Sistema Autónomo de Generación de Energía Renovable

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1 Sistema Autónomo de Generación de Energía Renovable J. Rocabert Delgado, S. Busquets Monge y J. Bordonau Farrerons. Dept. of Electronic Engineering Universitat Politècnica de Catalunya rocabert@eel.upc.edu, sergio.busquets@upc.edu, josep.bordonau@upc.edu. Resumen En el siguiente artículo se describe la instalación realizada en la ETSEIB, en Barcelona, de una fuente renovable híbrida (solar y eólica) de energía eléctrica aislada de la red eléctrica. También se presenta el laboratorio de energías renovables montado parte en la azotea de la Esc. Tec. Sup. De Ingeniería Industrial de Barcelona y parte en las instalaciones del GREP, en la misma escuela. El banco de pruebas consiste en un grupo fotovoltaico (de 2,65kW), un aerogenerador (de 750W), un banco de baterías (de 105Ah a 48V), la electrónica de conversión y control, y un sistema avanzado de monitorización. Palabras clave Sistema hibrido eólico-fotovoltaico, almacenamiento en bateria, sistemas autónomos de potencia y control de potencia. I. INTRODUIÓN La necesidad de un suministro eléctrico, para satisfacer la demanda de la sociedad actual, en emplazamientos alejados de la red de distribución eléctrica, ha fomentado el desarrollo de proyectos de generación aislada de energía eléctrica. Entre estos se encuentra el proyecto Sistema Autónomo de Generación de Energía Renovable, de ahora en adelante SAGER, que integra las dos fuentes de generación eléctrica renovable más utilizados en la actualidad: solar fotovoltaica y eólica. Se define un sistema híbrido, dentro del contexto que nos toca, como la combinación de energía solar fotovoltaica con otra, o más, fuentes de energía renovable, generador diesel u otras combinaciones. En el proyecto SAGER se utiliza un sistema que combina la energía solar fotovoltaica junto con energía eólica. Estas fuentes de energía nos permiten la generación de energía a coste cero y sin polución, excluyendo los costes de adquisición. Debido a la redundancia de fuentes energéticas (solar y eólica) se reduce la probabilidad de pérdida de energía y el nivel de carga de la batería. El sistema híbrido formado por fuentes de energía renovables viene a sustituir los sistemas híbridos formado por paneles solares fotovoltaicos junto con un generador eléctrico. Este cambio permite reducir drásticamente el nivel de polución por quilovatio generado. El proyecto SAGER nace de la colaboración de la empresa SAFT Power Systems Iberica y del grupo de investigación GREP, de la UPC, con el fin de disponer de un laboratorio de energías renovables, concretamente de sistemas híbridos, para evaluar y desarrollar técnicas de dimensionado y modelización del sistema. En la Figura 1 se Figura 1 Vista de la instalación híbrida SAGER en el tejado de la ETSEIB, en Barcelona. puede observar la vista de la instalación en la azotea de la escuela. El grupo de investigación GREP, junto a SAFT Power Systems Iberica, trabaja por dotar al mercado de un producto compacto para la integración de sistemas híbridos alimentando cargas situadas en emplazamientos remotos. Las aplicaciones de los sistemas híbridos para instalaciones aisladas de la red eléctrica consisten en: alimentación eléctrica de casas situadas en sitios remotos, para telecomunicaciones, etc [1]. II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El equipo actual se compone de una matriz de 4 por 4 (cuatro columnas en paralelo formadas cada una por cuatro paneles en serie) de paneles fotovoltaicos de silicio monocristalino I-165 de Isofotón, con una potencia total pico de 2,64 kw (bajo condiciones estándar de test) conectado a una banco de baterías mediante un regulador Figura 2. Diagrama de bloques de la instalación híbrida SAGER, con un bus de Carga 73

2 / de Xantrex, modelo C40, un aerogenerador de eje vertical de 750 W, modelo WRE.007, de Ropatec, conectado al banco de baterías mediante el convertidor / del mismo fabricante, un banco de baterías de Ni- Cd de 5040 Wh de capacidad de SPSI, un inversor / de Xantrex SW3040 y una carga electrónica programable. Se puede ver un esquema del sistema en la Figura 2. Tanto los paneles como el aerogenerador se encuentra en la azotea de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, mientras que el resto de componentes electrónicos se encuentran en las instalaciones del GREP, en la novena planta del mismo edificio. El sistema se complementa mediante un completo equipo de monitorización y adquisición de datos para posteriores análisis y evaluaciones de rendimientos. Para tal efecto se requieren de un total de dieciséis variables a monitorizar (entre tensiones, corrientes y temperaturas) y su posterior procesado para sacar conclusiones. En otras referencias [2] se puede hallar sistemas que se basan en otras topologías en función del tipo de bus utilizado: (como es en nuestro caso), o /. En nuestro caso utilizamos una configuración basada en un bus, como se muestra en la Figura 2. También se podría hallar otras configuraciones como las que se muestran en la Figura 3, para el caso del bus de, y en la Figura 4, para el caso de bus mixto. Uno de los criterios más importantes en el momento de la selección de la topología para la interconexión de los diferentes equipos consiste en conocer la aplicación a la cual va destinada el sistema. Para los casos en los que se requiera una interconexión con otros sistemas de generación eléctrica o se quiera formar una microrred con múltiples sistemas tipo SAGER, la elección del bus de será óptima. En estos sistemas se premia la posibilidad de interconexión y capacidad de flexibilidad que a la optimización del rendimiento. Por el contrario en casos en los que no se requiera montar una microrred y se desee alimentar una carga definida, la elección del bus de será la correcta; ya que se optimiza el dimensionado de los paneles, baterías y aerogenerador. Finalmente, el caso del bus / se utilizará cuando se disponga de fuentes de capaces de alimentar directamente a la carga de alterna. En estos sistemas se reduce la potencia a tratar por el inversor. Usualmente se emplea esta topología en el caso de utilizar como fuente auxiliar de un generador diesel. A. Matriz Fotovoltaica El grupo fotovoltaico se compone de cuatro ramas en paralelo formada cada una por cuatro paneles puestos en serie. El panel solar tiene una tensión nominal de 12 V y una potencia pico de 165 W (a 17,4 V y 9,48 A) con lo que en total equivale a una matriz fotovoltaica de 2,64 kwpico. Cada módulo está compuesto de 3 ramas en paralelo de 36 células conectadas en serie. La potencia que es capaz de generar el panel solar depende en primer término de la radiación recibida en la superficie del mismo panel, así como de la temperatura de trabajo. En el artículo [3] se detalla el estudio de las Bidireccional Carga Figura 3 Diagrama de bloques de un sistema híbrido con un bus de. Figura 4 Diagrama de bloques de un sistema híbrido con un bus de / Carga Figura 5 En el cuadro superior vemos la curva tensión-corriente del panel I-165 de Isofotón en condiciones estándar de test: un radiación de 1000W/m 2, 25ºC y densidad de aire (air mass) AM 1.5. En el cuadro inferior se muestra un evolución de esta curva en función de la temperatura de funcionamiento. 74

3 características de las células fotovoltaicas y del aerogenerador. En la Figura 5 se muestra la curva característica de tensión corriente del generador solar, en la parte inferior se muestra la dependencia de esta curva con la temperatura de trabajo del módulo. B. El sistema se complementa con un aerogenerador de eje vertical de una potencia pico de 750W montado encima de una estructura especialmente ideada para la repartición de esfuerzos con el fin de poder montar el aerogenerador en azoteas no ideadas para sobreesfuerzos no habituales. Gracias a que el aerogenerador es de eje vertical se minimizan los esfuerzos mecánicos y se aprovechan vientos provenientes de cualquier dirección, evitando elementos móviles con excepción de las aspas. El aerogenerador està compuesto por tres alas en posición vertical que aprovechan la fuerza del viento independientemente de la dirección que tenga. Otra característica muy importante consiste que no se requiere de mantenimiento de la turbina a lo largo de la vida útil. Esta característica es muy importante cuando el aerogenerador esté situado en sitios de difícil acceso. En la Figura 7 se muestra la curva potencia-velocidad del viento, en esta se observa que a partir de una velocidad del viento de 3m/s el generador eólico empieza a generar potencia, creciendo hasta los 14m/s. A partir de este punto la aerodinámica del generador autolimita la velocidad de giro de este, todo y que aumente la velocidad del viento. En este proyecto se aprovecharán los instrumentos de medida para verificar las características del funcionamiento del generador eólico así como otros parámetros del sistema: carga y descarga de la batería, factor de utilización y eficiencias entre otros. C. Banco de s En los sistemas solares fotovoltaicos aislados de la red eléctrica se utiliza un banco de baterías como almacén energético con el fin de sincronizar la disponibilidad con la demanda energética. Este elemento consiste en uno de los más importantes y delicados. Usualmente estas baterías son del tipo Pb-a, pero en el proyecto se propone trabajar con baterías de Ni-Cd. Todo y que estas tienen un coste de compra superior a las baterías convencionales de Pb-a, presentan una mejor respuesta a largo plazo ante cargas parciales, mayor capacidad de descarga sin tener una reducción de la vida útil, así como una mayor densidad energética. Este parámetro es muy importante en la reducción del coste de transporte de las baterías en lugares remotos. Las baterías consisten en uno de los elementos más delicados del sistema, ya que son los que más sufren en caso de un aumento, no especificado, de la demanda energética. En esta situación se produce una disminución no esperada de la energía almacenada en la batería llegando a valores de capacidad residual críticos para la vida de la batería. En nuestro caso se permite una descarga máxima hasta del 80%. Por parte de las baterías se quiere buscar que trabajen a Potencia (W) Velocidad del viento Figura 6 Curva de potencia de salida del aerogenerador en función (m/s) de la velocidad de entrada del viento altos rendimientos junto con altos niveles de carga, manteniendo siempre la temperatura bajo control. D. Electrónica de Potencia La electrónica de potencia es la clave para la interacción entre distintas fuentes de energía. Conociendo las restricciones de cada fuente de energía y conociendo las incompatibilidades existentes entre ellas, la electrónica de potencia tiene la misión de adaptar la energía entregada por las distintas etapas con el fin de asegurar el principal objetivo del sistema: alimentar a la carga [4]. En instalaciones de esta índole la electrónica de potencia tiene la misión de corregir la variabilidad de la disponibilidad de energía para ofrecer al usuario un suministro continuo, bajo unas especificaciones de diseño. El generador fotovoltaico produce energía en, mientras que el generador eólico en y la carga se alimenta en. La función del regulador de carga consiste en generar, a partir de la curva de potencia del panel fotovoltaico, un patrón de tensión y corriente óptimo para la carga de la batería. Es importante seleccionar el patrón adecuado al tipo de batería. Por ejemplo, la tensión de carga para las baterías de Ni-Cd es superior a la tensión de carga de las de Pb-a. La función del inversor consiste en realizar la conversión de a para la alimentación de la carga, con unas características de amplitud y frecuencia determinadas, en nuestro caso de 230 Vrms y 50Hz. Para la instalación de estos equipos en emplazamientos remotos es importante mejorar su fiabilidad y mejorar su respuesta ante determinados fallos. Por ejemplo es importante que en caso de fallo no requiera un reset manual y que en estos casos no se produzca un pérdida de la configuración de los distintos parámetros. E. Equipo de monitorización El sistema de monitorización se compone de distintos módulos destinados a la captura de las variables del sistema: tensiones y corrientes, así como variables de tipo ambiental: radiación solar, velocidad del viento y temperaturas. Estos están conectados entre ellos y se transmite la captura digital a un PC, mediante protocolo RS-232, actuando el PC como data logger. 75

4 III. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Existen diversos modos de actuación en función de la disponibilidad energética de las distintas fuentes y de la demanda de energía. Tanto los paneles fotovoltaicos como el aerogenerador van a actuar como fuentes de energía, mientras que la carga actúa como consumidor de energía. Las baterías actúan como fuente energética o como carga, en función del estado de carga de la batería y de la disponibilidad energética de entrada. En la Tabla 1 se resumen los distintos modos de trabajo en los que puede funcionar el sistema. Es importante hacer notar que usualmente la batería no actúa como complemento a una fuente de energía renovable, sólo como almacén temporal. Excepto en casos puntuales de picos de demanda, esto indicaría un mal dimensionado de las fuentes energéticas primarias (eólica y solar). Se forzaría un ciclado profundo y continuo de la batería acortando la vida útil de esta. El modo de trabajo del sistema vendrá impuesto por la inclinación de la balanza entre oferta (energía solar y eólica) y demanda (carga y energía requerida por la batería para llegar a un estado de carga del cien por cien) energética. Es necesario determinar una fuente energética como fuente principal. Esta es la que entrará en funcionamiento en el modo 1, y se elegirá en función de cuál tenga una mayor disponibilidad energética en el lugar de emplazamiento de la instalación. A. Modo 1 En el emplazamiento actual de los paneles se dispone de más energía solar que eólica, por este motivo se considera el generador fotovoltaico como principal. El primer modo de funcionamiento consiste cuando se genera suficiente energía provinente de los módulos fotovoltaicos para alimentar la carga y la batería está al cien por cien de la carga. En el caso en el que la batería no este al nivel de carga máximo se iniciará el proceso de carga. El sistema se mantiene en este modo hasta que la energía solicitada por la carga exceda del límite disponible por los paneles fotovoltaicos. Momento en que se pasaría al modo 2, activando el aerogenerador. B. Modo 2 El modo 2 entrará en funcionamiento cuando la potencia solicitada por la carga exceda la potencia que los paneles fotovoltaicos son capaces de generar. En el caso en que la batería no este a un nivel de carga máximo se iniciará el proceso de carga, pasando a formar parte de la carga. Como ya se ha comentado, en este modo se entra cuando el nivel de potencia exigida en la carga sobrepasa la potencia capaz de ser suministrada por los paneles fotovoltaicos. Este caso se puede producir por un aumento de la potencia en la carga o poruna disminución de la potencia entregado por los paneles fotovoltaicos (por ejemplo, por estar en la puesta de sol o por la noche). Cuando la carga exigida sobrepase a la potencia capaz de suministrar por la matriz fotovoltaica y el aerogenerador, la batería actuará como fuente de energía pasando al modo 3. PV Aero Flujo Global de Modo Energía FALLO PV -> R PV -> R + BAT PV +WIND-> R PV +WIND -> R + BAT WIND -> R WIND -> R+BAT PV + WIND + BAT -> R PV + BAT -> R WIND + BAT -> R BAT -> R Tabla 1 Modo de trabajo en los que puede funcionar el sistema híbrido. Se etiqueta con 1 cuando los paneles fotovoltaicos o el aerogenerador están entregando energía a la carga, en caso contrario se etiqueta con un 0. Cuando la batería transfiere energía a la carga se etiqueta con un 1, cuando está en proceso de carga con -1, y cuando está en estado de flotación con un 0. a) b) c) Carga Carga Carga Figura 8 Flujos de energía de los distintos modos de operación: a) Modo 1, b) Modo 2 y c) Modo 3. 76

5 C. Modo 3 En este modo, la carga exigida obliga al sistema a activar el banco de baterías como fuente de energía. Se entrará en este caso cuando se produzca una aumento de la energía requerida por la carga, y/o una disminución de la energía proveniente del sol y/o una disminución de la velocidad del viento. El tiempo en el que se puede estar de una forma continua en este modo estará definido por la capacidad de la batería, la carga y la disponibilidad energética de las fuentes renovables. Llegado un punto en el que el nivel de carga de la batería sea inferior a un nivel mínimo prefijado, se cortará el suministro eléctrico de la carga, y se continuaría con la carga de la batería para evitar daños en esta. No es usual que se entre en este modo de fallo del sistema. En el caso en que se dispusiera nuevamente de energía eólica se pasaría al modo 2, y en el caso en que aumentara el nivel de radiación se pasaría al modo 1. IV. DISEMINACIÓN Como ya se ha comentado anteriormente el objetivo de este proyecto consiste en la creación de un producto comercial para la alimentación en emplazamientos remotos, aislados de la red eléctrica. Muchas instalaciones similares se alimentan únicamente de paneles fotovoltaicos, pero cuando se requiera una fiabilidad de suministro mayor, y no se desee la instalación de un generador diesel, se puede instalar un aerogenerador, por ejemplo. Con el objetivo de divulgar el proyecto SAGER se ha creado una página web [5]. En ella destaca un sinóptico animado en el que se muestra la evolución del sistema por los diferentes estados de funcionamiento, fotos y videos de la instalación, gráficos en los que muestran los resultados de la monitorización, un enlace a la webcam instalada, así como un breve formulario para poder solicitar visitas en vivo a la instalación. Figura 9 Captura de la webcam instalada en la azotea de la Esc. Tec. Sup. de Ingeniería de Barcelona sistemas híbridos del GREP. Realizar un modelado del sistema para simular su funcionamiento en otros entornos. Así como verificar los resultados de simulación y experimentales con los resultados de otros programas de simulación existentes. Determinar un patrón de medidas y de figuras para el análisis de sistemas híbridos y su evaluación comercial. Finalmente, es importante no olvidar que el sistema SAGER se va a instalar en sitios remotos, donde los costes de reparación son relativamente altos debido a los traslados de personas y materiales, con lo que se priorizará la fiabilidad frente a la eficiencia. V. OBJETIVOS Y CONCLUSIONES En el artículo se presenta una plataforma de generación eléctrica a partir de fuentes de energía renovable híbrida, con la combinación de energía solar y eólica. Los sistemas híbridos son una buena solución para dotar de energía eléctrica renovable en emplazamientos aislados de la red eléctrica y con un desfasamiento temporal entre la energía disponible del sol y la energía disponible del viento. La suma de dos energías fluctuantes en el tiempo se convierte en una energía menos fluctuante, y de esta forma se reduce el tamaño de la batería en comparación con un sistema que sólo utilice una forma de energía. Entre los análisis y estudios a realizar en el proyecto se encuentran los siguientes puntos: Determinar los puntos en los que se produce una mayor pérdida energética y hallar procesos óptimos para minimizarlas, son algunos de los objetivos del conjunto de ensayos previstos de AGRADECIMIENTOS Este laboratorio ha sido posible gracias a la aportación de material dirigida por SAFT Power Systems Iberica y realizada por la propia SAFT Power Systems Iberica (baterías, estructura de soporte del aerogenerador y mano de obra), ISOFOTÓN (paneles fotovoltaicos), ROPATEC (aerogenerador y electrónica asociada) y XANTREX (electrónica de potencia). BIBLIOGRAFÍA [1] D. L. King, T. D. Hund, W. E. Boyson, and J. A. Kratochvil, "Experimental optimization of the performance and reliability of stand-alone photovoltaic systems," presented at Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twenty- Ninth IEEE, [2] M. Ross, "Bus Configurations in Hybrid Systems," in Hybridinfo, vol. 2004, 2004, pp. 1. [3] S. J. Park, B. B. Kang, J. P. Yoon, I. S. Cha, and J. Y. Lim, "A study on the stand-alone operating or photovoltaic/wind power hybrid 77

6 generation system," presented at Power Electronics Specialists Conference, PESC IEEE 35th Annual, [4] F. Blaabjerg, Z. Chen, and S. B. Kjaer, "Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systems," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 19, pp , [5]