Suministro de energía eléctrica a una vivienda rural aislada mediante fuentes de energía renovables

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1 Suministro de energía eléctrica a una vivienda rural aislada mediante fuentes de energía renovables TITULACIÓN: Ingeniería Técnica Industrial especialidad Electricidad AUTORS: Steluta NEDELCU DIRECTORS: Luis GUASCH PESQUER FECHA: junio del 2009

2 Suministro de energía eléctrica a una vivienda rural aislada mediante fuentes de energía renovables MEMORIA TITULACIÓN: Ingeniería Técnica Industrial especialidad Electricidad AUTORS: Steluta NEDELCU DIRECTORS: Luis GUASCH PESQUER FECHA: junio del 2009

3 Índice 1 Objeto Alcance Antecedentes Ubicación de la granja Características generales de la granja Criterios generales de diseño Energía eólica Producción de energía eólica a nivel mundial Caracterización energética del viento Distribución Weibull Tipos de aerogeneradores Energía solar La naturaleza de la energía solar Los movimientos de la Tierra La radiación solar El módulo fotovoltaico Clasificación de las células FV Comportamiento eléctrico Estructura soporte de los módulos fotovoltaicos Dispositivos de orientación de los módulos Sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos El acumulador eléctrico El regulador El inversor Grupo electrógeno Normas y referencias Disposiciones legales y normas aplicadas Bibliografía Programas de cálculo Plan de gestión de la calidad aplicado durante la redacción del proyecto Otras referencias Programas de cálculo Definiciones y abreviaturas... 35

4 5.1 Definiciones Abreviaturas Requisitos de diseño Ubicación Edificaciones Potencia instalada Análisis de soluciones Altura de la torre del aerogenerador Velocidad del viento a 80 m de altura Velocidades del viento a diferentes alturas de la torre Energía producida por el aerogenerador para a una altura.32 m Inclinación de los módulos fotovoltaicos Estructura de los módulos: fija y con rotación en un eje Potencia nominal del sistema fotovoltaico Justificación del sistema híbrido Suma de las dos fuentes de energía Energía eléctrica generada por el sistema híbrido Resultados finales El sistema híbrido El aerogenerador eólico Energía producida con las dos fuentes de energía renovables Elección de la potencia nominal instalada para el sistema FV Elección de la altura de la torre Elección de la estructura del sistema FV Elección del ángulo optimo para el sistema fotovoltaico Elección de la tensión nominal del sistema híbrido Módulo FV seleccionado El acumulador eléctrico El regulador FV El inversor Grupo electrógeno Accionamiento eléctrico... 66

5 1 Objeto El objeto del proyecto es la realización de un estudio sobre la implementación de un sistema híbrido de suministro de energía eléctrica, de origen fotovoltaico y eólico, para la alimentación de una granja aislada de la red de suministro de energía eléctrica. La ubicación de la casa se encuentra en una zona agrícola del Balta Borcea al sureste de Rumanía. Con este proyecto se presenta una solución al suministro de energía eléctrica a viviendas rurales aisladas con potencial eólico y fotovoltaico, que minimice el impacto ambiental y se adapte a la normativa vigente. 2 Alcance En este proyecto se abordan los aspectos siguientes: Sistema eólico: - distribución mensual del viento; - velocidad del viento a diferentes alturas del torre; - selección de la turbina; - estimación de la energía producida con el aerogenerador escogido. Sistema fotovoltaico: - estimación de la irradiación solar en la zona; - estimación del ángulo optimo para la inclinación de los módulos; - estimación de la cantidad de energía eléctrica producida con diferentes potencias nominales instaladas (1 kwp, 1.5 kwp, 2 kwp); Accionamientos eléctricos: - seleccionar y configurar el accionamiento adecuado para el sistema de bombeo de agua. 3 Antecedentes 3.1 Ubicación de la granja La realización de este proyecto, en la Escola Tècnica Superior d Enginyeria de la Universidad Rovira i Virgili, ha sido posible gracias al acuerdo bilateral, dentro del programa de movilidad Sócrates-Erasmus, entre la Universitatea Politehnica din Bucuresti y la Universidad Rovira i Virgili. El objeto de este proyecto es diseñar un sistema para el suministro de energía eléctrica en una vivienda aislada en la región de Balta Borcea (Rumanía), mediante fuentes de energías renovables. Memoria Página 5

6 Rumanía es un país con recursos renovables medios, debido a su posición geográfica. La producción de energía eléctrica utilizando dichos recursos se puede incluir en el sistema eléctrico nacional o se puede utilizar en la alimentación de cargas aisladas de la red eléctrica. Como la utilización de las energías renovales es cada vez más apoyada y estimulada por la Unión Europea, en Rumanía se buscan aplicaciones adecuadas para su uso. Un nuevo programa del gobierno propone la restitución de un porcentaje del 90% de la cantidad de dinero pagado en la adquisición de un sistema utilizado en la producción de electricidad o la calefacción mediante fuentes renovables (con un limite de 7000 ). La granja objeto del proyecto se encuentra el la región de Balta Borcea, al sureste de Rumanía, tal como se aprecia en la Figura 3-1. Concretamente, se encuentra situada en una isla del Danubio (ver Figura 3-2 y Figura 3-3) donde no existe ninguna población. Balta en rumano significa charca, y está justificado porque antiguamente mayoría de la superficie de esta isla estaba cubierta por marismas. A partir de 1960 se aplicaron en Rumanía políticas agrarias que, en este caso, supuso la desecación de dichas marismas para su conversión en terreno de cultivo. La granja se encuentra aislada física y eléctricamente y está separada del pueblo de Borcea por un brazo del Danubio. El objeto del proyecto consiste en diseñar un sistema híbrido que genere energía eléctrica a partir de dos fuentes de energía renovables: eólica y fotovoltaica, en una ubicación que no está muy favorecida por los vientos. Figura 3-1 Mapa de Rumanía y la ubicación de la vivienda rural. Fuente: Google Imagery Figura 3-2 Mapa de Balta Borcea y la ubicación de la vivienda rural Fuente: Google - Imagery Memoria Página 6

7 Figura 3-3 Mapa de Balta Borcea y la ubicación de la vivienda rural Fuente: Google Imagery Hoy en día, Balta Borcea, es una isla bordeada por dos brazos del Danubio con un terreno muy llano, y solamente una pequeña parte de su superficie es reserva natural. La zona agrícola está dividida en parcelas que pertenecen a propietarios privados. Mayoritariamente se cultivan: cereales, maíz y girasol (Figura 3-4). También se existen explotaciones de apicultura (Figura 3-5). Figura 3-4 Plantación de cereales en Balta Borcea 3.2 Características generales de la granja La granja está ubicada en una finca dedicada a la explotación agraria y a la apicultura. Estas tareas serán llevadas a cabo por un trabajador que vivirá con su familia en dicha granja. Además de la casa para la residencia, existen otras dos dependencias, un granero donde salvaguardar el grano y un almacén para los utensilios. Memoria Página 7

8 Figura 3-5 Colmenas en Balta Borcea La vivienda es una casa prefabricada en madera, de dos plantas, con una superficie habitable de 100 m 2 aproximadamente, como se puede observar en la Figura 3-6. En la primera planta se encuentran el salón, el comedor, la cocina y un baño. En la planta superior se encuentran 2 habitaciones, 1 baño y una suite con baño interior. Figura 3-6 Casa prefabricada en madera La vivienda está ocupada durante todo el año y el sistema híbrido debe suministrar energía eléctrica para las necesidades diarias de las personas que viven en ella. En esa zona no existe suministro de agua corriente y será necesaria la extracción de agua de un pozo. Memoria Página 8

9 3.3 Criterios generales de diseño El proyecto es un estudio teórico, que aporta una solución de suministro de energía eléctrica en viviendas situadas en zonas lejanas a la red eléctrica de suministro. En la actualidad no existe ninguna vivienda en la zona, ni está prevista la construcción de ninguna granja. El suministro se hace exclusivamente con la ayuda de los recursos renovables disponibles: energía del sol y del viento Las características de la zona son: - una irradiación con un valor medio anual entre 1550 y 1650 kwh/m 2 - los vientos locales que soplan especialmente en invierno, pueden alcanzar velocidades entre 30y 35 m/s, pero en verano soplan esporádicamente y proporcionan un aire seco y caluroso del oeste. 3.4 Energía eólica Producción de energía eólica a nivel mundial Hoy en día la energía eólica se esta convirtiendo en una fuente muy importante dentro de las energías renovables.en la Figura 3-7 se puede observar la evolución de la potencia suministrada por la fuente eólica desde año 1996 hasta [MW] Ańo Figura 3-7 Evolución de la potencia generadora eléctrica instalada a partir de energía eólica. Fuente:Global Wind Energy Council (Belgium) Aunque la mayor parte de la energía es suministrada por grandes parques eólicos se pueden utilizar instalaciones eólicas de pequeño tamaño. La potencia de estas máquinas oscila desde unos kilovatios hasta el centenar y se puede utilizar en casas aisladas, granjas, sistemas de comunicación y otras aplicaciones como se puede observar en la Tabla 3-1. Memoria Página 9

10 Denominación Muy baja Potencia nominal [kw] 1 10 Baja Media Utilización Iluminación, sistemas de comunicación, refugios de montana, viviendas aisladas (sistemas EO-FV), granjas, bombas de agua, etc. Comunidades de vecinos, sistemas mixtos EO-Diesel, tratamientos, drenaje de aguas, etc Parques eólicos (terreno complejo). Alta Parques eólicos (terreno llano, mar adentro). Muy alta >10000 En fase de investigación y desarrollo, requieren nuevos diseños y materiales no convencionales. Tabla 3-1 Clasificación de aerogeneradores para producción eléctrica en función de su potencia. Fuente: Energía Eólica, IDEA Los generadores eólicos de baja potencia, también llamados aerogeneradores, tienen las siguientes ventajas: - se evitan pérdidas en transporte ya que la energía se producía en el mismo lugar que se demanda; - no se requieren grandes espacios para su instalación; - en caso de que no es un consumidor aislado, esta tecnología permite al consumidor ser productor de energía, vendiendo la energía excedente a los demás consumidores a través de la red. Los aerogeneradores con una potencia menor de 1 kw, microaerogeneradores, se emplean en una gran variedad de aplicaciones como refugios de montaña, la carga de baterías para embarcaciones, sistemas de comunicación, etc. Las turbinas de 1 a 10 kw, miniaerogeneradores, se suelen usar en viviendas aisladas, comunidades de vecinos, para bombear agua, etc Caracterización energética del viento La masa de aire en movimiento es energía cinética que puede ser transformada en energía eléctrica. La cantidad de energía que contiene el viento, antes de pasar a través de un rotor, depende de tres parámetros: la velocidad del viento incidente, le densidad del aire y el arrea barrida por el rotor. Se utiliza la siguiente formula: S ρ v P = 2 Donde: - P es la potencia [W] - ρ es la densidad del aire [kg/m3] 3 (1) Memoria Página 10

11 - S es la superficie barrida por el rotor [m 2 ] - v es la velocidad del viento [m/s] Del análisis de esta ecuación se puede obtener las siguientes conclusiones: - la energía del viento es proporcional al cubo de la velocidad. - la potencia es directamente proporcional al área barrida por el rotor de la turbina que tiene la expresión: S 2 = π R (2) Donde: - R radio del rotor. Por lo tanto la cantidad de energía depende de la radio del rotor. Antes de instalar un aerogenerador es conveniente conocer el potencial del viento en el lugar de emplazamiento. Un incremento del diámetro del rotor produce un importante incremento de la potencia. - la potencia depende linealmente de la densidad del aire, cuanto más pesado sea el aire más energía recibirá el aerogenerador. La densidad del aire varía con la temperatura y la altura. El aire caliente es menos denso que el frió y por tanto cualquier turbina producirá menos energía durante el verano que durante el inverno con la misma velocidad del viento. También, a una igual temperatura, en un lugar situado a una cota próxima al nivel del mar, el aerogenerador tendrá una energía producida superior a otro que se encuentre a mayor altitud, por el hecho de que la densidad del aire disminuye con la altura. Por tanto para hacer una aproximación del aporte de la cantidad de energía eléctrica a producir por una instalación eólica se necesitan dos cosas: - la velocidad media del viento en aquella zona - el tipo de aerogenerador utilizado Distribución Weibull La potencia generada por los aerogeneradores en relación a la velocidad del viento viene por la denominada curva de potencia. Dicha curva es una de las características más significativas de los aerogeneradores y cada tipo de aerogenerador tiene su propia curva de potencia. Se hace preciso conocer el perfil de las velocidades del viento para aproximar la potencia entregada por el aerogenerador. La velocidad del viento está siempre cambiando y por eso es preciso utilizar métodos estadísticos para poder describir su evolución a lo largo de un periodo. Existen varias funciones que pueden describir la frecuencia de las velocidades en una curva. Las dos más importantes y más utilizados son las funciones de Weibull y Rayleigh. La distribución de Weibull tiene dos parámetros y la de Rayleigh tiene solamente uno lo que hace que la primera mencionada sea algo más versátil. La distribución Weibull es una función de probabilidad, representada mediante una curva, que muestra en tanto por ciento la distribución de la velocidad de viento a lo largo de un periodo de tiempo en un lugar determinado. Memoria Página 11

12 La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. La distribución de Weibull utilizada puede variar tanto en la forma como en el valor medio. La distribución de Weibull es la función de densidad de probabilidad de la distribución de la velocidad del viento f(v) y tiene la forma: k 1 k v c k v f ( v) = c c e (k>0, v>0, c>1) (3) Donde: - c es el parámetro de escala - k es el parámetro forma de distribución Los dos parámetros indican las características promediadas del viento en el emplazamiento. El factor de distribución de forma de energía eólica, k, se define como la relación entre la energía obtenida en un año y la energía que se obtendría en ese año si la velocidad del viento se mantuviera constante e igual a la velocidad media (que no es realmente disponible). Como la energía eólica esta proporcional al cubo de la velocidad del viento (ver apartado 3.4.2), se puede escribir: Donde: v Es la velocidad instantánea del viento [m/s] 3 v Es la velocidad media del viento [m/s] 3 v k = (4) 3 v En dos lugares en los que la velocidad media del viento v sea la misma, se tendrá más energía disponible en aquel en que el factor de distribución k sea mayor como se puede observar en la Figura 3-8. Figura 3-8 Densidad de probabilidad de la distribución de la velocidad del viento para diferentes parámetros de forma Memoria Página 12

13 El área bajo la curva siempre vale exactamente 1, ya que la probabilidad de que el viento sople a cualquiera de las velocidades, incluyendo el cero, debe ser del 100 %. Se puede observar que la función de densidad de Weibull es relativamente más estrecha cuando el parámetro de forma crece. El pico también se mueve en la dirección superior de la velocidad del viento cuando aumenta el parámetro de forma. En la mayoría de los casos los valores de k están comprendidos entre 1.3 y 4.3 pero cuando no se dispone de muchos datos suele aceptarse la simplificación de hacer k=2, que se conoce como distribución de Rayleigh. La función de distribución es: k v c F( v) =1 e (5) La velocidad del viento se puede expresar en función de la distribución de Weibull como sigue: n ( ) () = = n n v n v f v dv... c Γ 1 + (6) k = 0 Donde: n - Γ 1 + es una forma de la función gama k 1 1 Γ + = x k 1 e x dx k 0 La velocidad media del viento es el primer momento de la función de densidad (n=1), resulta: 1 v( 1) = v = c Γ 1 + (7) k Si se multiplica la distribución de la velocidad del viento, f(v), por la energía del viento, se obtiene la distribución de la energía del viento. La energía total del viento es: (6) E = P f ( v) dv = 0 0 Donde: - P es la potencia [W] - ρ es la densidad del aire [kg/m 3 ] ρ S v 2 - S es la superficie barrida por el rotor [m 2 ] - v es la velocidad del viento [m/s] 3 ρ S f ( v) dv = c Γ 1 + k (8) Para determinar los parámetros c de escala y k de forma de la distribución, se puede utilizar una aproximación de mínimos cuadrados partiendo de la función distribución de Weibull en la forma siguiente: Memoria Página 13

14 Memoria Página 14 1-F(v)= k c v e (9) De esta resulta: k c v v F = )] ( 1 ln[ c k v k c v v F k ln ln ln )]} ( ln[1 ln{ = = Denominación: - )]} ( ln[1 ln{ v y F = - v x ln = - c k b ln = - k b e c = Para n pares de valores (x,y) se obtienen los valores de k y b: - n x x n y x y x k n n n n n n n n n n = = = = = = - n x k n y x k y b n n n n = = = = ] ) ( [ n y x y x n x x n x k k n y k b n n n n n n n n n n n n n n e e c = = = = = = = = Hoy en día, la adquisición de datos en muchos lugares del mundo permite describir con bastante fiabilidad la función de densidad de Weibull si el período de tiempo no es demasiado corto. Periodos de horas, o incluso de varios días son insuficientes para definir con fiabilidad la función de densidad de Weibull (o cualquier otra función de estadística), pero con períodos de varias semanas o meses, generalmente la función de densidad de Weibull se ajusta razonablemente bien a los datos observados Tipos de aerogeneradores Los dos grandes grupos de aerogeneradores, que dependen de la posición del eje de giro respecto a la dirección del viento, son: - Aerogeneradores de eje horizontal (HAWT), el eje de rotación es paralelo a la dirección del viento como se puede observar en la Figura 3-9.

15 Figura 3-9 Aerogenerador de eje horizontal Se puede clasificar, según su velocidad de giro en: - Aerogeneradores lentos: tienen en general un número alto de palas. Poseen un elevado par de arranque, gracias al cual pueden ponerse en marcha incluso con velocidades de viento muy bajas. Su baja velocidad de rotación hace que no se utilicen para la producción de energía eléctrica, sino que son más adecuados para bombear agua. - Aerogeneradores rápidos: presentan un par de arranque pequeño y requieren velocidades de viento del orden 4 a 5 m/s para su puesta en marcha. La mayoría poseen tres palas y se utilizan para la producción de energía eléctrica. Su gama de potencias es muy amplia, va desde modelos de 1 kw para instalaciones autónomas a modelos de gran potencia (hasta unos 10 MW actualmente). - Aerogeneradores de velocidad intermedia: tienen entre 3 y 6 palas y sus características se encuentran entre las correspondientes a los dos casos anteriores. Se utilizan cuando las condiciones de viento no son muy favorables y en general son de pequeña potencia y se destinan a la producción de energía eléctrica, generalmente, para equipos aislados. - Aerogeneradores de eje vertical (VAWT), el eje de rotación es perpendicular a la dirección del viento. Se puede clasificar, según dos diseños básicos en: - Tipo Savonius: se compone de dos semicilindros de igual diámetro situados paralelamente al eje vertical de giro (Figura 3-10). La principal ventaja consiste en que puede trabajar con velocidades de viento muy bajas. Presenta buenas características aerodinámicas para el autoarranque. Se Memoria Página 15

16 utiliza en la producción de energía eléctrica en redes aisladas o para el bombeo de agua. Figura 3-10 Aerogenerador en eje vertical Savoniusn - Tipo Darrieus: está formado por tres alas de forma ovalada de perfil aerodinámico (Figura 3-11). Tiene características parecidas a las de aje horizontal con un par de arranque muy pequeño. Su potencia es pequeña y aunque su aplicación es similar a los aerogeneradores rápidos de eje horizontal, están poco implantados. Figura 3-11 Aerogenerador en eje vertical Darrieus Memoria Página 16

17 Debido a su simetría vertical no necesitan sistemas de orientación para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento y por tanto su mantenimiento es sencillo. Presentan menor velocidad de giro y su rendimiento es menor cuando se comparan con aerogeneradores de eje horizontal de la misma potencia. 3.5 Energía solar La naturaleza de la energía solar El sol es una inmensa esfera de gases a alta temperatura, con un diámetro de 1.39x10 9 m situado a la distancia media de 1.5x10 11 m (llamada unidad astronómica) respecto a la Tierra, formado fundamentalmente por helio, hidrógeno y carbono. Genera una gran cantidad de energía mediante reacciones de fusión, por ejemplo dos átomos de hidrógeno que producen helio. La generación de energía proviene, por tanto, de la pérdida de masa del Sol. Esta energía llega a la superficie de Tierra en forma de radiación solar de una manera desiguala que varía en función de: - la distancia Tierra-Sol - hora del día. - inclinación del globo terráqueo respecto al Sol. - zona de la superficie terrestre. - el diámetro solar y la temperatura del Sol. - otros Los movimientos de la Tierra Los movimientos de la Tierra son los causantes de las estaciones, de la alternancia díanoche, de la distinta duración del día y de la noche a lo largo del año y como consecuencia la diferente cantidad de irradiación recibida en cada punto de la superficie terrestre. Los tipos de movimiento son: - Alrededor del sol (translación): el centro de la Tierra gira alrededor del Sol describiendo una elipse. El periodo de revolución, o año, solar es de 365,25 días. Al ser una órbita elíptica hace que el planeta se encuentre en algún momento más alejado del Sol, se le llama afelio y se produce en Julio. La posición más próxima de la Tierra al Sol, se le llama perihelio y sucede en Enero. Estas posiciones corresponden con el solsticio de verano cuando el día es el más largo del año y respectivamente el solsticio de inverno cuando la noche es la más larga del año. - De rotación alrededor del eje polar. La Tierra gira alrededor de un eje imaginario, llamado eje polar, que no es perpendicular al plano de la órbita que describe alrededor del Sol, sino que esta inclinado con respecto al mismo. Este eje corta a la superficie terrestre en dos puntos diametralmente opuestos, llamados polos Norte y Sur. El periodo de rotación alrededor del eje polar, tomando como referencia al Sol, es de un día solar o 24 horas. Se debe a esta inclinación los cambios de altura del Sol sobre el horizonte, la desigualdad de los días y las noches y de la sucesión de situaciones climáticas que dan lugar a las estaciones. Memoria Página 17

18 Puesto que el Sol se encuentra a diferente altura sobre el horizonte, su radiación llega a la superficie con más o menos efectividad. Durante el invierno 1 m 2 de superficie terrestre recibe menos de la mitad de la energía que recibe durante el verano, razón por cual el ambiente resulta más frío. Los movimientos de translación y de rotación se pueden observar en la Figura De precesión: además del Sol, también la Luna ejerce su acción gravitacional sobre la Tierra. El movimiento de precesión, también denominado precesión de los equinoccios, es debido a que la Tierra no es esférica sino un elipsoide achatado por los polos. Si la Tierra fuera totalmente esférica sólo realizaría los movimientos anteriormente descritos. Se llama equinoccio a cada uno de los dos puntos de la esfera celeste en los que la elíptica corta el ecuador celeste. Sucede dos veces al año, lo que conocemos como equinoccio de primavera y equinoccio de otoño. En estas dos veces la noche tiene la misma duración que el día en todos los lugares de la tierra. - Nutación: este movimiento también es debido al achatamiento de los polos y a la atracción de la Luna sobre el eje (una pequeña vibración). Este movimiento se produce mientras se está produciendo el movimiento de precesión. Figura 3-12 Los movimientos de la Tierra La radiación solar La energía emitida por el Sol viaja en forma de ondas electromagnéticas. Su velocidad de propagación en el vacío siendo de c= km/s, con lo cual para una distancia media Tierra-Sol de 1.5x10 11 m el tiempo que tarda en llegar la luz solar es de unos 8.3 minutos. La radiación solar es este flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). La energía Memoria Página 18

19 enviada por el Sol tiene una cantidad constante de 1353 W/m 2 pero de esta cantidad solo una parte llega a la superficie. Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmósfera donde sufre diversos fenómenos de reflexión, absorción y difusión que disminuye la intensidad final. Se pueden distinguir diversos tipos de radiación, en función de cómo es recibida por las superficies: - directa: es la radiación que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambios en su dirección. Es la mayor y la más importante en las aplicaciones fotovoltaicas. - difusa: es la parte de la radiación que atraviesa la atmósfera y es reflejada y absorbida por las nubes, partículas de polvo atmosférico, moléculas de agua, edificios y el suelo. Las superficies horizontales reciben gran parte de esta radiación y las superficies verticales reciben una parte menor. - global: la radiación total es la suma de las dos radiaciones descritas anteriormente. - reflejada (denominada albedo) es la radiación directa y difusa que se recibe en el suelo u otras superficies próximas. Las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, y las superficies verticales reciben gran parte de esta radiación. La radiación directa, difusa y albedo se pueden observar en la Figura Figura 3-13 Tipos de radiación solar Las proporciones de radiación recibidas por una superficie determinada dependen de: - la forma de la Tierra; - los movimientos de la Tierra; - el ciclo día/noche; Memoria Página 19

20 - las condiciones meteorológicas: en un día nublado la radiación directa es prácticamente dispersa en su totalidad y en un día despejado con clima seco esta puede llegar hasta 90% de la radiación total; - la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal; - la presencia de superficies reflectantes. Las superficies claras son más reflectantes: en invierno la radiación reflejada aumenta por efecto de la nieve y en verano disminuye por efecto de la absorción de la hierba o del terreno. Irradiación es la energía solar acumulada a lo largo de un intervalo de tiempo (por lo general, un mes o un año medida usualmente en kilovatios-hora por metro cuadrado kwh/ m 2 ) que incide en una superficie horizontal. En condiciones ideales la irradiación, en la superficie de la tierra, en valor medio, es de 1000 W/m 2. En función del lugar varia la relación entre los tipos de radiación. Al aumentar la inclinación de la superficie de captación, disminuye la componente reflejada. Por ello la inclinación que permite maximizar la energía recogida puede ser diferente dependiendo del lugar. Para estudiar la inclinación más adecuada con la que se debe orientar las superficies que captan la energía solar es necesario precisar la trayectoria solar y la irradiación en el lugar para diferentes temporadas. El sistema habitual para definir la trayectoria solar es la de coordenadas polares que tiene el origen en la posición de la superficie captadora. El plano fundamental es el horizontal, tangente a la superficie terrestre. La perpendicular a este plano en dirección a la semiesfera celeste superior define la posición del lugar o zenit local. En la dirección opuesta, a través de la Tierra, se sitúa el nadir local. Las direcciones principales sobre el plano horizontal son la Norte-Sur, intersección con el plano meridiano del lugar, y la perpendicular a ella Este-Oeste, intersección con el plano denominado primer vertical. En este sistema se puede definir los siguientes parámetros que se pueden observar en la Figura 3-14: Figura 3-14 Posición del Sol Memoria Página 20

21 - latitud del lugar (λ). Es la complementaria del ángulo formado por la recta que une el zenit y el nadir con el eje polar. Es positivo hacia el Norte y negativo hacia el Sur. - meridiano del lugar Circulo máximo de la esfera terrestre que pasa por el lugar, por el zenit y por el nadir. - horizonte. Lugar geométrico de los puntos con altura 0 - ángulo zenital (θ zs ). Es el ángulo formado por la recta vector Sol-Tierra y la vertical del lugar. Es positivo a partir del zenit. - altura solar (γ s ).Ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal. Ángulo complementario del ángulo zenital. - ángulo acimutal (Ψ s ): Ángulo formado por la proyección del Sol sobre el plano del horizonte con la dirección Sur y es positivo de 0º a 180º hacia el Oeste y negativo hacia el Este de 0º a -180º. La posición óptima se obtiene cuando la superficie está orientada hacia el ecuador, con ángulo de inclinación a la latitud del lugar. La orientación hacia al ecuador maximiza la radiación solar captada recibida durante el día. La inclinación igual a la latitud hace que sean mínimas, durante el año las variaciones de energía solar captadas debidas a la oscilación de la dirección de rayos solares respecto a la perpendicular a la superficie recorrida El módulo fotovoltaico El aprovechamiento más simple de la energía radiante del Sol para generar electricidad se basa en el efecto fotovoltaico que tiene lugar cuando la luz incide sobre la célula fotovoltaica. Las células fotovoltaicas son dispositivos semiconductores elementales que tienen unas características físicas determinadas y se conectan eléctricamente para obtener un dispositivo con una manejabilidad y unos parámetros eléctricos de tensión y corriente que resulten de utilidad práctica, tal como se realiza en un módulo fotovoltaico.se hace la conexión eléctrica de varias módulos para adaptar los parámetros eléctricos de la fuente fotovoltaica a los requisitos eléctricos del sistema. En el mercado internacional se ofrecen varios modelos de módulos FV de diferentes tipos de materiales, tipos de geometría y empaquetado de células fotovoltaicas Clasificación de las células FV El material de partida, para la fabricación de las células, es la arena de cuarzo (SiO 2 ) de la cual se obtiene el silicio que se debe presentar en una forma químicamente pura. De acuerdo con el silicio utilizado en la fabricación de las células se puede distinguir tres grupos diferentes, como se puede observar en la Figura 3-15: - Células de silicio monocristalinas en las que el silicio que compone las células está formado por un único cristal, cuya red cristalina es idéntica en todo el cristal y caracterizada por la solidificación de los átomos de silicio en tres direcciones espaciales perpendiculares entre sí, y sin imperfecciones. La eficiencia de los módulos formados por dichas células está entre 11 y 16 %; - Células de silicio policristalinas en las que los procesos de cristalización del silicio no son ordenados, obteniéndose redes cristalinas diferentes en cada cristal y Memoria Página 21

22 conformándose la célula mediante la unión de diferentes cristales. La eficiencia de los módulos formados por dichas células esta entre 8 y 14 %; - Células de silicio amorfo en las cual no hay una red cristalina alguna y el material es depositado sobre finas capas que se unen entre si. La eficiencia de estas células solares está entre el 6 y el 8 %. - Figura 3-15 Tipos de células FV: monocristalinas, policristalina y respectivamente de silicio amorfo Los tipos de módulos mas utilizadas son el mono y el policristalinos, aproximadamente del 93%. Los módulos FV fabricados con células monocristalinas fabricadas en serie tienen grados de eficiencia entre 13 y 17 %. Su fabricación consume más energía y tiempo que las de células policristalinas pero cuentan actualmente con la eficiencia más alta de todos tipos de células Comportamiento eléctrico El comportamiento eléctrico de un módulo se deriva del que presentan las células que lo componen: - para que una célula fotovoltaica pueda ser una fuente de energía eléctrica es necesario que incida radiación sobre ella; - la intensidad de corriente que circula por una célula cuando sus extremos están cortocircuitados varía en proporción directa a la irradiación recibida; - cuando la célula está conectada a algún batería o elemento de consumo, los valores de tensión e intensidad dependen de las características eléctricas del dispositivo y de la propia célula (excepto situaciones de cortocircuito o circuito abierto); - existe un único par de valores tensión-intensidad para el cual la potencia suministrada por la célula es máxima (punto máxima de potencia); - los parámetros ambientales que afectan en mayor medida al comportamiento eléctrico de una célula son la irradiación (afecta a la intensidad de cortocircuito que varía en el mismo sentido que la irradiación) y la temperatura ambiente (afecta la tensión de circuito abierto, que varía en sentido contrario a la temperatura, tal como se puede observar en la Figura 3-5); - para una célula FV existen los siguientes parámetros de funcionamiento, que se pueden encontrar en la característica tensión-intensidad (I-V): Memoria Página 22

23 Potencia máxima o pico, P MPPcel, entre los valores de la curva I-V de la célula existe un punto de operación (I p,v p ) por cual la potencia obtenida es máxima. La expresión es: P MPPcel = I V (10) p Intensidad de cortocircuito, I SC,cel:, es la máxima corriente de la célula y puede obtenerse cuando se ponen en contacto los bornes de la célula. Los valores habituales son entre 10 y 40 ma por centímetro cuadrado de célula; Tensión en circuito abierto, V OC,cel:, es la tensión máxima que puede alcanzar la célula cuando no tiene conectada ninguna carga (la corriente es nula). Las características eléctricas de un módulo FV, especificadas por el fabricante, se obtienen bajo unas condiciones determinadas: - Irradiación incidente: 1000 W/m2; - Temperatura de la célula: 25 C; - Masa de aire: AM 1.5. Un módulo FV está formado por la asociación serie-paralelo de un cierto número de células y por tanto su comportamiento eléctrico es análogo al descrito en los puntos anteriores. La caracterización eléctrica de un módulo fotovoltaico consiste en la descripción gráfica, llamada característica I-V, intensidad tensión que se puede dar en función de la irradiación, (ver Figura 3-16), o de la temperatura del módulo. De esta característica se pueden averiguar los siguientes parámetros: p Figura 3-16 Efectos de la irradiación sobre la característica V-I de un módulo típico - Intensidad de cortocircuito, I SC es igual a la de una de sus células multiplicada por el número de filas conectadas en paralelo; - Tensión en circuito abierto, V OC del módulo es igual a la una de sus células multiplicada por en número de éstas conectadas en serie; - Potencia máxima o pico P MPP, es el máximo valor de potencia que puede entregar el módulo FV; Memoria Página 23

24 - Tensión en el punto de máxima potencia, V MPP : tensión de salida del módulo FV a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura; - Intensidad en el punto de máxima potencia, I MPP : corriente que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. En el mercado, en general, se pueden encontrar módulos fotovoltaicos con una tensión continua entre 12 y 24 voltios y potencias que oscilan entre los 10 y 200 W Estructura soporte de los módulos fotovoltaicos. El aprovechamiento óptimo de la energía solar requiere que los módulos fotovoltaicos dispongan de inclinación y orientación adecuada, para ello se hace necesaria la inclusión en el sistema de una estructura soporte y que cumple con lo siguientes funciones: - Servir de soporte y fijación segura de los módulos (facilitan la formación de los paneles); - Garantizar la inclinación y orientación adecuadas; - Prevenir sombras en los módulos; - Asegurar la distancia entre los módulos. A la hora de la instalación de los módulos FV, las sombras que pueden dar los obstáculos próximos (edificios, árboles, otros módulos), son peligrosas, ya que pueden provocar la inversión en el funcionamiento de los módulos actuando estos como receptores de corriente en las zonas sombreadas y causar así grandes pérdidas. Una determinación exacta de las posibles sombras se puede realizar conociendo la altura solar y el azimut durante todo el año, y así comprobar si algún obstáculo puede causar sombras en algún momento al sistema. El cálculo de distancia mínima entre filas de módulos se realiza cuando exista peligro de proyección de sombras en los siguientes casos: - Entre el campo fotovoltaico y algún obstáculo próximo; - Entre dos filas de módulos, cuando estos tienen cierta inclinación con respecto a la horizontal o vertical. La distancia d, medida sobre la horizontal, entre una fila de módulos y un obstáculo (o dos filas de módulos inclinados) de altura h, que puede producir sombra sobre el sistema FV, tiene que ser igual o superior al valor obtenido por la expresión: h d = = h k (11) tg( 67 latitud ) Siendo: - d es la separación entre filas de módulos o distancia de una fila a un obstáculo (como se puede ver en la Figura 3-17); - h la altura del obstáculo, o diferencia de altura entre la parte alta de una fila de módulos y la parte baja de la siguiente; - k es un coeficiente adimensional cuyo valor se obtiene a partir de la latitud del lugar. Memoria Página 24

25 Figura 3-17 Distancia mínima entre módulos - L es la longitud del módulo; - a es el ángulo de inclinación del módulo. Para hacer una estimación de la superficie del sistema FV, para su ubicación, incluidos los módulos y la separación entre ellos se puede multiplicar los metros cuadrados de superficie captadora por el valor expresada por la siguiente formula: M=k sen(a)+cos(a) (12) Dispositivos de orientación de los módulos La energía entregada por los módulos FV depende, entre otros factores, del ángulo de incidencia de la irradiación solar sobre él. Cuando el ángulo de incidencia es nulo la energía eléctrica entregada es máxima. Lo ideal seria que el módulo dispusiera a cada momento de la orientación adecuada. Los sistemas de orientación automática presentan una estructura tipo mástil que posibilita el seguimiento solar con métodos pasivos o activos. Los métodos activos utilizan parte de la energía eléctrica generada por los módulos fotovoltaicos para alimentar al sistema electromecánico de seguimiento solar y los métodos pasivos utilizan la energía solar para esta tarea (suministrada por paneles auxiliares). El seguimiento puede ser de dos tipos: de doble eje y de un eje. El seguimiento de doble eje conserva una orientación de los módulos FV, exactamente perpendicular a los rayos solares durante todo el día. El seguimiento de un eje se suele utilizar cuando hay limitaciones de espacio. Los métodos más usuales de seguimiento solar en un eje son: - Seguimiento de la altura solar, ver Figura 3-18: el panel puede girar en torno a un eje horizontal colocado en dirección Este Oeste que le permite hacer un seguimiento diario de la altura del Sol; Memoria Página 25

26 Figura 3-18 Seguimiento de la altura solar - Seguimiento del azimut solar, ver Figura 3-19: el panel puede girar en torno a un eje horizontal colocado en dirección Norte Sur que le permite hacer un seguimiento diario del azimut del Sol. Figura 3-19 Seguimiento de azimut solar Memoria Página 26

27 - Caso general de seguimiento: el panel puede girar en torno a un eje inclinado, como se puede observar en la Figura Cuando esta inclinación es igual a la latitud el panel debe girar 15 cada hora para seguir exactamente el azimut del sol. Figura 3-20 Caso general de seguimiento 3.6 Sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos Un sistema híbrido obtiene energía eléctrica mediante combinaciones de diferentes fuentes como placas fotovoltaicas, generadores externos, aerogeneradores, turbinas hidráulicas, etc. Cuando se quiere obtener energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables, y en sistemas aislados, es aconsejable utilizar diferentes fuentes de energía. Las ventajas de este tipo de sistema son: - Utilización de fuentes de energía renovables; - Disponer de suministro eléctrico en una zona aislada; - Ahorro en el consumo de combustible; - Menor contaminación del entorno. Un tipo de sistema híbrido se puede notar en la Figura Los sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos aprovechan la energía eólica y la energía solar para suministrar energía eléctrica. Estos sistemas se utilizan habitualmente para el suministro de energía eléctrica en zonas rurales aisladas. En estos casos, siempre es necesario disponer de un sistema de baterías de almacenamiento que permiten disponer de energía eléctrica cuando la producción de ésta es inferior al consumo, por ejemplo de noche y con poco viento. En función de las necesidades del consumo, puede resultar aconsejable disponer de un grupo electrógeno para asegurar que no se producen interrupciones en el suministro de energía eléctrica, incluso en caso de avería o mantenimiento de la instalación. Memoria Página 27

28 Figura 3-21 Componentes de un sistema híbrido En la Tabla 3-2 se pueden observar los elementos que componen los diferentes tipos de sistemas híbridos que incorporan batería de almacenamiento. Tipo Generador Regulador FV Eólico Grupo FV Eólico Batería Inversor Tabla 3-2 Configuración de tipos de sistemas híbridos con baterías de almacenamiento Tipos 1 y 2: - El tipo 1 proporciona energía eléctrica como fuente de tensión continua y el tipo 2 como fuente de tensión alterna. - Los dos sistemas de generación renovable (fotovoltaico y eólico) necesitan la inclusión de reguladores de carga. Memoria Página 28

29 - El inversor se puede conectar directamente a la batería o a la salida del regulador. - Otros posibles elementos en caso de suministro de corriente continúa son: - Adaptares de tensión para alimentar cargas, generalmente de poca potencia con tensiones diferentes a la de los sistemas de generación. - Convertidores cc-cc, para estabilizar la tensión en equipos sensibles o alimentar cargas con tensiones diferentes a la del sistema. Tipo 3, 4, 5, 6 - El arranque del grupo electrógeno puede ser: En el caso que se supere la potencia nominal del inversor. Este arranque puede ser programado. Con control del estado de carga de las baterías. En este caso el grupo puede: - cargar las baterías durante un tiempo prefijado o hasta se recupera su estado de carga; - alimentar cargas de alterna durante un tiempo prefijado o hasta que uno de los generadores cargue las baterías; - ambas opciones a la vez. 3.7 El acumulador eléctrico Las dos fuentes renovables de energía eléctrica (eólica y fotovoltaica), se caracterizan por sus variabilidades y aleatoriedad lo que afecta en sentido negativo el aprovechamiento de éstas. Para evitar los inconvenientes se dispone de la introducción en el sistema de acumuladores eléctricos (baterías) Una batería es un dispositivo electroquímico que almacena energía eléctrica en forma de enlaces químicos. El bloque constructivo básico de una batería es la celda o célula electroquímica. Las celdas están conectadas en configuraciones serie/paralelo (ver Figura 3-22) para proporcionar los niveles de voltaje, intensidad y capacidad de batería deseados. La batería permite que: - el sistema se convierta en una fuente eléctrica independiente de las condiciones de radiación solar y de viento existente, en mayor o menor medida; - el sistema tendrá una autonomía de servicio eléctrico durante periodos prolongados de inactividad de los módulos FV o del aerogenerador, usando la energía almacenada durante los momentos de generación eléctrica de las dos fuentes; - fijar una tensión de referencia que establece en los módulos FV un punto de trabajo óptimo y para consumidores una tensión adecuada. En un sistema híbrido las baterías deben cumplir los requisitos siguientes: - Tipo: el más utilizado es la batería de plomo-ácido con electrolito liquido, seguido del acumulador de plomo-ácido con electrolito gelificado (acumulador sellado) y el acumulador de níquel-cadmio; Memoria Página 29

30 Figura 3-22 Conexionado de baterías en paralelo y en serie - Capacidad: medida de la cantidad de energía eléctrica que puede suministrar la batería bajo unas determinadas condiciones, se expresa en amperios por hora. Existen disponibles baterías con capacidades entre los 50 y 4000 Ah actualmente. La capacidad disponible en la batería está afectada principalmente por la temperatura ambiente, disminuyendo o aumentando a medida que la temperatura disminuye o aumenta. Un problema que suele presentarse cuando la temperatura del electrolito alcanza los 0 C está relacionado con el estado de carga de la batería. Si está prácticamente descargada, la cantidad de agua en la solución electrolítica es mayor. Al bajar la temperatura del electrolito existe la posibilidad de que el agua se congele pudiendo dañar las celdas o quebrar la caja. El ácido del electrolito actúa como anticoagulante, de manera que es importante mantener la carga de las baterías cuando la temperatura de trabajo disminuye. Tampoco las temperaturas ambientes elevadas son adecuadas, estas reducen la vida útil de una batería Pb-ácido: si para una temperatura del electrolito de 30 C la reducción de la vida útil es de 30% para una temperatura del electrolito de 55 C la reducción de vida útil es de 95%. - Tensión: la batería es una fuente de tensión continua con unos valores habituales de 2 y 12 voltios. Para capacidades superiores, 400 Ah, se utiliza células de 2 V que es habitual en instalaciones de electrificación de viviendas; - Estado de carga: la relación existente entre la capacidad disponible y la capacidad total. Se expresa en tanto por ciento. También se conoce como SOC (State of Charge); - Profundidad de descarga: la relación existente entre la capacidad utilizada y la capacidad total. Se expresa en tanto por ciento. Los reguladores limitan esta profundidad, y se calibran habitualmente para permitir profundidades de descarga de la batería en torno al 70 %; - Número de ciclos: expresa el tiempo de vida de una batería mediante el número de ciclos de carga-descarga. El fabricante debe suministrar gráficas que relacionan el número de ciclos con la vida de la batería; Una batería de plomo ácido esta compuesta por los siguientes elementos básicos, como se puede observar en la Figura 3-23: - Placa positiva, construida con dióxido de plomo (PbO 2 ); - Placa negativa, formada por plomo esponjoso (Pb); Memoria Página 30

31 - Separadores con la misión de separar las placas de diferente polaridad aislándolas entre sí; - Electrolito, constituido por una solución diluida de ácido sulfúrico; - Carcasa, construida de polietileno o polipropileno, y encargada de alojar en su interior los diferentes elementos descritos anteriormente; - Terminales de conexión. Figura 3-23 Batería de plomo ácido 3.8 El regulador El funcionamiento de un acumulador eléctrico, sus prestaciones y su tiempo de vida dependan en gran parte del modo en que se lleven a cabo los procesos de carga y descarga del mismo. La supervisión automática de estos no la puede realizar el sistema FV y se hace necesaria la inclusión de un dispositivo que impide la entrada o salida de corriente de la batería cuando una carga excesiva o una descarga excesiva puede dañarla. Este dispositivo se llama regulador o controlador de carga. Las principales funciones de los reguladores son: - Proteger a la batería contra la sobre descarga. Esto pasa cuando la demanda de energía eléctrica provoca un estado de carga bajo en la batería, un estado que la puede prejudicial. Este modo de protección se implementa anulando la generación de corriente en la batería, desconectando esta de los circuitos de consumo; - Proteger la batería contra sobrecarga. Esto pasa cuando con la batería en plena carga el sistema FV siguiese inyectando corriente en la misma. El regulador anula o reduce al mínimo la inyección de corriente procedente del sistema FV; - Proporcionar información básica sobre el funcionamiento del sistema, monitorizando valores de tensión, intensidad de la batería, estado de carga. Memoria Página 31

32 Algunos reguladores incluyen dispositivos que substituyen a los diodos de bloqueo (denominadas y by-pass), que están destinadas a prevenir el flujo de energía eléctrica desde el acumulador eléctrico hacia los módulos FV en ausencia de irradiación. El dimensionado de este regulador de carga conduce al establecimiento de sus características nominales que son las siguientes: - Tensión nominal: es la tensión nominal del sistema FV para el que fue diseñado el regulador. Algunos modelos de reguladores permiten la selección manual o automática de la tensión; el rango habitual es entre 12 y 48 V; - Intensidad nominal: es la intensidad procedente del sistema FV que puede manejar normalmente el regulador. Esta capacidad de corriente suele coincidir con la que dispone el regulador en la línea de consumo. Los niveles de tensión a los cuales el regulador realiza el control o los cortes se denominan puntos de regulación. Para los reguladores con regulación de sobrecarga y sobre descarga se utilizan 4 valores de tensión de regulación: - Tensión corte de sobrecarga, que es la máxima tensión que el regulador permite que alcance la batería; - Tensión de rearme de carga, que es la tensión a la que se reconecta el sistema FV para cargar la batería; - Tensión de corte de sobre descarga, es el valor mínimo de tensión antes de desconectar el consumo; - Tensión de rearme de descarga, es el valor de tensión que reconecta el consumo a la batería. La técnica utilizada y las etapas que se pueden identificar en el proceso de regulación de carga se denominan estrategia de regulación. En el mercado existen reguladores de 2, 3 y 4 etapas descritas brevemente a continuación: - Carga inicial: cuando la tensión alcanza un nivel prefijado el regulador permite el paso de toda la corriente disponible en el sistema FV, provocando el aumento progresivo de dicha tensión; - Carga de absorción: cuando se alcanza la tensión final de carga en la batería, esta se mantiene durante algún tiempo modulando la corriente del sistema FV; - Carga de flotación: cuando la batería esta completamente cargada se interrumpe el paso de corriente hasta que la tensión se reduce a valor preestablecido, manteniéndose así modulando la corriente procedente del sistema FV; - Carga de ecualización: periódicamente o después de un bajo estado de carga se somete a la batería a una ligera sobrecarga controlada, elevando así su tensión hasta un nivel ligeramente superior al de absorción. 3.9 El inversor Un inversor o convertidor es un dispositivo que transforma la energía corriente continua en energía de corriente alterna (su rendimiento está entre el 85 y el 95 %). Su uso es necesario para alimentar los receptores domésticos que funcionan en corriente alterna. Generalmente, el inversor se conecta a la salida del regulador, si bien puede ser conectado directamente en bornes de la batería cuando posee control de descarga de la batería. Memoria Página 32