Sistemas de Energía Solar Diesel Alta Confiabilidad

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

IMPLEMENTACION DE SISTEMAS DE ENERGA HIBRIDOS SOLAR 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 Ingeniera

Direccin: Av. Industrial 132, ATE. Lima-Per

Resumen. Este artculo muestra los criterios de diseo e implementacin de sistemas de energa hbridos solar-diesel de alta confiabilidad para respaldar estaciones de telecomunicaciones para una red dorsal (red de transporte) instaladas en la selva del Per a lo largo de los Ros Huallaga y El Maran. Estos sistemas de energa respaldan la red dorsal que une Yurimaguas con Iquitos desde Marzo de este ao y se encuentran operando, uniendo Iquitos a nuestra Red de Interconectada de Telecomunicaciones.

Palabras-clave: Energa Solar, Diesel, Confiabilidad, Estrategia, Control, Seguridad, Optimizacin.

1. INTRODUCCION

En el marco del proyecto de integracin amaznica el gobierno del Per renov el contrato de una de las operadoras ms importantes en el sector de telecomunicaciones. En el marco de este contrato la operadora a cargo de la inversin licit la implementacin de la infraestructura y operacin de la red. La red de telecomunicaciones compuesta por tres pilares; infraestructura, energa y enlace fue adjudicada a un consorcio dentro del cual CIME Comercial S.A. ha sido responsable de la parte de energa, es decir, construir (disear, fabricar, suministrar e instalar) diez (10) sistemas de energa (shelters, soportes, paneles, generador diesel, bateras, balizaje, sistema de control, etc.) para respaldar la red de transporte. Por la clasificacin de la red de transporte, muy alta disponibilidad de servicio. Los sistemas de energa, como un subconjunto del sistema de telecomunicaciones y que brindar soporte para los equipos de radio-enlace, deber ser un sistema con alta confiabilidad. La ubicacin geogrfica de las estaciones, por su dificultad de acceso, su localizacin en zonas protegidas de la nuestra Amazona y su impacto en las localidades cercanas, hace de este proyecto un emblema dentro de los proyectos ejecutados por los ejecutores. Este artculo muestra, brevemente, los criterios de diseo, las condiciones previamente asumidas para la operacin y la implementacin de los sistemas de energa solar-diesel.

Los sistemas de energa se encuentran ubicados en el recorrido entre Yurimaguas y Nauta. Todo el acceso es solo va fluvial o area (helicptero). La geografa implica esfuerzos adicionales para llevar adelante el proyecto. En los criterios para el diseo se ha tomado en cuenta que la operacin del sistema no demande repuestos y/o consumibles que dificulten tiempos de respuesta y costos elevados que no estn 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 ubicacin. El recorrido de toda la ruta entre capitales de Yurimaguas a Nauta est alrededor de 12 horas sin hacer paradas en puertos. Esto nos da una idea de la complejidad de atencin de alguna de las estaciones ante una emergencia. Es ah 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 energa hbrido fotovoltaico/elico/diesel.


2. CONFIABILIDAD EN SISTEMAS DE ENERGIA

Para esta red de transporte de telecomunicaciones el soporte de energa est basado en la operacin combinada de dos fuentes de generacin, una renovable y la otra no. Este sistema de energa, 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, as la red de transporte requiere 99.995%. Este concepto de confiabilidad se hace extensivo a los sistemas de energa. Es aqu, donde, por el grado de confiabilidad de requiere; la planificacin, el diseo, la construccin y la operacin para la puesta en servicio del sistema de comunicaciones puede convertirse en un reto difcil de cumplir. Para analizar la confiabilidad del sistema se deben tener en cuenta que cada componente tiene o debe tener asociado un histrico estadstico 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 ENERGA HIBRIDOS

Los sistemas de energa hbridos son aquellos que proveen energa en reas remotas y que por lo alejado y/o dificultades de acceso no estn conectadas a la red. Un sistema de energa hbrido integra una o ms fuentes de energa con el propsito de cubrir cierta demanda de energa. Estos sistemas eliminan los problemas asociados con sistemas solares fotovoltaicos puros y sistemas diesel aislados.

Figura 2. Diagrama de un sistema de energa hbrido fotovoltaico/elico/diesel.

Aquellos sistemas son inherentemente confiables debido a las mltiples fuentes de energa y generalmente usan conjuntos con generacin diesel, como segunda fuente, capaces de proveer el total de la energa a demanda. Estos son independientes de la capacidad, red elctrica centralizada e incorpora ms de una tipo de fuente de energa. Los sistemas de energa aislados en corriente alterna incluyen como siguiente: sistemas convencionales de generacin diesel en AC, un sistema elctrico de distribucin y consumos en AC distribuidos. Un sistema hbrido de energa podra tambin incluir fuentes adicionales de energa como fuentes renovables (aerogeneradores, mdulos fotovoltaicos) y almacenamiento.

Puede haber ms de un generador diesel suministrando energa a la red. Estos estn normalmente conectados a un bus AC en una caseta de energa donde los generadores diesel estn instalados. Este bus provee energa a la red de distribucin. Cuando existe ms de un generador diesel, un sistema de control debe ser empleado para introducir adecuadamente la energa desde los generadores diesel. Estos sistemas de control podran 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 aceleracin constante (Kaikhurst, 1998).


4. CONFIGURACION DE SISTEMAS DE ENERGA HIBRIDOS

Las configuraciones de sistemas hbridos tienen muchas ventajas como; alimentar directamente los consumos de manera ptima; la eficiencia del Diesel puede ser maximizada; el mantenimiento del Generador Diesel se minimiza y se logra una reduccin en las capacidades del banco de bateras y el Generador Diesel (mientras se alcanzan los picos de cargas) 1. De acuerdo a Wichert (1997)2, los sistemas de energa hbridos con y sin fuentes renovables estn clasificados de acuerdo a su configuracin como sistema hbridos en serie, hbrido conmutado o hbrido paralelo.

4.1. Sistema hibrido en serie

En este tipo de sistemas la fuente de energa renovable o el generador diesel son utilizados para mantener cargado un gran banco de bateras. Durante periodos de baja demanda de energa elctrica el generador diesel est apagado y los consumos pueden ser alimentados desde un sistema fotovoltaico o elico junto con la energa almacenada. La energa proveniente del banco de bateras es convertida en corriente alterna a cierto voltaje y frecuencia por un inversor y luego se alimentan los consumos. La recarga de bateras puede ser controlada o regulando la corriente del rectificador. El controlador de carga previene la sobrecarga del banco de bateras que puede darse cuando la fuente renovable (solar o elica) excede la demanda y las bateras estn completamente cargadas. El sistema puede ser operador en modo manual o automtico, con la adicin de un sistema de control apropiado que sense el voltaje de bateras y prenda/apague el generador diesel.

Figura 3. Diagrama de sistema hbrido en serie.

Las ventajas de esta configuracin son que el generador diesel puede ser dimensionado para ser utilizado de manera ptima, mientras alimenta los consumos y recarga el banco de bateras, hasta que se alcanza un estado de carga (SOC) alrededor de 70-80%. No se requiere conmutacin de alimentacin entre las diferentes fuentes de energa simplificando as la interfaz de salida elctrica. Tambin 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 aplicacin.

Aunque los principios de diseo de los sistemas hbridos en serie son relativamente fciles de aplicar. Islam (1999)3 indica entre sus desventajas: baja eficiencia debido a los la configuracin en serie de los elementos del sistema; la necesidad de un banco de bateras de capacidad mayor que la demanda mxima pico haciendo ms costoso este componente para el sistema; y con fuentes renovables hay un control limitado del rectificador porque est basado en el nivel de carga de la batera ms que la demanda del sitio.

Un sistema hbrido tipo serie se caracteriza por la baja eficiencia global del sistema ya que el generador diesel no puede suministrar energa directamente a la carga; el uso de un gran inversor y debido al perfil cclico de recarga del gran banco de bateras se debe limitar la profundidad de la descarga; limitando la optimizacin del generador diesel y la fuentes de energa renovable. El banco de bateras es ciclado (cargado/descargado) frecuentemente, acortando su vida til. Si el inversor falla se produce una prdida completa de energa 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 photovoltaicdieselbattery

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 generacin (Islam, 1999)3. Ambos, el generador diesel y la fuente renovable pueden cargar el banco de bateras. El generador diesel alimenta los consumos durante el da y picos nocturnos mientras el banco de bateras es cargado por la fuente renovable y algn exceso proveniente del generador diesel. La energa es entregada a los consumos desde la batera a travs del inversor durante periodos nocturnos de baja demanda. A continuacin se muestra un esquema tpico de esta configuracin.

Figura 4. Configuracin de un sistema hbrido conmutado

La principal ventaja de este tipo de sistema es su operacin silenciosa en las noches y las mejoras adicionales en el consumo del diesel. Un sistema hbrido conmutado est tambin 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. As 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 aplicacin. Los sistemas hbridos conmutados pueden ser operados en modo manual, sin embargo, el incremento de la complejidad del sistema hace indispensable incluir un control automtico junto a un sistema de sensado del voltaje de bateras para prender/apagar el grupo automticamente.

El generador diesel y el inversor son generalmente dimensionados para alimentar los picos de la demanda, estos equipos reducen su eficiencia en operacin a carga parcial y no existe optimizacin en el control del generador diesel cuando la solucin de la fuente conmutada est basada en un simple reloj horario. La alimentacin de los consumos es interrumpida momentneamente cuando se hace la transferencia de la fuente AC.

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

La configuracin en paralelo, mostrada en la siguiente figura, permite que todas las fuentes de energa alimenten los consumos de forma independiente o separada a baja o mediana demanda, as como alimentar rpidamente los consumos desde una combinacin de ellas sincronizando el inversor con la forma de onda de salida del generador diesel, un inversor bi-direccional puede recargar el banco de bateras cuando se tiene energa disponible desde el generador diesel, as es como acta 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. Configuracin de un sistema hbrido conmutado


Las ventajas de esta configuracin sobre los dems tipos de sistemas son que; puede alimentar los consumos de manera ms ptima, la eficiencia del generador diesel puede ser maximizada, el mantenimiento del generador diesel puede ser minimizada y se tiene una reduccin de las capacidades del generador diesel, banco de bateras y fuentes renovables cuando se cubre los picos de demanda. De todas maneras el control automtico es esencial para una operacin confiable y as el sistema es menos accesible a un usuario del sistema sin entrenamiento. Tambin 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 configuracin de sistema combinado utiliza una funcin existente en equipos que brindan alimentacin ininterrumpida de suministro (UPS por sus siglas en Ingls) permitiendo

Figura 6. Configuracin de un sistema hbrido combinado

Las ventajas solamente pueden ser alcanzados si la operacin interactiva de los componentes individuales del sistema son controlados por un sistema inteligente de control de la energa. Aunque actualmente se pueden encontrar sistemas hbridos paralelos que incluyen sistemas de control que varan en complejidad y sofisticacin, estos no optimizan4 la operacin del sistema completo.

5. MODELADO DEL SISTEMA

En los sistemas hbridos implementados se ha establecido que el generador diesel opere como mnimo a un factor de carga de 60% principalmente para atender la recarga del banco de bateras. As mismo, se ha programado que la mnima profundidad de descarga del banco de bateras ser del 50% para obtener un tiempo de vida mayor a 8 aos. Durante la recarga del banco de bateras se aprovechar la reserva rotante del generador diesel para alimentar los equipos de comunicaciones. El funcionamiento a carga parcial del generador diesel ocurre cuando la batera est logrando completar su carga y no puede aceptar la corriente mxima del generador diesel.

Los parmetros descritos anteriormente han sido simulados en hojas de clculo y validado con software privado de manera que se pueda contrastar los valores obtenidos de la primera simulacin bajo asunciones de experto. El modelo fue introducido en HOMER.

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

4 El trmino optimizar es utilizado para describir el diseo y operacin de sistema de energa hbrido paralelo que est

basado en fuentes de energa renovable y diesel en el cual los costos del ciclo de vida resulta mnimo, mientras tambin considera condiciones restrictivas de operacin. La optimizacin incluye el dimensionado y ciclado de bateras.


6. IMPLEMENTACIN DE PROYECTO

6.1. Diseo del Sistema

Los sistemas de energa implementados en este proyecto estn diseados bajo un escenario 80% solar y 20% elico partiendo de esa premisa los sistemas deberan generar el 100% del consumo de la estacin repartidos en esas fracciones. De esta manera, todos los das el arreglo solar cubrir el 80% de la demanda, el dficit acumulado finalmente en la batera tendr un tope programado que iniciar el funcionamiento del generador diesel.

6.2. Anlisis de Sombra

Dentro del proyecto por la limitacin de espacios alquilados se han tenido reas determinadas previamente sobre las cuales el sistema solar no debera recibir sombras. Sin embargo, en los meses de Julio a Setiembre el frente sur donde se ubicaba la torre de 125 metros produca sombras en los arreglos solares. Se analiz el impacto que producan las sombras dentro del rea que incluso estaba prevista para ampliaciones futuras.

Fotografa 1 y 2: Carta solar y geometra para calcular las prdidas de los arreglos previstos en 4 ampliaciones.

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

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


Estas prdidas por sombra se irn incrementando de acuerdo al crecimiento de los arreglos solares ya que el proyecto involucra etapas de aumento de consumo o demanda, pues el trfico de la red aumentar con el nmero de usuarios y volumen de servicios que tiene proyectado el operador.

Fotografa 7.- Distribucin 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 brindar resiliencia del sistema ante alguna falla. El controlador solar es modular, est compuesta hasta por ocho (08) unidades que hacen manejan arreglos diferentes (con diferentes MPPT para optimizar la generacin en sombra parcial) y conectados a travs de la red Modbus para su supervisin. El rectificador compuesto por doce (12) mdulos operando en paralelo Adems 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 operacin del sistema Considerar restricciones operacionales, tales como consumos prioritarios, restricciones de operacin nocturna

del generador diesel o el mnimo estado de carga de la batera.

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


Fotografa 3 y 4.- Izquierda: Bancos de bateras. Derecha: Vista de equipos de control de potencia y en segundo plano equipos de radio..

Fotografa 5.- Shelter de Grupo Electrgeno. Se logra ver el sistema solar que mantiene la batera de arranque cargada para el arranque del equipo.

Los shelters de comunicaciones y equipos cuentan con aislamiento y ventilacin 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 anlisis del CAPEX/OPEX sobre la vida til de los equipos (principalmente bateras) ya que su costo de reposicin debe pronosticarse y asegurarse para cumplir con los costos previstos para su operacin y rentabilidad.

7. SISTEMA DE CONTROL

7.1. Estrategia de Control

Una caracterstica dentro de los sistemas de control es la estabilidad, se dice que un sistema est 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 despus de un tiempo finito el sistema vuelve a un estado estacionario.

El sistema de control debe regular la salida de generacin de las fuentes de energa y controlar su inyeccin a la unidad de almacenamiento. As debe controlar los niveles de conexin de las fuentes de energa y desconexin de los consumos para proteger el banco de bateras de sobre-descargas y optimizar el tiempo de reposicin del banco de bateras. Como se muestra en la grfica siguiente el sistema controla la conexin y desconexin para el nivel de carga (umbrales o tensiones de carga), el nivel inferior muestra los umbrales de conexin y reconexin de los consumos o demanda. Estos umbrales son fijados por el usuario y dependern del tipo de aplicacin en que opera el sistema de energa (Telecomunicacin, Industria petrolera, hospitales, electrificacin rural, etc).


Figura 8. Distribucin de sensores de adquisicin de datos

Figura 9. Distribucin de sensores de adquisicin de datos

En la figura anterior se muestra la operacin esperada del sistema de energa 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 lnea de fuerza y equipos de control para lneas de comando que obtienen informacin de los equipos de potencia.

7.2. Implementacin del Sistema de Control

El sistema de control permite

Figura 10.- Sistema de control implementado.

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


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

Fotografa 9.- Vista de planta del sistema de energa implmentado.

Fotografa 10.- Vista panormica de uno de los sistemas de telecomunicaciones implementado.

Diariamente el sistema reporta la operacin y comportamiento de voltaje de los bancos de bateras cada hora al equipo tcnico involucrado. Es as que se verifica el comportamiento esperado del sistema de energa.


Figuras11 y 12: Grficos de comportamiento del voltaje de los bancos de bateras en dos das distintos para los 10 sistemas de energa hbridos.

Figura 13.- Comparacin de generacin de dos sitios. Uno con sombra y otro sin sombra sobre el arreglo. Se muestra el impacto sobre las horas de absorcin y flotacin que brinda las estaciones diferentes.

8. CONCLUSIONES

8.1. Los sistemas de energa operan de acuerdo a los parmetros esperados. 8.2. Dentro de las estaciones tenemos diferentes geografa 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 travs de software propietario del cliente. As mismo,

cuenta con respaldo de alarmas a travs de los equipos de radio. 8.5. Esta confiabilidad est 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, Artculo, IV Conferencia Latino Americana de Energa Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energa 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, Artculo, Centre for Renewable Energy Systems Technology Australia.

Shaahid-Elhaldidy, 2007, Technical and economic assessment of grid-independent hybrid photovoltaicdieselbattery 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 Energa Solar, Universidad Politcnica 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 Perus jungle along the Huallaga and the Maraon 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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