Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo

Transcripción

1 CompendioTecnológico 2 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo Principios, explotaciones y soluciones de SMA

2 Portada: Sistema de respaldo híbrido de 30 kwp en Ntarama (Ruanda) para el suministro de electricidad a un centro de formación profesional en tecnología solar Puesta en servicio: 2009 Fuente: juwi Solar GmbH

3 CONTENIDO 1. Sistemas aislados renovables Componentes Diseño del sistema Acoplamiento de CC Sistemas mixtos CC/CA Acoplamiento de CA Funcionamiento Crecimiento y conexión en red de sistemas aislados Sunny Backup: el suministro eléctrico de emergencia de SMA El inversor aislado Funciones de seguridad Gestión operativa y de usuarios Registro y almacenamiento de datos Generadores eléctricos en la red aislada Inversores para fotovoltaica Inversores para turbinas eólicas Inversores para turbinas hidráulicas Plantas de cogeneración Inversores para pilas de combustible Unidades de combustión Gestión operativa en sistemas aislados Tareas y objetivos Gestión operativa óptima: la regulación de carga de Sunny Island Gestión del generador Gestión del sistema Comunicación en la red aislada Sunny WebBox: la central de comunicaciones Sunny Portal: almacenamiento y visualización de datos en internet Diseño de sistemas aislados Indicaciones sobre el ejemplo de diseño Consumidores y horas de uso Procedimiento de diseño Selección del inversor aislado Dimensionamiento de la batería Dimensionamiento de la instalación fotovoltaica Diseño del generador diésel Cálculo de los costes de la instalación Aspectos económicos de los sistemas aislados Competente, flexible, internacional: el servicio técnico de SMA Referencias Bibliografía 42 3

4 SMA Solar Technology 1. Sistemas aislados renovables Según estimaciones de la Unión Europea, en el mundo viven alrededor de millones de personas sin electricidad. Los elevados costes de las inversiones necesarias para la ampliación de las redes públicas y la baja demanda de electricidad impedirán la conexión de estas regiones remotas a la red a medio plazo. En estas circunstancias, los sistemas fotovoltaicos aislados ofrecen una alternativa razonable. Los sistemas fotovoltaicos aislados son redes eléctricas autónomas en las que se inyecta la energía suministrada por un generador fotovoltaico. Los sistemas de suministro eléctrico en islas, para asentamientos aislados o incluso pueblos enteros son algunos ejemplos. Según estimaciones de la UE, en Europa existen ya unas granjas y edificios que no están conectados a la red eléctrica pública. En estas zonas, el uso de sistemas fotovoltaicos aislados suele ser la solución más económica. Para la planificación, el diseño y la selección de un sistema aislado se deben tener en cuenta varias restricciones. El diseño óptimo de un sistema de suministro eléctrico depende principalmente de estos cinco factores: 1. La potencia de conexión necesaria 2. El consumo de energía 3. El tipo de consumidores 4. El período de uso 5. Las restricciones meteorológicas Además de estos aspectos técnicos, se deben tener en cuenta también aspectos culturales, sociales, económicos y financieros. Porcentaje de la población con acceso a la electricidad: 3 33% 33 66% > 66% Banco Mundial 2001 Fig. 1.1: Tasa de electrificación (fuente: Banco Mundial) 4

5 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 1.1 Componentes El generador fotovoltaico, como fuente de energía renovable, es el componente esencial del sistema aislado. Otros generadores disponibles son los que cuentan con motores de combustión (por ejemplo, los generadores diésel o las plantas de cogeneración) y las turbinas hidráulicas y eólicas. Por lo general, las instalaciones aisladas se diferencian por su tensión del sistema (CC o CA). En los sistemas acoplados a CC, el generador fotovoltaico se conecta a través de reguladores de carga de CC/ CC especiales (fig. 1.2). En los sistemas acoplados a CA se utiliza un inversor fotovoltaico convencional para inyectar corriente a la red (fig. 1.4). El inversor aislado o de batería constituye el corazón del sistema acoplado a CA. Garantiza que la potencia generada y consumida esté equilibrada en todo momento. Si se genera demasiada energía, el inversor la almacena en las baterías. Si la demanda de energía supera la energía disponible, el inversor descarga las baterías. Las principales diferencias entre los inversores aislados y los fotovoltaicos se muestran en la tabla 1.1. Resumen de características del inversor de batería Sunny Island Óptimo para sistemas de suministro de energía de 1 kw a > 100 kw Conmutación flexible en paralelo monofásica o trifásica Ampliable por módulos Extraordinaria resistencia a la sobrecarga Adecuado para el uso en condiciones climáticas extremas Gestión óptima de batería y registro de estado de carga de la batería para garantizar una larga vida útil de la batería Integración económica de consumidores estándar de CA, fuentes de energía renovables y generadores Puesta en servicio sencilla Para el funcionamiento óptimo del suministro aislado es esencial disponer de un sistema que gestione la batería, el generador y la carga. Esta función de control está integrada en el inversor de batería, lo que simplifica el funcionamiento del sistema y reduce los costes de inversión. El inversor de batería Sunny Island proporciona todo lo necesario para una gestión fiable del sistema. Admite un uso flexible y abre un mundo de nuevas posibilidades en lo referente al acoplamiento de CA para el diseño de sistemas de energía autónomos. Inversores fotovoltaicos Inversores aislados Dirección del fl ujo de energía Unidireccional Bidireccional Funcionalidades Regulación del punto de máxima potencia (MPP), Corriente de red sinusoidal Gestión de batería, generador y carga, tensión de red sinusoidal Capacidad de sobrecarga Aprox. 110% Aprox. 300% (resistente a cortocircuitos) Potencia activa/reactiva Inyección de potencia activa pura Cargas con cualquier factor de potencia Tensión característica de CC 125 V 850 V (técnica de strings) 12 V, 24 V, 48 V Tabla 1.1: Comparación entre inversores fotovoltaicos y aislados 5

6 SMA Solar Technology 1.2 Diseño del sistema Un sistema fotovoltaico aislado, además de los consumidores como las lámparas, la radio, el televisor y el frigorífico, consta principalmente de estos cuatro componentes: el generador eléctrico (por ejemplo, un generador fotovoltaico), el acumulador de batería, el regulador de carga y el inversor. Estos componentes se pueden acoplar en diferentes niveles del sistema: en el lado de CC, en el de CA o en sistemas mixtos Acoplamiento de CC En el acoplamiento de CC, todos los consumidores y generadores se conectan exclusivamente en el nivel de tensión de la batería (fig. 1.2). El suministro de tensión continua de 12 voltios es adecuado para configuraciones de sistema simples. Especialmente cuando la electricidad se consumirá principalmente para la iluminación, como en el caso de un sistema de vivienda solar (Solar Home System: SHS) en el rango de potencia de unos cientos de vatios. Durante las horas diurnas, la batería almacena la energía suministrada por el generador fotovoltaico y por la noche esta energía está disponible nuevamente para la iluminación. Con un pequeño inversor adicional también es posible operar consumidores de corriente alterna convencionales en el sistema de CC. En general, el uso de consumidores de CA resulta ventajoso. Estos equipos están disponibles en todo el mundo y se pueden adquirir a bajo coste. Bus de CC Bus de CA Fig. 1.2: Sistema de vivienda solar (SHS) con la posibilidad de proporcionar corriente alterna 6

7 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo Sistemas mixtos CC/CA Los sistemas mixtos CC/CA son adecuados para conectar consumidores de CA con una potencia media a generadores de CC. Con estos sistemas, la batería del lado de CC se puede cargar de forma simultánea gracias a una unidad de combustión (fig. 1.3). Los requisitos de un sistema mixto son diferentes de los de un sistema de vivienda solar (SHS): sirven para suministrar energía a consumidores remotos y son capaces de gestionar una demanda de energía superior. Por este motivo, los sistemas de CC/CA se suelen utilizar en granjas, pequeños comercios y fincas agrícolas. El diseñador de un sistema de CC/CA debe tener en cuenta que la potencia del inversor tiene que corresponder a la potencia necesaria de los consumidores. Aunque haya más potencia del sistema fotovoltaico o eólico disponible, el inversor debe limitar la potencia disponible en el lado de CA. Bus de CC Bus de CA Fig. 1.3: Sistema híbrido con componentes acoplados a CC 7

8 SMA Solar Technology Acoplamiento de CA El acoplamiento de todos los consumidores y generadores en el lado de CA (fig. 1.4) presenta una ventaja decisiva: permite construir o ampliar los sistemas con componentes estandarizados de forma flexible y modular. Se pueden combinar fuentes de energía tanto renovables como convencionales, dependiendo de la aplicación y las fuentes de energía disponibles. Esto resulta especialmente ventajoso cuando la estructura de la red es débil. Las fuentes de energía conectadas cargan las baterías y suministran energía cuando resulta necesario. Si hay inversores y unidades de combustión destinados a tal fin, es posible una conexión a la red pública. El sistema se puede ampliar fácilmente añadiendo más generadores, lo que permite gestionar una demanda creciente de energía. Las fuentes de CA conectadas suponen un incremento real de la potencia del lado de CA. Las instalaciones con acoplamiento de CA se pueden utilizar para alimentar consumidores convencionales de CA. En consecuencia, son idóneas para su uso en áreas rurales de países en desarrollo y países recientemente industrializados. En el rango de potencia medio (1 300 kw), la estructura de estos sistemas de suministro no requiere ninguna unidad de control y monitorización adicional. El inversor de batería como por ejemplo, el Sunny Island, comprueba de forma independiente la disponibilidad de la red y los componentes del sistema. Esto simplifica el funcionamiento del sistema y reduce los costes de inversión. Desde una perspectiva económica, los sistemas aislados con acumulador de batería en el rango de potencia de kw son considerablemente más rentables que las instalaciones que utilizan únicamente generadores diésel. Incluso sistemas híbridos más grandes que utilizan un generador diésel para evitar el almacenamiento en batería a largo plazo se pueden operar a un coste inferior que los sistemas que trabajan exclusivamente con grupos diésel. Esto se puede atribuir a los elevados costes de mantenimiento, la corta vida útil y al muy bajo rendimiento de carga parcial de los generadores diésel. Bus de CC Bus de CA Fig. 1.4: Sistema híbrido con componentes acoplados a CA 8

9 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo La capacidad de ampliación y la clase de acoplamiento de los componentes individuales desempeñan un papel importante en los sistemas de suministro eléctrico fuera de las redes de interconexión. El acoplamiento de CC con Sunny Island permite conectar generadores de energía de cualquier tipo y cualquier consumidor de energía convencional a la red aislada. El sistema es fácil de ampliar tanto en el lado de consumidor como en el de generador (fig. 1.5). Ventajas del acoplamiento de CA Estructura 100% compatible con la red pública Instalación sencilla, ya que pueden utilizarse componentes estándar de la instalación de la vivienda Suma de la potencia de todos los componentes que inyectan a la red Escalable según las necesidades, incluso para grandes sistemas (desde 1 kw hasta el rango de los megavatios) Ampliable sin problemas Combinable con generadores de energía paralelos a la red e integrantes de la red (grupos diésel, pequeñas centrales hidroeléctricas, instalaciones de energía eólica, etc.) Máxima fiabilidad gracias a la estructura redundante del sistema Bus de CC Bus de CA Fig. 1.5: Sistema híbrido modular y flexible con acoplamiento de CA 9

10 SMA Solar Technology 1.3 Funcionamiento Los inversores aislados como el Sunny Island se conectan a un acumulador de batería y constituyen la red de CA del sistema aislado. Al mismo tiempo, regulan la tensión y la frecuencia en el lado de CA. Los generadores y consumidores se conectan directamente a la red de CA. En caso de producirse un exceso de energía (por ejemplo, cuando la irradiación solar es alta y el consumo es bajo), el inversor aislado extrae energía de la red de CA para cargar las baterías. Cuando hay un déficit de energía (poca o ninguna irradiación solar y un consumo elevado), el Sunny Island suministra energía a la red a través de las baterías (fig. 1.6). En la red aislada se pueden conectar varios generadores de energía: instalaciones fotovoltaicas con inversores Sunny Boy, instalaciones de energía eólica con inversores Windy Boy, centrales hidroeléctricas y generadores diésel. Estos últimos pueden intervenir cuando disminuye el estado de carga de las baterías y no hay suficiente irradiación solar. Rendimiento energético fotovoltaico > demanda de los consumidores (carga de batería durante el día) Rendimiento energético fotovoltaico = 0 suministro desde la batería Rendimiento energético fotovoltaico < demanda de los consumidores (energía adicional de la batería) Fig. 1.6: Rendimiento energético fotovoltaico y demanda de los consumidores 10

11 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 1.4 Crecimiento y conexión en red de sistemas aislados Las redes aisladas con Sunny Island se pueden ampliar gradualmente hasta crear grandes instalaciones gracias a la posibilidad de conexión en paralelo de todos los sistemas de inyección y consumidores. Por tanto, se pueden usar sobre todo para suministrar energía en regiones alejadas de la red, como, por ejemplo, pueblos aislados. En la figura 1.7 se muestra la estructura y las posibilidades de ampliación de una red de suministro eléctrico de un pueblo con acoplamiento de CA. Este sistema energético autónomo se puede ampliar sin problemas con nuevos generadores a medida que aumenta la demanda de energía de los consumidores. Otra ventaja de los sistemas aislados es que la energía que no se necesita durante el día está disponible durante la noche para el alumbrado público, por ejemplo, gracias al acumulador de batería. Leyenda fig Generador fotovoltaico 2. Inversor fotovoltaico Sunny Boy 3. Inversor de batería Sunny Island 4. Acumulador de batería 5. Generador 6. Instalación eólica 6 Fig. 1.7: Posibilidades de ampliación de un sistema híbrido acoplado a CA para el suministro eléctrico de un pueblo 11

12 SMA Solar Technology 1.5 Sunny Backup: el suministro eléctrico de emergencia de SMA Para garantizar el máximo nivel de seguridad en grandes sistemas, los inversores Sunny Island se instalan en los denominados clústeres. En este caso, hasta tres equipos (como circuito trifásico) o incluso cuatro equipos (monofásico, operado en paralelo), constituyen una unidad junto con la batería. Para obtener la potencia deseada se pueden conectar en paralelo varias unidades (formando un clúster). La ventaja que esto representa es que si falla una batería no queda afectado todo el sistema (fig. 1.8). Mientras que en los sistemas aislados la conexión a la red es redundante, el sistema Sunny Backup permite a las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red conseguir una independencia temporal de la red pública de suministro eléctrico. En caso de producirse una caída de tensión, el sistema de respaldo continúa proporcionando electricidad a la red de la vivienda. El sistema se compone principalmente del inversor Sunny Backup, una instalación fotovoltaica y un acumulador de batería. En funcionamiento normal, uno o varios inversores solares inyectan la electricidad de la instalación fotovoltaica a la red pública. El sistema Sunny Backup sólo se activará en caso de fallo de la red o caída de tensión. El mecanismo de conmutación desconecta entonces la instalación fotovoltaica y los consumidores de la red, según la normativa aplicable, y mantiene el suministro de la vivienda desde la batería. Como gestor del sistema, el Sunny Backup coordina todas las operaciones de conmutación. En consecuencia, compensa de manera fiable cualquier fallo de la red. Fig. 1.8: Sistema híbrido acoplado a CA con cuatro clústeres, conectado a una Multicluster Box 12

13 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo En este caso, la instalación fotovoltaica actúa como fuente de energía para el suministro directo de los consumidores y para la carga de la batería. De este modo, se puede suministrar energía a los consumidores durante largos períodos de funcionamiento incluso en casos de caída del fluido eléctrico. La conexión de fuentes de energías renovables disponibles localmente permitirá prolongar la autonomía incluso cuando las capacidades de las baterías sean limitadas. El uso consistente del acoplamiento de CA es el requisito para una correcta interacción entre el sistema Sunny Backup y los inversores solares. Como síntesis ideal entre el funcionamiento de red pública y el de red aislada, el sistema Sunny Backup está atrayendo el interés de cada vez más operadores: ofrece excelentes alternativas en países en desarrollo y países recientemente industrializados con redes eléctricas inestables y puede representar también en nuestros países un suplemento útil para las Resumen de características del inversor Sunny Backup Óptimo para sistemas de suministro de energía de 1 a 100 kw Puede integrarse en instalaciones fotovoltaicas nuevas y ya existentes Kit preconfigurado Dispositivo de conmutación compacto y económico Batería de dimensiones reducidas gracias a la integración de la instalación fotovoltaica Suministro de energía y carga de la batería a través de la red Alto rendimiento fotovoltaico constante Conmutación automática al suministro de reserva en aprox. 20 milisegundos redes públicas. Según la opinión de los expertos, se prevé que en Europa aumenten los apagones prolongados y las caídas temporales del fluido eléctrico. Fig. 1.9: La solución de respaldo de SMA 13

14 SMA Solar Technology 2. El inversor aislado El inversor aislado Sunny Island es el primer inversor de batería modular que permite la conexión de varios tipos de sistemas de inyección (instalaciones fotovoltaicas, eólicas; grupos de generación de corriente, plantas de cogeneración, pequeñas centrales hidroeléctricas) al lado de la corriente alterna (acoplamiento de CA). El inversor aislado está equipado con varios sistemas de gestión que garantizan el funcionamiento estable del sistema de suministro de energía. La gestión de batería, del generador, de la energía y de la carga se complementan entre sí para proporcionar una gestión completa del sistema. El Sunny Island mide o calcula todas las variables necesarias para garantizar que no se deje al azar ninguna operación de conmutación o modificación de los valores nominales. Para permitir el funcionamiento en paralelo de las fuentes de energía acopladas a CA sin necesidad de comunicación, se utiliza el denominado "modo droop" (SelfSync ). Este método utiliza estadísticas de la potencia activa y reactiva como base para la coordinación del rendimiento de los diferentes convertidores de corriente conectados (fig. 2.1). Para alcanzar un flujo de potencia óptimo se influye de forma especial en los parámetros de tensión y frecuencia de la red. Cada convertidor trabaja con una regulación en cascada como fuente de tensión. De este modo, el consumo y la alimentación de potencia activa de cada convertidor individual conectado en paralelo se regula de forma independiente de la frecuencia de la red aislada. Si la frecuencia aumenta debido a una reducción brusca de la carga, todos los convertidores reducen la potencia inyectada para que el sistema se mantenga equilibrado. Estos algoritmos de regulación permiten una reacción rápida a las fluctuaciones de potencia características de la red aislada. Están disponibles para todas las configuraciones de red relevantes (400 V o 230 V / 50 Hz y 120 V / 60 Hz). 0 Fig. 2.1: Algoritmo de regulación en el inversor aislado de SMA (SelfSync ) 14

15 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 2.1 Funciones de seguridad El inversor aislado ha sido optimizado para condiciones de sobrecarga térmica y eléctrica: ajusta la potencia máxima como respuesta directa a las condiciones ambientales. Con el sistema de refrigeración patentado OptiCool (fig. 2.2), SMA ofrece ahora una solución técnica que combina tanto la refrigeración activa como la pasiva. La gestión inteligente de la temperatura está formada por un sistema con dos cámaras que tienen un compartimiento estanco para los componentes electrónicos y uno de flujo de aire que contiene las fuentes de calor relevantes. Esto garantiza una protección excelente y, al mismo tiempo, un comportamiento de sobrecarga único y una fiabilidad óptima. En caso de producirse fuertes corrientes de irrupción se implementan funciones de arranque suave: en el Sunny Island 5048, por ejemplo, la sobretensión se limita a 120 A en los primeros 0,1 segundos. Durante un máximo de tres segundos, el inversor suministra 2,5 veces la sobretensión. Tras este período (por ejemplo, si se produce un cortocircuito duradero), el equipo se desconecta por motivos de seguridad. En un lapso de 100 milisegundos se disparan los disyuntores de 16 A de tipo B, lo que permite cubrir todos los requisitos de seguridad de la instalación en paralelo a la red. Fig. 2.2: El sistema de refrigeración OptiCool permite el uso en condiciones ambientales extremas Tensión [V] Intensidad de corriente [A] Tiempo [ms] Fig. 2.3: Curvas de tensión y corriente del Sunny Island 5048 antes, durante y después de un cortocircuito 15

16 SMA Solar Technology 2.2 Gestión operativa y de usuarios El concepto de funcionamiento del inversor aislado (por ejemplo, Sunny Island 5048, Sunny Island 2224) se basa en el "Single Point of Operation" (SPO). Todos los ajustes, secuencias de conmutación y variables importantes del sistema se pueden agrupar, visualizar o modificar en una misma pantalla. El SPO ofrece una visión general compacta del sistema y permite ajustar unidades paralelas y reguladores de carga conectados desde un mismo equipo. La información sobre las fuentes o cargas externas está accesible porque todas las operaciones de conmutación automáticas se activan también desde el inversor aislado. Mediante un sistema de comunicación interno, toda la información relevante se puede intercambiar entre los componentes del sistema que admiten esta función. Para facilitar al máximo la instalación y el manejo del sistema Sunny Island al instalador y los usuarios, SMA ha desarrollado la guía de configuración rápida. El instalador programa todo el sistema mediante la introducción de las respuestas a unas cuantas preguntas a través del menú. A partir de seis sencillos ajustes, el inversor puede generar todos los valores predeterminados que faltan, lo que garantiza un funcionamiento seguro del sistema. 2.3 Registro y almacenamiento de datos Una parte importante del menú de funcionamiento interno se centra en el historial de todos los modos operativos que se han producido. Los valores máximos así como otros datos y eventos importantes se guardan en una memoria interna permanente. Un sistema de registro de datos integrado realiza todas las mediciones, cálculos y evaluaciones. De este modo es posible compilar una imagen completa de todas las actividades, desde los procesos de carga hasta las eliminaciones de carga automáticas. Todos los datos importantes se guardan en una tarjeta de memoria flash. Los datos se guardan según el procedimiento FIFO ("First In First Out": primero en entrar, primero en salir). De este modo, los datos más recientes están disponibles no sólo para el usuario, sino también para el equipo de soporte de SMA. Es muy fácil ampliar el alcance del registro de datos del Sunny Island con productos de comunicación de SMA. Por ejemplo, con el registrador de datos Sunny WebBox es posible realizar una monitorización remota completa de forma sencilla. 16

17 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 3. Generadores eléctricos en la red aislada Las redes aisladas se utilizan principalmente para suministrar energía a cargas alejadas de la red. Esta energía se debe facilitar en una forma adecuada para el uso por parte de los consumidores. Para las redes aisladas acopladas a CA, esto significa que todas las fuentes funcionan sobre la base de unos niveles de tensión y frecuencia definidos (por ejemplo, 230 V / 50 Hz). Los generadores de energía disponibles en el mercado suelen estar preconfigurados para los ajustes específicos de cada país. En algunos países, como Brasil o Japón, sin embargo, se aconseja revisar estos datos con mucha precaución. Por ejemplo, en Japón, 127 V y 230 V son igual de comunes, y también con frecuencias diferentes (50 Hz o 60 Hz). Los sistemas de inyección cubren principalmente la demanda energética directa de los consumidores. La energía que no se consume directamente sirve para cargar las baterías y puede recuperarse posteriormente cuando es necesaria. Por tanto, el flujo de energía depende fundamentalmente del comportamiento del consumidor. En general, las fuentes de energía se pueden dividir en renovables y en basadas en combustibles fósiles. 3.1 Inversores para fotovoltaica El funcionamiento de un inversor fotovoltaico consiste básicamente en la conversión de la corriente continua proporcionada por los módulos solares en corriente alterna sinusoidal. En este proceso, el equipo tiene la tarea de sincronizar la forma de onda de la corriente y la tensión disponibles con la frecuencia de la red aislada. Los inversores fotovoltaicos más habituales, como los inversores Sunny Boy de SMA, determinan el punto de funcionamiento con el máximo rendimiento de potencia (punto de máxima potencia o MPP) y hacen su seguimiento durante el funcionamiento para garantizar el máximo rendimiento energético posible. En sistemas aislados, los rangos de potencia de hasta 300 kw tienen una importancia primordial. Los modelos Sunny Boy y Sunny Mini Central de SMA son idóneos para el uso en sistemas de estas magnitudes. Destacan por un rendimiento excepcional, facilidad de uso y fiabilidad. Fig. 3.1: Inversor de string Sunny Boy en un sistema aislado 17

18 SMA Solar Technology 3.2 Inversores para turbinas eólicas Sunny Boy y Sunny Mini Central son los únicos inversores solares que tienen la capacidad de "interpretar" el nivel de frecuencia en la red aislada. Al igual que las grandes centrales eléctricas de la red pública, son capaces de ajustarse a la demanda de energía que se determina tomando como punto de partida la frecuencia medida. En otras palabras: son capaces de regular el flujo de energía de la red aislada. Se pueden usar sin problema tanto en redes monofásicas como en trifásicas. Se puede realizar un diseño preciso de forma muy sencilla con el programa "Sunny Design". Esto permite obtener información detallada no sólo sobre el diseño y la orientación del inversor y los módulos, sino también sobre las secciones de cable y el punto de funcionamiento óptimo de la instalación fotovoltaica. Sunny Design se puede descargar de forma gratuita en También en este caso, la tarea principal es la conversión de la corriente continua suministrada por la instalación eólica en corriente alterna. Ni las redes monofásicas ni las trifásicas representan ningún problema, ya que el inversor Windy Boy fabricado por SMA se puede instalar en cualquier red aislada de SMA. Igual que el inversor Sunny Boy, el Windy Boy puede ajustarse a la demanda de energía actual de la red aislada para evitar un suministro excesivo de energía. Para incrementar la capacidad de las grandes turbinas eólicas, estos equipos pueden conmutarse también para el funcionamiento monofásico en paralelo. La Windy Boy Protection Box conectada en serie al Windy Boy proporciona una protección óptima y garantiza el funcionamiento uniforme de la instalación. La Protection Box está equipada con un rectificador trifásico y limita la tensión y la potencia excesivas del aerogenerador, redirigiéndolas a una resistencia de carga. Curva característica de la turbina Control de la potencia de salida mediante la frecuencia Fig. 3.2: Inversor Windy Boy con la Windy Boy Protection Box para pequeñas instalaciones eólicas en un sistema aislado 18

19 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 3.3 Inversores para turbinas hidráulicas Las turbinas hidráulicas también se pueden integrar fácilmente en los sistemas aislados de SMA. Básicamente se puede distinguir entre las turbinas hidráulicas que funcionan con generadores asincrónicos y las que funcionan con generadores sincrónicos. Los generadores asincrónicos de hasta 5 kw se pueden integrar en sistemas trifásicos simples. Basta con conectarlos directamente. Las turbinas con generadores sincrónicos de imán permanente se pueden integrar mediante los inversores Windy Boy mencionados más arriba. Con las características de turbina eólica para instalaciones eólicas que tienen almacenadas en su software, los inversores Windy Boy también son idóneos para el uso en sistemas de energía hidráulica. Los generadores sincrónicos que cuentan con su propia regulación de tensión y frecuencia se pueden integrar en instalaciones más grandes por medio de un equipo de sincronización adecuado. Curva característica de la turbina Control de la potencia de salida mediante la frecuencia Fig. 3.3: Inversor Windy Boy con la Windy Boy Protection Box para pequeñas instalaciones hidroeléctricas en un sistema aislado 19

20 SMA Solar Technology 3.4 Plantas de cogeneración Las plantas de cogeneración que funcionan con diésel o combustibles no fósiles son motores de combustión interna que no sólo generan electricidad, ya que también permiten aprovechar el calor resultante del motor y el sistema de escape para fines como, por ejemplo, la obtención de agua caliente. Por su clase de potencia, las denominadas 'miniplantas' de cogeneración son adecuadas principalmente para el uso en redes aisladas de SMA. Las plantas de cogeneración que forman redes se integran en redes aisladas como generadores diésel convencionales y se inician y detienen mediante el Sunny Island. Gracias a sus generadores síncronos, pueden actuar también como unidades de suministro eléctrico de emergencia. En caso de caída de la red aislada, la planta de cogeneración puede formar una red y continuar suministrando electricidad a las cargas. Las plantas de cogeneración pequeñas funcionan principalmente en paralelo a la red, de modo que se conectan a redes ya existentes y les inyectan electricidad con regulación de corriente. Están equipadas con generadores asincrónicos y, por tanto, no pueden formar una red por sí solas. SMA Solar Technology AG ha desarrollado, junto con la empresa Power Plus, el sistema EcoIsland, formado por un Sunny Island y una planta de cogeneración ecopower. Estos equipos, perfectamente coordinados, constituyen una red aislada fiable para las áreas donde es importante poder recuperar el calor generado. Para obtener más información consulte: anlagen-und-systeme/ecoisland.html ( Fig. 3.4: Sistema EcoIsland con instalación fotovoltaica y acumulador de calor 20

21 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 3.5 Inversores para pilas de combustible Con el Hydro Boy, SMA ofrece una forma óptima de integrar pilas de combustible en un sistema Sunny Island. El hecho de que las pilas de combustible funcionen con una corriente muy alta y una tensión relativamente baja hace que un equipo como el Hydro Boy sea totalmente indispensable. Igual que el Sunny Boy, tiene la capacidad de adaptarse a las condiciones energéticas existentes en la red aislada. Los inversores Hydro Boy están disponibles en los tamaños estándar de 1,1 y 1,3 kw. También pueden fabricarse según las especificaciones del cliente. Actualmente, las pilas de combustible se producen en rangos de tensión y corriente muy diferentes. Por tanto, es preciso prestar especial atención a su compatibilidad con el Hydro Boy. Las pilas de combustible también se pueden integrar en sistemas Sunny Island en el lado de CC, es decir, en el lado de la batería. En este caso sirven para cargar la batería directamente y si es necesario pueden suministrar energía del lado de CC al de CA a través del Sunny Island. Fig. 3.5: Inversor Hydro Boy para pilas de combustible en un sistema aislado 21

22 SMA Solar Technology 3.6 Unidades de combustión Las unidades de combustión son una combinación de motores de combustión y generadores de corriente. Primero convierten la energía almacenada en el combustible en energía mecánica que, a su vez, se utiliza para generar electricidad (generador de corriente). Existen varias opciones de diseño para la integración tanto del motor de combustión como del generador de corriente en una unidad de combustión. Estas unidades se integran a menudo en sistemas híbridos en forma de generadores de respaldo para optimizar los valores renovables del generador y del acumulador, así como para mejorar la disponibilidad estacional de la energía del sistema de suministro. La disponibilidad de combustible y el rendimiento del motor son dos factores importantes que se deben tener en cuenta durante la planificación de un sistema híbrido. Si se realiza un diseño por debajo de lo óptimo de la unidad de combustión, se pueden ocasionar elevados costes operativos y de mantenimiento, por ejemplo a causa del mayor consumo de combustible. Generalmente, las unidades de combustión tienen integrada una función de arranque remoto. Pueden encenderse y apagarse de forma selectiva según unas variables predefinidas. Actualmente, en el mercado también hay unidades con función de arranque/parada manual que los operadores ya están utilizando. Para estas unidades, SMA ofrece el gestor del generador GenMan, que incorpora la función de arranque remoto. Actualmente, los generadores diésel desempeñan un papel importante en los sistemas híbridos de energías renovables. Esto puede parecer una paradoja, pero tiene fácil explicación. Supongamos que queremos suministrar energía solar a un sistema al cien por cien. Sería necesario instalar un número suficiente de módulos solares para cubrir la demanda de energía durante la estación con menos irradiación solar, por ejemplo, en invierno para Europa Central. Este tipo de sistema no puede ser una propuesta económicamente viable, debido al enorme generador fotovoltaico que se necesitaría. Con la integración de un generador diésel, utilizamos una fuente de energía que está disponible en todo momento y de forma rápida. Como resultado, se reduce de forma drástica el tamaño necesario de la instalación fotovoltaica. Fig. 3.6: Generador que funciona con aceite vegetal 22

23 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 4. Gestión operativa en sistemas aislados Hasta la fecha, la gestión operativa sólo ha desempeñado un papel secundario en la mayoría de instalaciones híbridas. El funcionamiento se controla mediante valores límite definidos que están preestablecidos en los reguladores de carga o los inversores de batería. La unidad de combustión se conecta o desconecta dependiendo del estado de la batería. En el caso más simple se usan exclusivamente valores límite de tensión. No obstante, existen varias restricciones inherentes en esta tecnología. Cuando la carga de la batería es muy alta, la resistencia interna de las celdas ocasionará un arranque prematuro del generador. En el caso de pequeñas corrientes de descarga, la batería a menudo se descargará excesivamente. Por tanto, la batería no se utiliza a su plena capacidad ni está protegida contra una descarga excesiva. Por este motivo, las nuevas generaciones de equipos ya utilizan umbrales de tensión con compensación de corriente. Un dato fiable para la gestión operativa es el estado de carga de la batería, pero este dato no se puede registrar mediante procedimientos metrológicos directos. Para determinar el estado de carga concreto de una batería son necesarios algoritmos de cálculo, los cuales pueden variar sobremanera en su grado de precisión. Hasta hoy, son pocos los fabricantes de inversores de batería que han integrado algoritmos para la determinación del estado de carga en sus equipos. Además de la determinación del estado de carga, otra función clave para conseguir una larga vida útil de las baterías en sistemas híbridos es la regulación de carga. La regulación de carga requiere cargas completas y de compensación periódicas con unos períodos de carga considerablemente más largos. Hasta el momento, son pocos los fabricantes que han integrado las cargas completas y de compensación en sus equipos. Si el consumo de combustible de la unidad de combustión se debe mantener bajo, la unidad se tiene que cargar de forma eficiente y consistente hasta el límite de su capacidad. En consecuencia, el generador no se debe dimensionar con un tamaño mayor que el inversor de batería. Puesto que el consumo de energía está sujeto a grandes Fig. 4.1: Estructura de un sistema híbrido renovable convencional 23

24 SMA Solar Technology fluctuaciones, el inversor de batería debe controlar la energía suministrada por el generador y ajustar constantemente su potencia de carga. La gestión de la potencia reactiva será necesaria para poder realizar la carga de forma fiable también con pequeños generadores. Al mismo tiempo, deben evitarse las corrientes reactivas innecesarias que afectan al rendimiento del sistema. 4.1 Tareas y objetivos Los sistemas fotovoltaicos híbridos (fig. 4.1) constan de dos o más unidades de generación de corriente y unidades de suministro, como las instalaciones fotovoltaicas y de energía eólica; las centrales hidroeléctricas o las unidades de combustión. A menudo se conectan en paralelo varios de estos generadores de corriente. A excepción de las unidades de combustión, los generadores sólo se pueden regular en determinadas condiciones y a veces no se pueden regular en absoluto. Por este motivo, los sistemas híbridos siempre llevan integrada una batería que actúa como reserva de energía y potencia. El acumulador de batería realiza algunas tareas clave: en caso de un exceso de energía generada, la batería absorbe la energía que no se puede consumir en ese momento y si la energía generada no es suficiente para cubrir la demanda, la batería libera su energía. No obstante, la energía y la potencia que se pueden almacenar tienen unos límites. La batería está sometida a procesos de envejecimiento que dependen en gran medida de la técnica de carga utilizada. Por tanto, la gestión de la batería es un factor crucial en toda gestión operativa. Sin una regulación de carga inteligente y una protección efectiva contra la descarga total, las baterías de plomo convencionales proporcionan una vida útil muy corta. La vida útil y el rendimiento de las unidades de combustión presentan también una fuerte dependencia de las condiciones de funcionamiento existentes actualmente y que se producen con frecuencia. Así, los grupos diésel convencionales para la generación de electricidad normalmente alcanzan su rendimiento máximo al cien por cien de la potencia nominal (fig. 4.2). Aproximadamente al 50 por ciento de su potencia nominal, el rendimiento es ya un 20 por ciento más bajo. Y con cargas de generador inferiores al 50 por ciento, la eficiencia cae en picado. La gestión operativa de los sistemas híbridos tiene tres tareas esenciales: Mantener siempre el sistema en funcionamiento de forma segura para que las cargas se puedan cubrir de forma fiable con energía eléctrica Minimizar los costes de combustible y mantenimiento Optimizar la vida útil de la batería y el generador Eficiencia Potencia del generador [P/P nom ] Fig. 4.2: Curva de rendimiento de un pequeño generador diésel convencional 24

25 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 4.2 Gestión operativa óptima: La regulación de carga de Sunny Island Los inversores de batería de SMA Solar Technology AG funcionan con un algoritmo de compensación muy preciso que se puede ajustar a diferentes tipos de batería y a la antigüedad de las baterías. El registro del estado de carga se ha ampliado con la conexión de una derivación externa de medición de corriente. Esto permite monitorizar y controlar los consumidores o sistemas de inyección de CC en el lado de la batería. El inversor de batería Sunny Island tiene una regulación de carga de tres niveles con carga completa y de compensación automáticas (como se muestra en la fig. 4.3). Esto garantiza que se puedan impedir de forma fiable tanto las cargas excesivas como las insuficientes. Fig. 4.3: Distintas fases de la regulación de carga del inversor de batería Sunny Island 5048 En la fig. 4.4 se muestra la regulación de carga y el registro del estado de carga en un sistema fotovoltaico híbrido de Grecia. Tras una carga completa de unas cinco horas, al día siguiente sólo es necesario realizar una carga de mantenimiento. Fig. 4.4: Regulación de carga y estado de carga en un sistema fotovoltaico híbrido de Grecia durante un período de dos días 25

26 SMA Solar Technology Gestión del generador Según el estado de carga (o la potencia actual combinada con funciones de temporizador), el inversor de batería genera una señal de arranque o parada para una unidad de combustión. Además, observa períodos de calentamiento y funcionamiento mínimo, así como de enfriamiento, para el generador. Esto permite que el generador funcione con pocas exigencias de mantenimiento y prolonga significativamente su vida útil. Una regulación rápida y precisa de la corriente del generador permite asegurar que el generador se mantenga siempre en su punto de funcionamiento óptimo. Incluso en caso de súbitos cambios de carga, el inversor de batería Sunny Island absorbe gran parte de las fluctuaciones de carga y ayuda al generador mediante el suministro de energía de la batería. Esto permite utilizar de forma segura incluso generadores que son pequeños en relación con la carga nominal. Este proceso no sólo funciona con los generadores diésel o de gasolina, sino también con pequeñas centrales hidroeléctricas (fig. 4.5). En este caso, las fluctuaciones de tensión se pueden atribuir a las diferentes situaciones de potencia reactiva dentro del sistema Gestión del sistema Los sistemas híbridos que suministran electricidad a cargas muy dinámicas (máquinas, electrodomésticos, utensilios de cocina), además de luces, radios, televisores y frigoríficos, no se deben controlar meramente sobre la base de valores energéticos como el estado de carga. Cuando la demanda de potencia es alta, no necesariamente debe cubrirla la batería, sino que puede suministrarla directamente el generador conectado. Esto aumenta de forma significativa el rendimiento del sistema y prolonga la vida útil de la batería porque fluye menor cantidad de energía a través de ella. Lo mejor es iniciar el generador cuando aumenta la demanda de consumo. La gestión de carga que permite la desconexión temporal de cargas no críticas también mejora el rendimiento del sistema. Estas y otras funciones se pueden activar en el Sunny Island. El inversor de batería cuenta con una alta capacidad de sobrecarga que le proporciona el tiempo necesario para ajustarse a estas situaciones y le permite, por ejemplo, gestionar de forma más segura las corrientes de arranque de las máquinas. Fig. 4.5: Regulación de corriente del generador en combinación con una turbina hidráulica 26

27 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 5. Comunicación en la red aislada En los sistemas aislados se pueden utilizar dispositivos de comunicación con tres finalidades concretas: 1. Comunicación relacionada con funciones 2. Comunicación de soporte 3. Diagnóstico general 1. Las tareas del sistema pueden requerir una comunicación relacionada con las funciones, por ejemplo, si se conectan varios inversores de batería en paralelo o se operan en una red trifásica aislada, deberán comunicarse entre sí para intercambiar datos o respetar determinados parámetros eléctricos, como los desfases. No son necesarias más herramientas de comunicación. 2. La comunicación de soporte sirve para evaluar los datos con el fin de verificar y controlar el correcto funcionamiento de la instalación. Para ello suele ser suficiente la comunicación con el Sunny Island, ya que éste puede registrar al mismo tiempo los datos de las baterías, fuentes externas y cargas. Estos datos se pueden registrar y almacenar con la Sunny WebBox. Esto funciona mediante la conexión del registrador de datos con un bus RS485. En caso necesario, la Sunny WebBox envía los datos al Sunny Portal, lo que le permitirá acceder a los mismo mediante internet y desde cualquier lugar del mundo. 3. El diagnóstico general implica la comunicación con prácticamente todos los componentes del sistema. Se puede detectar cada equipo y registrar sus datos. Mediante un bus de comunicación (como RS485) es posible enlazar los equipos Sunny Island, Sunny Boy, Hydro Boy, Windy Boy y Smart Load con la Sunny WebBox. De este modo se puede realizar un análisis detallado de los datos. Todas las tareas de comunicación mencionadas anteriormente pueden realizarse también de forma local con un ordenador o portátil. Los programas de software se pueden descargar de forma gratuita. Fig. 5.1: Opciones de comunicación en la red aislada 27

28 SMA Solar Technology 5.1 Sunny WebBox: La central de comunicaciones La Sunny WebBox es el vínculo entre la instalación aislada y el operador de la instalación. Mediante su conexión directa con Sunny Portal por internet, este registrador de datos ofrece nuevas posibilidades para el registro, la evaluación y visualización individual de los datos en cualquier ordenador con un navegador de internet estándar. Desde RS232 hasta RS485, la Sunny WebBox admite todos los canales de comunicación existentes con los inversores de SMA. Los datos se pueden transmitir al usuario por medio del Sunny Portal y la instalación se puede configurar a través de la controladora ethernet integrada o de un teléfono móvil. Los datos de la instalación se guardan en la Sunny WebBox en una tarjeta de memoria extraíble. Estos datos se pueden transferir automáticamente al Sunny Portal por internet a intervalos de tiempo configurables. Resumen de características de la Sunny WebBox: Control continuo de la instalación Detección precoz de averías Registro de los rendimientos energéticos Diagnóstico y configuración de la instalación con cualquier tipo de ordenador (Windows, Linux, Mac OS) Preparación de datos y representación gráfica gratuitas en internet mediante el Sunny Portal Monitorización de hasta 50 inversores de varios tipos en cada instalación Almacenamiento de datos en tarjeta MMC/ SD extraíble sin prácticamente restricciones de tiempo Bajo consumo de energía 28

29 Suministro de electricidad en redes solares aisladas y de respaldo 5.2 Sunny Portal: almacenamiento y visualización de datos en internet Con el Sunny Portal de SMA (gratuito) los datos operativos actuales de un sistema aislado se pueden recuperar desde cualquier lugar del mundo. De este modo, el operador está informado en todo momento sobre el estado del suministro de energía. Al mismo tiempo, es posible realizar diagnósticos remotos fiables mediante una conexión segura a internet. Además de ofrecer la visualización de datos relativos al rendimiento y la potencia, el servicio web permite también el envío automático de informes de estado por correo electrónico. El Sunny Portal, totalmente preconfigurado, es adecuado no sólo para pequeñas redes aisladas, sino también para grandes sistemas de suministro de energía eléctrica. Los datos se almacenan de forma permanente. Algunas páginas del portal se pueden configurar de forma individual. Los valores de los diferentes inversores o de la instalación completa se pueden mostrar de manera resumida. Para ello están Resumen de características del Sunny Portal: Fácil monitorización remota desde cualquier lugar del mundo Representación de los datos de la instalación en forma de diagramas y tablas Archivo gratuito de los datos del sistema Envío de información del sistema por correo electrónico Creación de varias páginas web para visualizar los datos de la instalación Diseño personalizado de las páginas en formato HTML disponibles atractivas representaciones gráficas, como diagramas de barras, líneas o de dispersión. La transferencia de datos y la configuración de la instalación se realizan mediante una conexión ethernet o un teléfono con módem GSM. Durante este proceso, los datos se transfieren automáticamente en los intervalos de transferencia que se han definido. Fig. 5.2 Almacenamiento y visualización de datos en internet en el Sunny Portal 29

30 SMA Solar Technology 6. Diseño de sistemas aislados El diseño profesional del sistema, incluido el dimensionamiento del generador fotovoltaico y la batería, es esencial para la rentabilidad y fiabilidad operativa de un sistema aislado. No sólo debe tener en cuenta el perfil de consumo de energía, sino en especial las fluctuaciones en la disponibilidad cuando se utilizan fuentes de energía renovables. Por ejemplo, los siguientes programas de software de simulación pueden ayudar al diseñador de la instalación: HYBRID2, PV SOL y Homer. El diseño de un sistema es comparable con el trabajo de un arquitecto, que debe dibujar un plano de la casa antes de hacerla construir. El diseño implica básicamente adaptar una instalación a unas condiciones energéticas y geográficas específicas, así como al comportamiento de consumo energético del usuario de la instalación. Estas condiciones se ven afectadas principalmente por: El porcentaje de cobertura solar El período de autonomía El comportamiento energético El fabricante de componentes La ubicación geográfica Para una estimación inicial del tamaño de la instalación, los componentes y costes necesarios, se puede realizar un diseño preliminar que consta de cinco pasos. Este enfoque gradual a la realidad de un sistema híbrido sirve para evitar que el planificador se lleve desagradables sorpresas. 6.1 Indicaciones sobre el ejemplo de diseño Al tratarse de un diseño preliminar, deben tenerse en cuenta los siguientes puntos: 1. Los cinco puntos mencionados arriba comprenden sólo una estimación inicial. 2. Un diseño completo debería incluir muchos más detalles, por ejemplo: Fluctuaciones estacionales Dimensionamiento según el peor mes Condiciones de irradiación predominantes Otras especificaciones individuales 3. Si desea obtener ayuda de SMA para el diseño de la instalación, rellene el cuestionario con los detalles de su sistema Sunny Island. Esto servirá: Para aclarar los detalles técnicos Como ayuda posterior para el equipo de servicio técnico 30