Análisis de un sistema híbrido solar eólico para suministro de energía eléctrica

1 ANÁLISIS DE UN SISTEMA HÍBRIDO SOLAR EÓLICO PARA SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Al onso Bachille Sole , Ped o J. Ma ínez Lacañina, Yolanda Pé ez Mo eno, Juan J. Cousinou Ma ínez, Lidia He nández Molina Depa amen o de Ingenie ía Eléc ica Uni e sidad de Se illa Escuela Uni e si a ia Poli écnica Vi gen de A ica,7 41011 Se illa [email p o ec ed], [email p o ec ed] Resumen El pano ama socioeconómico ac ual ha p opiciado un g an auge en el uso de ene gías eno ables. El impo an e c ecimien o de es as ene gías, ambién se debe en g an medida a la p eocupación social po los impac os medioambien ales de las denominadas ene gías no eno ables. Hay casos en los que se iene que acome e el suminis o de ene gía eléc ica a ins alaciones donde, o bien no exis e una línea eléc ica ce cana, o bien su implan ación supone un cos e ele ado. Bajo es as ci cuns ancias, es especialmen e adecuado el uso de ene gías que puedan ob ene se di ec amen e de la na u aleza y en el mismo luga donde se an a consumi . En es e ámbi o, a con inuación se desc ibe una ins alación que usa la ene gía del ien o y la ene gía del sol como uen es p ima ias de p oducción de ene gía eléc ica. 1. In oducción El pano ama socio-económico y ene gé ico de los úl imos años es á p opiciando un impo an e desa ollo de las ene gías eno ables en España. Es e impo an e c ecimien o se debe, en g an medida, a la p eocupación social y es a al po el impac o medioambien al o iginado po las ene gías no eno ables y a las ayudas económicas gube namen ales (Plan de Fomen o de las Ene gías Reno ables). Po o o lado, hay casos en los que se iene que acome e el suminis o de ene gía eléc ica a luga es donde, o bien no exis e un pun o de conexión ce cano (línea eléc ica de baja o al a ensión), o bien su implan ación supone un cos e excesi amen e ele ado (dis ancia, impac o ambien al, e c.). Bajo es os supues os, es necesa io plan ea se el uso 2 de ene gías de las denominadas eno ables, que se puedan ob ene en el mismo luga donde se an a consumi . En es e a ículo se desc ibe una ins alación que u iliza el ien o y el sol, como uen es p ima ias de p oducción de ene gía eléc ica. En conc e o, dicha ins alación es una g anja a ícola, clasi icada como una ac i idad indus ial de las denominadas moles as y que, en consecuencia, ha de es a ubicada en una zona alejada del casco u bano p esen ando los p oblemas de abas ecimien o de ene gía eléc ica an e io men e comen ados. Es impo an e ma iza que un sis ema híb ido (sola -eólico) puede se en able en e a un sis ema pu amen e o o ol aico po que en un sis ema híb ido no es necesa io hace el dimensionamien o de los paneles sola es pa a las peo es condiciones me eo ológicas. En é minos gene ales España cuen a con unas condiciones muy a o ables pa a la implan ación de las ecnologías que u ilizan ene gía sola y eólica. En el caso pa icula que se p esen a en es e a ículo, la g anja a ícola se encuen a emplazada en el é mino municipal de Veje de la F on e a (Cádiz), el cual cuen a con unos ni eles medios de insolación muy ele ados que posibili an la implan ación de paneles sola es o o ol aicos, así como pe íodos bas an es p olongados de ien o con unas elocidades p opicias pa a el uso de ae ogene ado es. 2. Da os P e ios El análisis que se plan ea consis e en el abas ecimien o de ene gía eléc ica usando conjun amen e las dos ecnologías an e io men e indicadas (paneles o o ol aicos y ae ogene ado es), asegu ando el suminis o necesa io de o ma casi inin e umpida a lo la go de odo el año. 3 Como la adiación sola y la elocidad del ien o no son magni udes que pe manezcan cons an es, el uso de ambas ecnologías iene la en aja de complemen a se a lo la go del año. Adicionalmen e se ha p e is o un pun o de conexión pa a un g upo elec ógeno pa a asegu a el suminis o de ene gía eléc ica an e las posibles des iaciones de las condiciones climá icas de diseño. Cada uno de los elemen os que cons i uyen la ins alación de suminis o eléc ico se han dimensionado eniendo en cuen a la cu a anual de consumo de la g anja a ícola. Dicha cu a se ha ob enido a pa i de los consumos de los siguien es componen es: * Clima ización. * Alimen ación. * Iluminación gene al y alumb ado de eme gencia. * Tomas de co ien e ( ue za). * Bombas de agua. A su ez, es os consumos son los esul an es de las necesidades ene gé icas (descanso, alimen ación y de en ilación) de las a es, las cuales son a iables du an e el pe iodo de c ecimien o de las mismas. Es deci , el c ecimien o de las a es es el que ija las necesidades de clima ización así como el núme o de ho as uncionamien o de los mo o es de los comede os y bebede os. Además se ha enido en cuen a un ac o global de endimien o del 60 % en concep o de pé didas Joule en la ins alación, au odesca ga de la ba e ía, endimien o del in e so y de la ba e ía. En la igu a 1 se mues a la cu a de demanda de ene gía eléc ica de la g anja a ícola en el pe iodo de un año. 4 Figu a 1. – E olución anual de la demanda de ene gía eléc ica Según se obse a en la igu a 1, solo se han conside ado 42 semanas del año, que son aquellas en las que se p oduce engo de de la a es. Es usual que en e camada y camada exis a un lapso de iempo de dos semanas dedicadas a la limpieza de la na e. Además, la cu a de demanda p esen a unos máximos debidos a la edad a anzada del a e y po an o al aumen o de las necesidades ene gé icas. 3. Desc ipción de la ins alación El núme o de ae ogene ado es y de paneles sola es se han calculado eniendo en cuen a no sólo los da os me e eológicos del luga sino ambién la cu a de demanda ene gé ica a lo la go del año. Ambos ac o es p esen an luc uaciones impo an es y en consecuencia ha sido necesa io adap a los co ec amen e pa a ob ene el mayo endimien o posible de la ins alación. En la igu a 2 apa ece ep esen ado el esquema básico de la ins alación, donde se pueden iden i ica cada uno de los equipos más impo an es que in e ienen en la con e sión de ene gía. 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5 Semana 6 Semana 7 Semana 8 Semana 9 Semana 10 Semana 11 Semana 12 Semana 13 Semana 14 Semana 15 Semana 16 Semana 17 Semana 18 Semana 19 Semana 20 Semana 21 Semana 22 Semana 23 Semana 24 Semana 25 Semana 26 Semana 27 Semana 28 Semana 29 Semana 30 Semana 31 Semana 32 Semana 33 Semana 34 Semana 35 Semana 36 Semana 37 Semana 38 Semana 39 Semana 40 Semana 41 Semana 42 Pe iodos Consumo (Wh) 5 Figu a 2. –Esquema básico de la ins alación híb ida Sola -Eólica Si las condiciones de ien o y/o de i adiación sola son las adecuadas, los ae ogene ado es y/o los paneles o o ol aicos gene a án ene gía eléc ica que se emplea á en sa is ace la demanda eléc ica. Si exis e sob an e de p oducción eléc ica, es e se á abso bido po la ba e ía, a menos que és a se encuen e plenamen e ca gada, en cuyo caso se impedi á el paso de co ien e median e los egulado es de ca ga, los cuales además ienen las siguien es unciones:  E i a sob eca gas a la ba e ía, que puedan p oduci daños i e e sibles al sis ema.  Impedi la desca ga de la ba e ía a a és de los paneles y los ae ogene ado es en los pe iodos de escasa adiación sola y ien o.  Asegu a que el sis ema abaje siemp e en el pun o de máxima e iciencia. Así pues, un buen sis ema de egulación no sólo pe mi e ap o echa al máximo la ene gía suminis ada po las placas o o ol aicas y los ae ogene ado es, sino que ambién es esencial pa a ga an iza una buena p o ección y u ilización de las ba e ías. Pa e de la demanda de ene gía eléc ica se ealiza en co ien e con inua (bombas de agua) mien as el es o se ealiza en co ien e al e na. En consecuencia, es necesa io ins ala un in e so que con ie a la co ien e con inua de 48 V en co ien e al e na de 220 V. Es o pe mi e usa apa a os eléc icos diseñados pa a abaja con es e ipo de co ien e. 6 En los pe iodos donde las condiciones climá icas sean des a o ables desde el pun o de is a de i adiación sola y ien o, la ene gía eléc ica es ex aída de la ba e ía, disminuyendo es a su ni el de ca ga. El ipo de ba e ía mas adecuado pa a es e ipo de aplicaciones es el de ciclo p o undo ya que puede en ega , len a pe o cons an emen e, su ene gía en o ma con inuada du an e a ios años sin p oblemas. Puede sopo a un p omedio de 2000 ciclos, donde cada ciclo es una ca ga y desca ga al 80% de su capacidad. La capacidad de la ba e ía se ha dimensionado pa a una au onomía máxima de la ins alación de 3 días, conside ando la si uación más des a o able, es deci el día en donde se p oduzca la máxima demanda. Cumpliendo en consecuencia los equisi os exigidos po el o ganismo compe en e pa a pode ob ene la co espondien e sub ención. El núme o de elemen os y equipos, así como sus ca ac e ís icas más ele an es, que con o man la ins alación son los siguien es: a) 36 paneles o o ol aicos de una po encia máxima de 110 W/ud a una ensión de 17,4 V. Conec ados en nue e g upos en pa alelo de 4 paneles en se ie cada uno de ellos pa a ob ene los 48 VCC nominales. b) 2 ae ogene ado es con gene ado i ásico de imanes pe manen es de 1 kW/ud de po encia nominal pa a una elocidad del ien o de 11 ms-1. Lle an inco po ado su p opio egulado , que además de con e i la co ien e al e na i ásica en co ien e con inua, cumplen las unciones p opias de un egulado de ca ga. c) 1 ba e ía de plomo ácido es aciona ia de 3320 Ah de capacidad nominal, o mada po 24 elemen os de 2 V cada uno de ellos. 7 d) 1 egulado de ca ga de 48 V de ensión de abajo, con una in ensidad máxima en la línea de ca ga y en la de consumo de 75 A espec i amen e. e) 1 in e so de onda senoidal pu a de 4,2 kVA. El ango de ensión de en ada es 4064 VCC, siendo 220 VCA y 50 Hz la ensión y ecuencia nominal de salida. En la igu a 3 se puede obse a la ene gía máxima que son capaces de suminis a los paneles o o ol aicos y los ae ogene ado es a lo la go del año. Figu a 3. –E olución anual de la P oducción de ene gía eléc ica En la igu a 4 se compa a la ene gía máxima que se puede ob ene de los paneles y de los ae ogene ado es en e a la demanda de ene gía eléc ica. Como se ap ecia hay semanas donde la demanda no es sa is echa y po an o hab á que conside a la ene gía que p opo ciona la ba e ía. Como la ba e ía ha sido diseñada pa a una au onomía de 3 días en las condiciones más des a o ables, implica que con la ba e ía a a se posible supli el dé ici de ene gía que se p oduce en de e minadas semanas. 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5 Semana 6 Semana 7 Semana 8 Semana 9 Semana 10 Semana 11 Semana 12 Semana 13 Semana 14 Semana 15 Semana 16 Semana 17 Semana 18 Semana 19 Semana 20 Semana 21 Semana 22 Semana 23 Semana 24 Semana 25 Semana 26 Semana 27 Semana 28 Semana 29 Semana 30 Semana 31 Semana 32 Semana 33 Semana 34 Semana 35 Semana 36 Semana 37 Semana 38 Semana 39 Semana 40 Semana 41 Semana 42 Pe iodos Ene gía P oducida (Wh) Ene gía Sola Ene gía Eólica 8 Figu a 4. – E olución anual de la Demanda y de la P oducción de ene gía eléc ica 4. P incipio de uncionamien o Una ez desc i os los equipos que o man pa e de la ins alación, es especialmen e in e esan e analiza su uncionamien o a endiendo al égimen en el que se encuen e ba e ía, que es en de ini i a la que impone la ensión en el sis ema de co ien e con inua. 4.1. Funcionamien o en ca ga Si la ba e ía no se encuen a o almen e ca gada, la ensión en el sis ema de con inua se á el impues o po los egulado es pa a ca ga la ba e ía. En es e égimen, la ene gía p oducida po los paneles y/o ae ogene ado es se u iliza en sa is ace no solo la demanda de las ca gas sino en ca ga la ba e ía. Finalizada la ca ga de la ba e ía, la ensión en el sis ema de co ien e con inua co esponde a la de lo ación. 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5 Semana 6 Semana 7 Semana 8 Semana 9 Semana 10 Semana 11 Semana 12 Semana 13 Semana 14 Semana 15 Semana 16 Semana 17 Semana 18 Semana 19 Semana 20 Semana 21 Semana 22 Semana 23 Semana 24 Semana 25 Semana 26 Semana 27 Semana 28 Semana 29 Semana 30 Semana 31 Semana 32 Semana 33 Semana 34 Semana 35 Semana 36 Semana 37 Semana 38 Semana 39 Semana 40 Semana 41 Semana 42 Pe iodos Wh Ene gía o al p oducida Demanda 9 4.2. Funcionamien o en lo ación Bajo unas de e minadas condiciones de insolación y elocidad de ien o y suponiendo que la ba e ía se encuen e en lo ación, en odo ins an e se debe e i ica que la ene gía que suminis an paneles y ae ogene ado es iguale a la ene gía que consume la ca ga más la que consume la p opia ba e ía. A pa i de es a si uación se pueden p oduci dos ci cuns ancias que se analizan a con inuación: a) Que aumen e la demanda de ene gía po pa e de la ca ga, en cuyo caso la ba e ía comienza a suminis a ene gía a la ca ga, ayudando a los paneles y a los ae ogene ado es. La ensión del sis ema de co ien e con inua comenza ía a disminui como consecuencia de la desca ga de la ba e ía. b) Que disminuya la demanda de ene gía po pa e de la ca ga, en cuyo caso exis i á un exceden e de ene gía p oducida po los paneles y ae ogene ado es. Es o mo i a un inc emen o de ensión de o ma que los egulado es p o ocan la desconexión del sis ema de los paneles y de los ae ogene ado es. En es a si uación, la ba e ía suminis a oda la ene gía que demanda la ca ga. 4.3. Funcionamien o en desca ga Si las condiciones de insolación y de ien o son insu icien es pa a que los paneles y ae ogene ado es p oduzcan ene gía eléc ica, en onces la ene gía que necesi a el sis ema se ob iene de la ba e ía. Si la ba e ía alcanzase un al o ni el de desca ga y pe maneciese en ese es ado demasiado iempo, se p oduci ía el enómeno de la sul a ación, de o ma que el sul a o de plomo p oducido comenza ía un p oceso de c is alización i e e sible, bloqueando la eacción de ca ga. Es o ha ía que la ba e ía se compo ase como si hubie a pe dido pa e