en

lugares remotos.

Las bateras consisten en uno de los elementos ms delicados del sistema, ya que son los que ms sufren

en caso de un aumento, no especificado, de la demanda energtica. En esta situacin se produce una

disminucin no esperada de la energa almacenada en la batera llegando a valores de capacidad residual

crticos para la vida de la batera. En nuestro caso se permite una descarga mxima hasta del 80%. Por

parte de las bateras se quiere buscar que trabajen a altos rendimientos junto con altos niveles de carga,

manteniendo siempre la temperatura bajo control D. Electrnica de Potencia

La electrnica de potencia es la clave para la interaccin

entre distintas fuentes de energa. Conociendo las

restricciones de cada fuente de energa y conociendo las

incompatibilidades existentes entre ellas, la electrnica

de potencia tiene la misin de adaptar la energa

entregada por las distintas etapas con el fin de asegurar

el principal objetivo del sistema: alimentar a la carga

[4]. En instalaciones de esta ndole la electrnica de

potencia tiene la misin de corregir la variabilidad de la

disponibilidad de energa para ofrecer al usuario un suministro continuo, bajo unas especificaciones de

diseo. El generador fotovoltaico produce energa en CC, mientras que el generador elico en CA y la carga

se alimenta en CA.La funcin del regulador de carga consiste en generar, a partir de la curva de potencia

del panel fotovoltaico, un patrn de tensin y corriente ptimo para la carga de la batera. Es importante

seleccionar el patrn adecuado al tipo de batera. Por ejemplo, la tensin de carga para las bateras de Ni-

Cd es superior a la tensin de carga de las de Pb-a.

La funcin del inversor consiste en realizar la conversin de CC a CA para la alimentacin de la carga, con

unas caractersticas de amplitud y frecuencia determinadas, en nuestro caso de 230 Vrms y 50Hz. Para la

instalacin de estos equipos en emplazamientos remotos es importante mejorar su fiabilidad y mejorar su

respuesta ante determinados fallos. Por ejemplo es importante que en caso de fallo no requiera un reset

manual y que en estos casos no se produzca una prdida de la configuracin de los distintos parmetros.

E. Equipo de monitorizacin

El sistema de monitorizacin se compone de distintos mdulos destinados a la captura de las variables del

sistema: Tensiones y corrientes, as como variables de tipo ambiental: radiacin solar, velocidad del viento

y temperaturas. Estos estn conectados entre ellos y se transmite la captura digital a un PC, mediante

protocolo RS-232, actuando el PC como data logger.

DESCRIPCIN DEL FUNCIONAMIENTO

Existen diversos modos de actuacin en funcin de la disponibilidad energtica de las distintas fuentes y de

la demanda de energa. Tanto los paneles fotovoltaicos como el aerogenerador van a actuar como fuentes

de energa, mientras que la carga acta como consumidor de energa. Las bateras actan como fuente

energtica o como carga, en funcin del estado de carga de la batera y de la disponibilidad energtica de

entrada.

En la Tabla 1 se resumen los distintos modos de trabajo en los que puede funcionar el sistema. Es importante

hacernotar que usualmente la batera no acta como complemento a una fuente de energa renovable, slo

como almacn temporal. Excepto en casos puntuales de picos de demanda, esto indicara un mal

dimensionado de las fuentes energticas primarias (elica y solar). Se forzara un ciclado profundo y

continuo de la batera acortando la vida til de esta. El modo de trabajo del sistema vendr impuesto por la

inclinacin de la balanza entre oferta (energa solar y elica) y demanda (carga y energa requerida por la

batera para llegar a un estado de carga del cien por cien) energtica. Es necesario determinar una fuente

energtica como fuente principal. Esta es la que entrar en funcionamiento en el modo 1, y se elegir en

funcin de cul tenga una mayor disponibilidad energtica en el lugar de emplazamiento de la instalacin.

A. Modo 1

En el emplazamiento actual de los paneles se dispone de ms energa solar que elica, por este motivo se

considera el generador fotovoltaico como principal. El primer modo de funcionamiento consiste cuando se

genera suficiente energa proveniente de los mdulos fotovoltaicos para alimentar la carga y la batera est

al cien por cien de la carga. En el caso en el que la batera no est al nivel de carga mximo se iniciar el

proceso de carga. El sistema se mantiene en este modo hasta que la energa solicitada por la carga exceda

del lmite disponible por los paneles fotovoltaicos. Momento en que se pasara al modo 2, activando el

aerogenerador.

B. Modo 2

El modo 2 entrar en funcionamiento cuando la potencia solicitada por la carga exceda la potencia que los

paneles fotovoltaicos son capaces de generar. En el caso en que la batera no est a un nivel de carga mximo

se iniciar el proceso de carga, pasando a formar parte de la carga. Como ya se ha comentado, en este modo

se entra cuando el nivel de potencia exigida en la carga sobrepasa la potencia capaz de ser suministrada por

los paneles fotovoltaicos. Este caso se puede producir por un aumento de la potencia en la carga o por una

disminucin de la potencia entregado por los paneles fotovoltaicos (por ejemplo, por estar en la puesta de

sol o por la noche).

Cuando la carga exigida sobrepase a la potencia capaz de suministrar por la matriz fotovoltaica y el

aerogenerador, la batera actuar como fuente de energa pasando al modo 3.

C. Modo 3

En este modo, la carga exigida obliga al sistema a activar el banco de bateras como fuente de energa. Se

entrar en este caso cuando se produzca una aumento de la energa requerida por la carga, y/o una

disminucin de la energa proveniente del sol y/o una disminucin de la velocidad del viento. El tiempo en

el que se puede estar de una forma continua en este modo estar definido por la capacidad de la batera, la

carga y la disponibilidad energtica de las fuentes renovables.

Llegado un punto en el que el nivel de carga de la batera sea inferior a un nivel mnimo prefijado, se

cortar el suministro elctrico de la carga, y se continuara con la carga de la batera para evitar daos en

esta. No es usual que se entre en este modo de fallo del sistema. En el caso en que se dispusiera

nuevamente de energa elica se pasara al modo 2, y en el caso en que aumentara el nivel de radiacin se

pasara al modo 1.

DISEMINACIN

Como ya se ha comentado anteriormente el objetivo de este proyecto consiste en la creacin de un

producto comercial para la alimentacin en emplazamientos remotos, aislados de la red elctrica. Muchas

instalaciones similares se alimentan nicamente de paneles fotovoltaicos, pero cuando se requiera una

fiabilidad de suministro mayor, y no se desee la instalacin de un generador disel, se puede instalar un

aerogenerador, por ejemplo.

En el artculo se presenta una plataforma de generacin elctrica a partir de fuentes de energa renovable

hbrida,con la combinacin de energa solar y elica. Los sistemas hbridos son una buena solucin para

dotar de energa elctrica renovable en emplazamientos aislados de la red elctrica y con un desfasamiento

temporal entre la energa disponible del sol y la energa disponible del viento.

La suma de dos energas fluctuantes en el tiempo se convierte en una energa menos fluctuante, y de esta

forma se reduce el tamao de la batera en comparacin con un sistema que slo utilice una forma de

energa. Entre los anlisis y estudios a realizar en el proyecto se encuentran los siguientes puntos:

Determinar los puntos en los que se produce una mayor prdida energtica y hallar procesos ptimos para minimizarlas, son algunos de los objetivos del conjunto de ensayos previstos de sistemas hbridos del

GREP.

Realizar un modelado del sistema para simular su funcionamiento en otros entornos. As como verificar los resultados de simulacin y experimentales con los resultados de otros programas de simulacin

existentes.

Determinar un patrn de medidas y de figuras para el anlisis de sistemas hbridos y su evaluacin comercial.

Finalmente, es importante no olvidar que el sistema SAGER se va a instalar en sitios remotos, donde los

costes de reparacin son relativamente altos debido a los traslados de personas y materiales, con lo que se

priorizar la fiabilidad frente a la eficiencia.

Comentario del alumno

Despus de este estudio de los tipos de energas elica y fotovoltaica en los cuales hemos

repasado el tipo de energa que son, las caractersticas, la fuente de la energa solar y sus

caractersticas, hemos notado la variabilidad de la energa elica, ante la constancia de la energa

solar, la cual puede ser aun anticipada segn calendario. Hemos podido analizar un tipo de

generador hbrido ya utilizado pro la universidad politcnica de Barcelona de 2.64 KW de energa

fotovoltaica y 750 W por parte del aerogenerador, viendo las posibilidades de conexin, para

poder cargar el sistema mediante las bateras. Hemos considerado un sistema aislado porque lo

que busca esta monografa por ahora es la instalacin de sistemas individuales y autnomos para

que puedan abastecer de energa a pueblos alejados de la red elctrica nacional de nuestro pas.

Las ventajas ms notables de la construccin de los sistemas solares integradas son: una mayor

eficiencia elctrica, un mejor uso del espacio, la facilidad de reciclado de los materiales que lo

componen y la reduccin del uso de productos txicos implicados en los fotovoltaicos (fV) los

procesos de produccin celular. Sin embargo, la viabilidad de los sistemas hbridos depende de su

capacidad para ofrecer una ventaja econmica comparativa en comparacin con las tecnologas

Foto voltaicas de panel plano cuyos precios en el mercado estn disminuyendo cada da.

Por lo tanto el siguiente paso consistir en comparar los costos de produccin de los ms

innovadores avances de los sistemas solares simples con los sistemas solares hbridos para tener

una perspectiva clara de los beneficios y las desventajas que cada una ofrece.

Si bien por ahora la tecnologa a la mano no nos permite lograr una generacin hibrida de grandes

cantidades de energa, no deja de ser una solucin cuando se trata de generar pequeas

cantidades de energa para pequeas comunidades en nuestro pas. Aunque este indicador

tambin debera indicarnos lo atrasados que estamos en comparacin a otros pases que pueden

generar grandes potencias con uno u otro sistema individualmente.

Los sistemas hbridos son una buena solucin para dotar de energa elctrica renovable en

emplazamientos aislados de la red elctrica y con un desfasamiento temporal entre la energa

disponible del sol y la energa disponible del viento.

El factor ms difcil de lograr es la uniformidad de la energa conseguida, El generador fotovoltaico

produce energa en CC, mientras que el generador elico en CA y la carga se alimenta en CA. Es

necesario un regulador de carga que genere, a partir de la curva de potencia del panel fotovoltaico,

un patrn de tensin y corriente ptimo para la carga de la batera. Aqu todas las partes del sistema

tienen que estar interrelacionadas para un correcto uso y durabilidad del equipo. Por otro lado

Por otro lado la labor del inversor es de suma importancia si sabemos que se encarga de realizar

la conversin de CC a CA para la alimentacin de la carga, con unas caractersticas de amplitud y

frecuencia determinadas, en nuestro caso de 230 Vrms y 50Hz. Para la instalacin de estos

equipos en emplazamientos remotos es importante mejorar su fiabilidad y mejorar su respuesta

ante determinados fallos.

La suma de dos energas fluctuantes en el tiempo se convierte en una energa menos fluctuante, y

de esta forma se reducira el tamao de la batera en comparacin con un sistema que slo utilice

una forma de energa.

Dentro del esquema de generador hibrido de energa, entre los anlisis y estudios a realizar en el

proyecto se encuentran los siguientes puntos a lograr mediante el estudio y la investigacin:

Determinar los puntos en los que se produce una mayor prdida energtica y hallar procesos

ptimos para minimizarlas, si bien cada energa tendr sus momentos pico y sus momentos valle

naturales, pensemos como se pueden optimizar.

Realizar un modelado del sistema para simular su funcionamiento en distintos entornos. As

como verificar los resultados de simulacin y experimentales con los resultados de otros

programas de simulacin existentes.

Determinar un patrn de medidas y de figuras para el anlisis de sistemas hbridos y su

evaluacin comercial.

Finalmente, es importante no olvidar que el Sistema Autnomo de Generacin de Energa

Renovable se va a instalar en sitios remotos, donde los costes de reparacin son relativamente

altos debido a los traslados de personas y materiales, con lo que se priorizar la fiabilidad frente a

la eficiencia.

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