Modelado y Simulación de un Sistema Conjunto de Energía Solar y Eólica para Analizar su Dependencia de la Red Eléctrica

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1 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 Modeldo y Simulción de un Sistem Conjunto de Energí Solr y Eólic pr Anlizr su Dependenci de l Red Eléctric M. Mikti, M. Sntos b*, C. Arment c Epsilon Embedded Systems, Lindholmspiren 9, 7, Gotemburgo, Sueci. b Dpto. Arquitectur de Computdores y Automátic, Universidd Complutense de Mdrid, C/ Profesor Grcí Sntesmses, s/n,, Mdrid, Espñ. c Dpto. Físic Atómic, Moleculr, y Nucler, Universidd Complutense de Mdrid, Ciudd Universitri, s/n,, Mdrid, Espñ. Resumen En este rtículo se present un estudio de l trnsferenci de energí entre sistems híbridos de energí renovble y l red eléctric, pr cubrir cierts demnds de potenci. Se nliz con detlle el sistem de suministro pr dos modelos de demnd, un viviend y un pequeñ industri o comercio, utilizndo sistems renovbles de pequeñ escl situdos cerc del usurio, con conexión l red eléctric. Se hn modelizdo y simuldo cd uno de los sistems: tnto los recursos nturles solr y eólico, como el sistem fotovoltico y el erogenerdor de pequeñ escl, sí como ls demnds, incluyendo en todos ellos efectos no considerdos en l litertur. Es decir, se h desrrolldo un pltform de simulción con todos los elementos, que permite nlizr el mejor provechmiento de los recursos y l dependenci de l red eléctric pr distints configurciones, en función de l relción entre ls demnds y los recursos renovbles. Tmbién permite nlizr el dimensionmiento de los recursos. El criterio utilizdo pr l evlución es l trnsferenci de energí con l red y l contribución de l red eléctric l demnd (compr-vent), con los correspondientes gstos y pérdids socidos. Copyright CEA. Publicdo por Elsevier Espñ, S.L. Todos los derechos reservdos. Plbrs Clve: Modeldo, simulción, energís renovbles, recurso solr, recurso eólico, módulo fotovoltico, erogenerdor de pequeñ escl, sistems híbridos, red eléctric. Introducción L disponibilidd de l energí eléctric y térmic es fundmentl pr culquier pís. Históricmente, los combustibles fósiles como petróleo, crbono y gs nturl hn domindo el mercdo de energí y todví en el ño 9 contribuyeron con un % l demnd energétic mundil (IEA, ). Sin embrgo, el uso de estos combustibles present un serie de complicciones. Por un ldo, l reproducción de los combustibles fósiles no tiene lugr un velocidd significtiv y, en consecuenci, pueden ser considerdos como recursos finitos, con l repercusión que eso conllev en el precio y el posible peligro de gotmiento de ls reservs. Además, el impcto mbientl derivdo del uso de los combustibles fósiles, tnto escl locl como globl, y no es posible no considerrlo como un fctor importnte en un contexto de sostenibilidd. Fctores como éstos hn contribuido l rápido crecimiento de ls energís renovbles en ls últims décds (Twidell nd Weir, ; IEA, ; REN, 9), que precen como un solución importnte pr el futuro. Ls energís renovbles ofrecen l posibilidd de generr electricidd y clor prácticmente sin emisiones, bjos precios de operción y de mner sostenible. Junto con esto, cd pís tiene un lógico interés en provechr sus recursos renovbles locles. Ejemplos son Norueg y Brsil que, debido su topogrfí fvorble, suministrron respectivmente el 9 y el % de l demnd doméstic de electricidd con energí hidráulic en el ño 9 (IEA, ). Espñ h evoluciondo como uno de los píses líderes en ls áres de energí solr y eólic. De momento es uno de los primeros píses en el mundo en cunto instlciones de módulos fotovolticos y erogenerdores sí como en l generción eléctric con los mismos (REN, ). En el ño se probó l nuev norm de construcción CTE (Código Técnico de Edificción) por l que se requiere, entre otrs coss, que en tods ls construcciones nuevs y reformds, entre el y el 7% del gu cliente esté clentdo con energí solr térmic (ETAP, ). Además Espñ se convirtió en el primer pís en el mundo en exigir instlciones de módulos fotovolticos l * Autor en correspondenci. Correos electrónicos: monir.mikti@epsilon.nu (M. Mikti), msntos@fdi.ucm.es (M. Sntos), crdeu@fis.ucm.es (C. Arment) CEA. Publicdo por Elsevier Espñ, S.L. Todos los derechos reservdos

2 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 construir nuevos edificios pr centros comerciles, industris, hoteles y edificios institucionles. Según el informe de l Red Eléctric Espñol, l generción de potenci fotovoltic contribuyó en un % l demnd espñol de electricidd en el ño. En ese ño, Espñ tení un contribución eólic del % l demnd nul, según el mismo informe (REE, ) Ls energís renovbles tienen numeross ventjs, pero tmbién presentn ciertos desfíos importntes l sistem de suministro. Un de ls crcterístics más exigentes es l vribilidd incontrolble de l fuente. No es posible grntizr ls condiciones mbientles con nticipción y, en consecuenci, tmpoco el suministro. Este problem se puede solventr lmcenndo energí durnte épocs de generción de potenci excesiv y utilizándol cundo l generción de potenci es moderd. Tmbién se pueden usr múltiples fuentes renovbles de mner que l intensidd de ls fuentes esté desfsd en el tiempo. Es muy común que los sistems de suministro de energís renovbles tengn lgún porte uxilir, como un generdor eléctrico de diesel o un conexión l red eléctric. Si y existe l conexión, l red eléctric suele ser l fuente uxilir más económic. En este cso no hce flt el lmcenmiento, sino que el sistem de suministro renovble interccion con l red siempre y cundo l demnd no se igul l suministro renovble (Msters, ). En l figur se muestr un esquem de generción y distribución de l energí medinte l red eléctric (Msters, ). Ls pérdids en l trnsmisión por disipción de potenci, veces muy elevds, se pueden reducir medinte el umento del voltje pr lrgs distncis; posteriormente este voltje se reduce vlores decudos pr el usurio. Sin embrgo, ls pérdids ocsionds durnte l distribución por ests conversiones pueden estr entre el y el % en redes rurles, y pr redes urbns en torno l %. Generción Trnsformdor - k k elevdor Trnsmisión T ión -7 k k Trnsformdor Sub- Subestción Alimentdores Cliente reductor tor trnsmisión ión eléctric.- k k de de distribución - k k.-. k k Figur. Esquem de l cden de distribución de l energí en l red convencionl. Un mner de reducir ls pérdids del sistem de distribución es colocr generdores de pequeñ escl cerc l demnd. Ls distncis corts reducen ls pérdids por trnsmisión y ls trnsformciones se reducen cundo el voltje de l potenci generd es un vlor cercno lo necesitdo por el usurio. Aunque est polític empiez ser hbitul en lgunos píses, l instlción de recursos de pequeñ escl se está extendiendo sin un estudio serio de su eficienci y vibilidd, debido en grn prte que no se cuent con modelos que permitn hcer nálisis y predicciones sobre su utilidd rel. Por todo lo expuesto, en este trbjo se h considerdo interesnte nlizr el sistem de suministro pr dos modelos de demnd, un viviend y un pequeñ industri o comercio, utilizndo sistems eléctricos renovbles de pequeñ escl situdos cerc del usurio, con conexión l red eléctric. Con ello se h conseguido desrrollr un pltform de simulción que permite nlizr distints configurciones tnto de demnd de potenci como de generdores de energí renovble y obtener conclusiones sobre el consumo eléctrico lo que permite predecir el coste económico y el posible horro energético. El modelo está desrrolldo en Mtlb/Simulink, un herrmient muy extendid en el ámbito cdémico e industril, lo que fcilit el hondr en este tem que en l ctulidd despiert un grn interés, tnto desde el punto de vist económico como de medio mbiente. Pr ello se hn modelizdo y simuldo cd uno de los sistems utilizdos, tnto el recurso solr y el eólico, como el sistem fotovoltico y el erogenerdor, sí como ls demnds. Es decir, todos los elementos que intervienen en este escenrio, obteniendo dtos que permiten nlizr el mejor provechmiento de los recursos. En los modelos de los recursos de energí renovble se hn incorpordo un serie de especificciones y perturbciones letoris que los hcen más cercnos l relidd, y que no están contempldos en otros estudios. Tmpoco se recoge en l litertur modelos donde se presente l conexión entre ls fuentes de los recursos renovbles y los sistems generdores de ests energís. Por último, y en bse este modelo, se estudi l contribución de los recursos renovbles l demnd de potenci de dos sistems frecuentes en el escenrio del consumo eléctrico como son un viviend y un pequeñ industri o comercio, lo que permite decidir ls crcterístics de los generdores de energís renovbles que serí más conveniente instlr pr cubrir ess necesiddes. Tmbién se investig dependenci de trnsferenci de potenci entre los sistems de suministro y l red eléctric según los modelos de los recursos renovbles y l demnd de potenci. No se hn considerdo sistems de lmcenmiento de l energí, que quedn fuer de este trbjo. El rtículo se orgniz de l siguiente mner. En l sección se present el escenrio que se v nlizr y los modelos de los recursos nturles, tnto el solr como el eólico. Ls secciones y trtn, respectivmente, de l modelizción del pnel fotovoltico y de un erogenerdor de pequeño tmño. En l sección se present el modelo finl del sistem completo, sí como los resultdos de ls simulciones pr distints situciones. En l últim sección se resumen ls conclusiones correspondientes l nálisis relizdo.. Escenrio Se consider un pisje urbno con generdores de energí de pequeñ escl y cierts demnds. Cd foco de demnd está limentdo por un conjunto de generdores que conformn un subsistem, y demás está conectdo l red eléctric. Se vn nlizr dos tipos de demnds de energí, subsistems S, viviend, y S, pequeñ industri o comercio. Est configurción se puede extender otros tipos de demnds con distintos requerimientos energéticos, o sistems conectdos con otrs configurciones. Cd subsistem generdor de energí está formdo por un conjunto de módulos fotovolticos (mtriz F) y un erogenerdor de pequeño tmño. Ls flechs en l figur indicn l posible dirección de trnsferenci de l energí. Pr el propietrio del subsistem hy vris mners de trtr l prte económic de l conexión l red. En este estudio se consider que l energí se vende y se compr l red eléctric.

3 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 9 S S Controldor Controldor iviend Red eléctric Pequeñ industri / tiend Red eléctric Figur. Esquem del sistem energético de los focos de demnd. Los modelos desrrolldos en Mtlb/Simulink son los siguientes: Progrm di-solr (Mtlb): simul el recurso solr. Progrm di-viento (Mtlb): simul el recurso eólico. Modelo del modulo fotovoltico (Simulink). Modelo del erogenerdor de pequeñ escl (Simulink). Modelo del sistem completo en Simulink, es decir l conexión de los progrms y modelos nteriores según l figur... Modelo del Recurso Solr En generl, tnto pr este modelo como pr el del viento, es importnte considerr ls perturbciones debids fctores mbientles como nubes, turbulencis, efectos térmicos locles y obstáculos, entre otros. Debido esto, los progrms pr l generción de estos recursos tienen elementos tnto determinists como letorios. Los ptrones generles del recurso solr están bien estblecidos medinte relciones stronómics y geométrics. Es reltivmente fácil estimr l rdición solr incidente en un colector en un dí despejdo. L irrdinci solr que lleg l tierr tiene dos contribuciones: l direct G b [W/m ], y l difus G d [W/m ]. L primer represent l rdición que vij desde el sol l superficie colector en l Tierr en líne rect. L segund no tiene dirección determind debido los procesos de scttering y normlmente tiene menor clidd en l conversión de l energí solr. Por lo tnto, l rdición globl, o totl, recibid en un colector terrestre se expres como: G g G G () b d L irrdinci se define como rdición totl recibid por m. Además de ls condiciones tmosférics, l energí recibid depende de l ltitud del sitio y l orientción del colector. El efecto de estos fctores se expres medinte el ángulo de incidenci, definido como el ángulo entre l rdición direct y l norml del plno del colector pr culquier orientción y hor (Sen, ). Se h desrrolldo un progrm que simul un dí solr representtivo de cd mes respecto l intensidd de l irrdinci y l número de hors de sol. Existen vrios modelos pr estimr l rdición solr en dís despejdos (Duffie nd Beckmn, 99), los cules utilizn ls relciones geométrics entre el sol y un colector en Tierr, sí como un modelo semiempírico, pr estimr l rdición incidente en un plno con un orientción culquier. Se h trbjdo con l rdición extrterrestre y ls relciones empírics pr estimr l rdición direct y difus pr sitios con un tmosfer estándr de Km de visibilidd y pr un ltur menor que. Km. Se define el coeficiente de trnsmisión de l rdición direct, b, como l rzón entre l irrdinci direct terrestre (G b ) y l irrdinci extrterrestre (G o ): Gb k b exp () Go cos z donde G o se obtiene prtir del ángulo cenitl, z, ángulo entre l norml del plno horizontl y l rdición direct. Los tres prámetros,,, k, representn ls condiciones tmosférics y se clculn prtir de ls siguientes ecuciones: r () r () k r k k ().7. A ()...9. A (7) k.7. A () siendo A [Km] l ltitud del lugr, y r, r y r k ls constntes que crcterizn ls diferentes zons climátics. Los prámetros r, r y r k están definidos pr cutro diferentes tipos de clims: trópico, ltitud medi verno, sub-ntártico, y ltitud medi invierno. En l Tbl se pueden ver estos prámetros pr cd tipo de clim (Duffie nd Beckmn, 99). L componente difus de l rdición se relcion con el coeficiente de trnsmisión de rdición direct medinte (9): G (9) d d.7. 9 b Go Tbl. Prámetros correspondientes l modelo de dís despejdos según el tipo de clim. r r rk

4 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. 7 M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 En el progrm dí-solr se clcul primero l irrdinci extrterrestre en el plno inclindo con un tiempo de muestreo de minutos. Luego se plic el modelo de dí despejdo pr estimr ls irrdincis direct, difus y globl pr los dís crcterísticos del ño. El dí crcterístico se h definido como el dí más cercno l declinción promedio de cd mes, entendiendo por l declinción l posición ngulr del sol respecto l plno del ecudor l medio dí solr. Esto nos permite simulr l irrdinci de un dí despejdo. Sin embrgo, hy que tener en cuent que el recurso solr ctú de mner bstnte imprevisible, y en un situción rel sbemos que l myorí de los sitios no tienen siempre cielos despejdos. L myorí de los modelos que se encuentrn en l litertur no contempln est posible vribilidd. Est es l rzón por l que se hn incluido en nuestr implementción elementos letorios de distorsión del recurso solr. En l figur se muestr dtos reles de dos dís de irrdinci (CNA, Mérid, México, ). Se observ en l figur que el de myo fue un dí bstnte despejdo pero en el de myo hubo myor tenución de l irrdinci. Entre ls 7: y 7: hy tenución por nubosidd liger y l finl del dí precen nubes más grndes que reducen l irrdinci un nivel muy bjo (pero distinto de cero). Lo que se h implementdo en nuestro progrm de simulción de un dí solr es un dí despejdo con posible tenución de l irrdinci por nubosidd liger y/o myor. Este modelo se just bstnte l relidd, como hemos podido verificr. GT GT (W/m) (W/m) Dos dis de dtos reles ( y de myo del, Celestún, México) de myo de myo de myo de myo : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Hor estándr Hor estándr Figur. Dos dís ( y de myo del ) de dtos reles de irrdinci medid en el plno horizontl en Celestún, México. El usurio tiene l posibilidd de definir uno de los cutro siguientes tipos de dís:. completmente despejdo. prcilmente despejdo: un dí con poc nubosidd que lter l rdición direct durnte periodos de tiempo cortos. prcilmente nubldo: un dí con lt nubosidd que cort tod l rdición direct durnte unos intervlos más lrgos del dí.. completmente nubldo: un dí sin rdición direct. En el cso no hy reducción de l rdición globl y es igul que en el modelo de dís despejdos. En el cso se ñde un función que seleccion un número letorio según un distribución uniforme en un intervlo definido pr cd dto del dí solr. El mínimo del intervlo está determindo medinte un fctor de nubosidd, f n, pr cd mes del ño, f n. Si f n =, no hy tenución de l rdición direct; si f n =, hy posibilidd de que tod l rdición direct esté elimind. El máximo del intervlo está determindo por l rdición direct en cd punto del dí. En el cso existe tenución de l rdición direct como en el cso pero, demás, se hn ñdido tres funciones que seleccionn letorimente dos posiciones distints del vector de dtos del dí. Entre los dos puntos de cd intervlo se elimin completmente l rdición direct. El rngo de los tres intervlos está distribuido simétricmente lo lrgo del dí. Además el rngo del intervlo solp el rngo del intervlo vecino en un posición. Así en el cso, demás de l tenución debid nubes pequeñs, hy ciert posibilidd de que hst tres nubes grndes cubrn tod l rdición direct durnte periodos más lrgos del dí. Finlmente, en el cso sólo está presente l rdición difus. Se h considerdo que solmente l rdición direct está fectd por l nubosidd. Aunque tmbién l rdición difus podrí verse influid, se supone que est vrición fectrí muy poco l suministro de los sistems fotovolticos por lo que no se tiene en cuent en el modelo. En resumen, pr generr un dí crcterístico de irrdinci de cd mes el usurio define: l ltitud, l inclinción del plno y el ángulo zimut. l ltitud y los prámetros tmosféricos relciondos con el modelo de los dís despejdos. el tipo de dí (,, ó ) y el fctor de nubosidd de cd mes... Resultdos de simulción del dí solr Como ejemplo de funcionmiento del progrm de simulción de un dí solr rel, se muestrn los resultdos obtenidos con los siguientes prámetros: Ltitud = sur Inclinción del plno = ltitud Ángulo zimut = Altitud = m, r =.97, r =.99, r k =. fctor de nubosidd, f n, prs los meses mrzo, bril, myo, junio es, respectivmente,.7,.,.,.,., y.. En l figur se present un dí solr crcterístico del mes de mrzo. L líne negr represent l irrdinci del dí despejdo, l líne zul es l irrdinci del dí según l selección del tipo de dí, y l líne roj muestr l rdición difus. En este ejemplo se h selecciondo dí tipo (prcilmente despejdo). GT GT (W/m) Mrso Difus Difus Globl Globl perturbdo perturbdo Globl Globl dí dí despejdo despejdo : : : : : : : : : : : : Hor Hor solr solr Figur. Ejemplo de dí crcterístico de insolción del mes de mrzo, tipo (prcilmente despejdo). En l figur se h muestr un dí solr de junio pr dí tipo (prcilmente nubldo). Ahor se puede ver que, demás de un l nubosidd liger, se hn generdo uns nubes grndes que eliminn tod l rdición direct durnte unos intervlos del dí. GT (W/m) Difus Globl perturbdo Globl dí despejdo : : : : : : Figur. Ejemplo de dí crcterístico de insolción del mes de junio, tipo (prcilmente nubldo). Además estrín los dís tipo (completmente despejdo), donde l irrdinci nunc está tenud y sigue ls curvs negrs Junio

5 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 7 de ls figurs nteriores. L líne roj representrí el dí tipo (completmente nubldo). Debido los diferentes fctores de nubosidd, l tenución de l rdición direct tiene un comportmiento diferente pr cd mes. Cunto menor es el fctor de nubosidd, l irrdinci típic del dí se cerc más l irrdinci del dí despejdo. Se h comprobdo en l simulción, como cbrí esperr, que el número de hors de sol y l irrdinci máxim ument cundo se cerc el verno pr el plno horizontl. Pr el plno inclindo, el máximo de l intensidd no siempre ocurre en el verno, sino depende en l orientción del colector... Modelo del viento Un de ls crcterístics principles del viento es su grn vribilidd. Sin embrgo, se pueden descubrir lguns tendencis lrgo plzo en función de l situción geográfic, ltitud y topogrfí (Burton et l., ) En ls mediciones de viento, normlmente sólo interes l prte horizontl. Su velocidd se puede medir medinte un nemómetro de czolets. L potenci del viento por unidd de áre en función de l velocidd está descrit por (): () P A v siendo P[W] l potenci que trvies el áre A[m ], [kg/m ] l densidd del ire, y v[m/s] l velocidd del viento. De () se deduce que los cmbios en l velocidd del viento fectn mucho l sistem de suministro eléctrico. El ño proporcion un intervlo de tiempo nturl cundo l insolción durnte ese periodo es cíclic. L vrición diri del viento viene dd en función de l insolción y de los efectos térmicos del lugr. Ls fluctuciones del viento un escl de tiempo menor que minutos se considern turbulencis. El origen de ls turbulencis se encuentr en ls rugosiddes de l superficie y los efectos térmicos. Muchs veces ests dos cuss ctún l mismo tiempo. L nturlez cótic de l turbulenci hce muy difícil predecirls o describirls mtemáticmente. L ide del progrm dí-viento es precid l del progrm que gener el recurso solr. Se quiere estblecer un dí representtivo de cd mes pr l velocidd del viento con dtos cd minutos. Como no hy un desrrollo mtemático espcil y temporl como en el cso del recurso solr, se h utilizdo el método descrito continución que constituye un propuest novedos. Se puede considerr que el viento tiene un velocidd medi, vrindo en el plzo de un vris hors con los efectos de ls turbulencis superpuestos (Burton et l., ). Bsándose en esto, el dí h sido dividido en seis trmos lineles. El punto inicil de cd trmo es el punto finl del nterior. El usurio define el punto inicil del primer trmo y ls pendientes de cd uno. Aunque ests pendientes de los trmos son igules pr todos los dís crcterísticos del ño, l velocidd inicil está definid por mes. Los efectos de ls turbulencis se simuln medinte un función que modific el vlor de cd punto según un distribución norml. El usurio define l desvición estándr que fectrá cd dto del viento del dí, y este prámetro es igul pr todos los meses. El recurso eólico generdo con el progrm se h comprdo con ls bses de dtos de Celestún (México), de Ambewel (Sri Lnk) y de Mdrid (Espñ) pr vris lturs. En los dos primeros csos el tiempo de muestreo fue minutos y en el último minutos. Al comprr los dís de viento generdos por el progrm con los dtos reles se observó que, prte de fluctuciones pequeñs debido ls turbulencis, tmbién precen fluctuciones intenss y corts. Pr tener esto en cuent, se incorporó l modelo l posibilidd de generr máximos y mínimos muy distintos del perfil originl. El progrm gener un número de máximos/mínimos en posiciones letoris durnte el dí; que l fluctución se un máximo o un mínimo es letorio L intensidd de l fluctución está determind por un prámetro llmdo fctor de picos. Un vlor igul signific que l velocidd del viento en este punto se duplic. L fluctución incluye dos puntos consecutivos, es decir, minutos, porque en los dtos reles observdos ls fluctuciones grndes de este tipo durn por lo menos ese tiempo. Finlmente, cd trmo se le sign un vrición letori según un distribución norml, pr proporcionr l opción de generr diferentes perfiles del dí pr los dís crcterísticos del ño. Pr cd trmo, l pendiente viene dd por el vlor medio de l distribución norml y el usurio define l desvición estándr. Además se contempl l posibilidd de generr un perfil distinto cd vez que se ejecut el progrm, modificndo l desvición estándr de los trmos... Resultdos de l simulción del recurso nturl eólico Pr generr y simulr dís de viento en el progrm desrrolldo, se hn introducido los siguientes dtos: elocidd inicil del viento del dí de cd mes: enero, febrero, mrzo =.,., 7. m/s respectivmente. Ls pendientes de los seis trmos: k, k, k, k, k, k = -., -.,.,., -.,. m, respectivmente. L desvición estándr de cd trmo, - =. m/s Fctor de picos =. y numero de picos = Fctor de turbulenci (l desvición estándr de cd dto) =. En l figur se muestrn los dís crcterísticos de los meses de enero, febrero y mrzo. Se observ que hy un ptrón generl del perfil con un máximo lrededor del medio dí. Sin embrgo, tmbién se ve que hy muchs diferencis en los perfiles, por ejemplo, después de ls : hors, entre unos meses y otros. L turbulenci está presente en form de pequeñs fluctuciones, perturbndo el perfil generl. Ls fluctuciones grndes tmbién son fáciles de observr cundo se lejn mucho del perfil. El número de fluctuciones grndes se fijó ocho. En ls figurs no se distinguen ocho picos clrmente debido dos cuss: primero, el prámetro fctor de picos no es muy grnde y su efecto puede confundirse con el provocdo por ls turbulencis. Segundo, ls turbulencis tmbién ctún sobre ls fluctuciones grndes y puede hcer bjr (o subir) los máximos y mínimos. Si el progrm se ejecutr de nuevo sldrín unos dís precidos pero no igules. En l figur 7 se present un comprción entre dtos reles de medid de viento (líne roj) y un dí simuldo con el progrm dí-viento (líne zul). Los dtos simuldos están intenciondmente elevdos con un off-set por encim de los

6 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. 7 M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 dtos reles pr permitir comprrlos mejor. Se muestrn en es figur los de Ambewel, Sri Lnk, m, el de febrero. v (m/s) v (m/s) v (m/s) Enero : : : : : : Febrero : : : : : : Mrzo : : : : : : Figur. Simulción del viento de tres dís crcterísticos de tres meses distintos. elocidd del viento (m/s) elocidd del viento (m/s) 7 7 : : : : : : : : : : : : Figur 7. Dí de viento simuldo (líne zul) y dtos reles (líne roj). Se h comprobdo que es posible generr dís de viento bstnte complejos y precidos los reles, unque hy ciertos spectos de l simulción que quizás se podrín mejorr umentndo el número de trmos. No obstnte, el método utilizdo h ddo buenos resultdos pr el objetivo del trbjo, y se h preferido no complicrlo más.. Modelo del Módulo Fotovoltico L energí solr es un áre que h experimentdo un fuerte crecimiento, tnto en investigción como en instlciones. Los sistems fotovolticos están bjndo de precio y umentndo su rendimiento (Twidell nd Weir, ). Tmbién se está relizdo un considerble esfuerzo por prte de muchos grupos de investigción con el objeto de mejorr l eficienci de ls plnts termosolres (Rubio et l., ). L máxim irrdinci terrestre está por debjo de W/m y un módulo fotovoltico en operción tiene un eficienci lrededor del %. Es decir, l potenci generd por el módulo es del orden de W/m como máximo. Esto supone un densidd de potenci reltivmente pequeñ lo que, junto con el precio de l instlción, son sus principles desventjs. Pero, por otro ldo, est tecnologí tiene grndes ventjs. En primer lugr, l máxim generción de potenci coincide en muchos csos con l demndd por l ctividd humn durnte el dí. Además, es un tecnologí fácilmente integrble en l sociedd debido que su impcto visul es muy reducido, l usenci de ruido y ls pocs necesiddes de mntenimiento. Incluso unque el coste reltivo es grnde (precio/w instld), el precio de l instlción está dentro de un orden de mgnitud rzonble pr que un person individul pued considerr es inversión. En este trbjo se h desrrolldo un modelo generl de un módulo fotovoltico pr l generción de potenci eléctric prtir de l insolción. L ide es bsr el modelo en prámetros fácilmente obtenibles de los dtos de los fbricntes. El desrrollo del modelo sigue el método descrito por (Tsi, Tu, y Su, ) y (Hnsen et l., ). El comportmiento del módulo fotovoltico se present medinte curvs de corriente-voltje (I-) y potencivoltje (P-), y se h vliddo comprndo ls del modelo con ls especificciones reles de vrios fbricntes. L célul fotovoltic convierte l energí solr en electricidd medinte el uso de semiconductores dopdos. Existe un grn cntidd de litertur sobre cómo describir l célul o celd solr. Al ctur como un generdor de corriente continu, se puede representr medinte su correspondiente circuito equivlente (Luque y Hedegus, ). El circuito equivlente de un módulo fotovoltico genérico consiste en un número de celds en prlelo y en serie. Un conexión en prlelo ument l generción de corriente y un conexión en serie ument el voltje. Aunque existe un vriedd de posibiliddes, lo más común es conectr ls celds únicmente en serie, con lo que se ument el voltje ñdiendo céluls pr lcnzr l potenci necesri. Un elemento que define el rendimiento de un célul solr, y por lo tnto del módulo fotovoltico, es el fctor de idelidd, A, que fect l form de ls curvs I- y P-. Cunto myor es A, más se lej de l form idel y se reduce l generción de potenci (Tsi, Tu, y Su, ). En régimen de operción tmbién influyen otros fctores como l suciedd y l degrdción de los contctos. En condiciones estándr en los lbortorios se hn conseguido rendimientos de lrededor del % pr un célul de silicio mono-cristlino y del % pr silicio poli-cristlino (Green et l., ). En el modelo en Simulink que implement ls ecuciones por l que se rige el funcionmiento del módulo solr (Figur ) se h desrrolldo tmbién un interfce gráfico, de form que el usurio pued introducir los dtos de fbricción: número de céluls, en serie y/o prlelo, voltje en circuito bierto, corriente de cortocircuito, fctor de idelidd, tempertur, etc. Ls entrds l modelo son el voltje de operción, l irrdición y l tempertur de l célul; ls slids son l corriente y l potenci. Se h comprobdo que ls curvs I- y P- generds por el modelo pr un célul o pr uno o vrios módulos fotovolticos se decun los dtos del fbricnte. Por ejemplo, en l figur 9 se simuln ls curvs obtenids por nuestro modelo pr el módulo fotovoltico Kyocer KCGT, que tiene un cpcidd nominl de W. Los dtos proporciondos por los fbricntes se usron como prámetros de configurción en el modelo. En l figur 9.) se muestr l dependenci con l tempertur de l célul. Como er de esperr, el voltje del circuito bierto disminuye cundo ument l tempertur, y l corriente de cortocircuito sube ligermente. L figur 9.b) represent l dependenci con l irrdinci. Se observ que menor irrdinci se reduce l corriente de cortocircuito rdiclmente y el voltje de circuito bierto ument ligermente.

7 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 7 oltje entrd oltje entrd Producto Producto Potenci Potenci slid slid G Irrdinci G Irrdinci entrd entrd Np Np Número de céluls en prlelo Número de céluls en prlelo Tc Tempertur célul Tc Tempertur entrd célul entrd -K- -K - Coeficiente de tempertur de C l oeficiente corriente de de tempertur cortocircuito de l corriente de cortocircuito Tref Tref Tempertur de Tempertur referenci de referenci Isc Isc de cortocircuito C orriente de cortocircuito -K- -K - Coeficiente de tempertur del C oeficiente voltje de de circuito tempertur bierto del voltje de circuito bierto Ns Ns Ns Ns Número de céluls en serie Número de céluls en serie oc oc A A A oltge de circuito bierto A oltge de circuito bierto Fctor de idelidd Fctor de idelidd Producto Producto Ns Ns f(u) f(u) IRS IR S inv. st. C orriente inv. st. Tref Tref Tempertur de Tempertur referenci de referenci f otogenerd,iph C orriente fotogenerd,iph A A Rs Rs Resistenci serie Resistenci serie f(u) f(u) Is Is de sturción de sturción Is Is Tc Tc f(u) f(u) Solve z Solve f(z) z f(z) = f(z) f(z) = Algebric Constrint Algebric C onstrint slid slid Figur. Implementción del módulo solr en Simulink. Curvs I- generdo con el modelo en Simulink Curvs I- generdos con el modelo en Simulink W/m W/m W/m W/m (A) Tc= C Tc= C Tc=7 C (A) (A) W/m W/m W/m W/m W/m W/m oltje () Figur 9.). Curvs I- pr un módulo solr KCGT, simulds con el modelo en Simulink pr diferentes temperturs de l célul. L myor diferenci encontrd entre el modelo y los dtos del fbricnte está en l pendiente de l corriente de cortocircuito pr cíds de voltjes lts. L curv rel de l corriente del KCGT tiene ligermente myor pendiente. Es posible que l diferenci se deb l simplificción del modelo y que en éste se sobreestime ligermente l generción de potenci. En los otros módulos fotovolticos que se hn simuldo no se observ est diferenci. oltje oltje () () Figur 9.b). Curvs I- de un módulo solr KCGT, simulds con el modelo en Simulink pr diferentes irrdincis. Finlmente, en l figur se muestr l generción de potenci de un dí usndo el progrm dí-solr pr generr el suministro de energí solr y el modelo del módulo fotovoltico KCGT. Se h fijdo l tempertur de l célul C y el voltje del módulo 7., que es el voltje de máxim potenci especificdo por el fbricnte. Se observ que l generción de potenci sigue ls vriciones bruscs de l insolción y que un irrdinci cercn W/m el módulo tiende su cpcidd nominl de W.

8 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. 7 M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 Irrdinci (W/m) Irrdinci (W/m) Irrdinci Irrdinci Modulo F Modulo F : : : : : : : : : : : : : Hor solr Figur. Simulción de un dí de irrdinci junto con l generción de potenci pr ese mismo dí del módulo solr KCGT, Tc= C, =7.. El voltje de operción es muy importnte pr optimizr l generción de potenci, por lo que los sistems fotovolticos suelen usr seguidores de máxim potenci. En este trbjo se h fijdo el voltje suponiendo el uso de un seguidor. Tmbién se h doptdo un simplificción respecto de l tempertur de l célul considerándol constnte lo lrgo del dí. Este modelo se comport de cuerdo con l teorí y ls especificciones de los fbricntes, y reflej l situción que cbrí esperr cundo se integr con el recurso nturl solr.. Modelo del Generdor Eólico Los precios de instlción de los erogenerdores suelen ser grndes pero, un vez instldos, el coste de operción es muy bjo y l generción de potenci elevd. Estos fctores hcen l energí eólic muy competitiv en el mercdo de energís renovbles, con costes cercnos otrs fuentes convencionles como el crbono y el gs nturl. Hy demás un grn vriedd de plicciones que provechn l fuerz del viento pr l generción de potenci eléctric. El rngo de l cpcidd nominl de los erogenerdores se encuentr entre unos cientos de Wtios hst 7 MW (Enercon, ). En consecuenci, l tecnologí involucrd vrí mucho de unos generdores otros. Ls principles diferencis hcen relción spectos erodinámicos, eléctricos, l sistem de control y l mteril utilizdo. Los erogenerdores pueden estr conectdos directmente l red eléctric o se pueden utilizr pr un lmcenmiento locl. L generción de potenci es csi siempre de corriente ltern, pero tmbién puede ser de corriente continu en el cso de erogenerdores de menor tmño, por ejemplo, pr crg de bterís en sistems utónomos (Msters, ). L estructur básic de un erogenerdor eléctrico consiste en un rotor pr l extrcción de l energí del viento, un cj de cmbios y un generdor eléctrico (Burton et l., ). El más común es el erogenerdor de eje horizontl con tres pls, y es el que hemos simuldo en este rtículo. Gir debido l fuerz de sustentción generd por el perfil de ls pls y por eso puede llegr lcnzr un velocidd ngulr myor que l velocidd del viento. El giro del rotor provoc un pr mecánico en l cj de cmbios que se trnsmite l generdor eléctrico. El ppel de l cj de cmbios es proporcionr l velocidd decud pr el generdor. Un clsificción común de los erogenerdores es según trbjen un velocidd (ngulr) fij o vrible. El primer tipo indic que, culquier velocidd del viento, l velocidd de giro se mntiene fij y es determind por l Potenic (W) Potenic (W) frecuenci de l red eléctric, por el diseño del generdor eléctrico y por l cj de cmbios (Ackermnn, ). Últimmente, el erogenerdor de velocidd vrible es el más utilizdo. Medinte un sistem de control se mntiene el pr mecánico del generdor eléctrico bstnte constnte y bsorbe ls fluctuciones del viento con los cmbios en l velocidd de giro del generdor (Gonzlez et l., ). Se puede justr l velocidd de giro del erogenerdor en función del viento pr extrer l energí con l máxim eficienci. Todos los erogenerdores incorporn lgún tipo de control de potenci. Muchos utilizn un regulción por cmbio del ángulo de pso (pitch) y en efecto modificn l fuerz de sustentción pr extrer más potenci en vientos bjos y reducir l extrcción de potenci en vientos muy fuertes. Debido l enfoque práctico de este trbjo interes trbjr con un erogenerdor de pequeño tmño. Se estbleció el uso de un erogenerdor con un cpcidd nominl lrededor de 7 kw (hbrá que cubrir un demnd de ese orden), sin cj de cmbios ni regulción de ls pls. Us un generdor eléctrico síncrono de corriente ltern con imnes permnentes. El erogenerdor está equipdo con un velet y, pr vientos fuertes, el disco del rotor se gir utomáticmente pr reducir el áre de cptur del viento y no dñr el equipo (mecnismo de plegdo o furling) (Arifujjmn, Iqbl y Quicoe, ; Audierne et l., ). En consecuenci, l curv de potenci de este tipo de erogenerdor tiene un cíd brusc prtir de un ciert velocidd del viento, como se h simuldo en l figur (Khn, y Iqbl, 9). P Potenci erodinámic (kw) ) elocidd del viento (m/s) Figur. Curv de potenci típic de un erogenerdor pequeño que utiliz el mecnismo de plegdo o furling como mecnismo de control lts velociddes de viento. El pr mecánico provocdo por el viento en el generdor viene ddo por (Ackermnn, ): T m C p R v () siendo l densidd del ire, R el rdio de l pl, v l velocidd del viento, C p el coeficiente de potenci y l velocidd de punt de pl () R () v donde es l velocidd ngulr.

9 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 7 El coeficiente de potenci describe l eficienci de rotor y está definido como: Pm C p Pv () siendo P v l potenci del viento incidente, que se puede clculr con (), y P m l potenci mecánic extríd del viento. Se puede deducir que l máxim extrcción de potenci ocurre cundo l velocidd del viento después del disco del rotor es un tercio de l velocidd del viento inicil. En este cso, Cp = 9.%, un vlor llmdo límite de Bétz. L curv Cp- describe l eficienci de l generción de potenci mecánic del erogenerdor. L form es bstnte precid entre erogenerdores tri-pls; sin embrgo hy diferencis respecto l óptimo de l relción de velocidd de punt de pl. El coeficiente de potenci se h proximdo con l expresión generl de de l ecución (), donde es el ángulo de pitch y i es l relción de velocidd de punt de pl en cd instnte. El ángulo de pitch se fijó cero durnte l simulción y se usron los vlores de l tbl pr un erogenerdor de velocidd vrible, que es nuestro cso. c c C p,, exp () c 7 c c c c i i Tbl. Constntes de l ecución () pr el cálculo del coeficiente de potenci (Ackermnn, ). c c c c c c c Pr incorporr en l simulción el efecto del mecnismo de plegdo (furling) se estbleció que el coeficiente de potenci empiez ctur prtir de un ciert velocidd del viento, llmd v cmbio, y que sigue l form de l curv de potenci de l figur. Se determinó un polinomio C p, pr generr l cíd de l curv de potenci y luego un líne rect C p, pr mntener l generción de potenci hst l máxim velocidd del viento permitid, v finl. Resultó más fácil expresr C p, y C p, en función de l velocidd del viento y no de como en l expresión generl. L siguiente ecución resume el cálculo del coeficiente de potenci: C p C C C p, p, v v p, pr v v pr pr v v cmbio cmbio cmbio v v cmbio v v finl () Los fctores de potenci prtir de v cmbio vienen ddos por () y (7), y los coeficientes correspondientes son los indicdos continución. C p, Pv P v P v P () v vcmbio P C p, P (7) P =.; P = -.; P =.9; P = -.9; P = -.; P =. Est descripción del plegdo es el único mecnismo de control incluido en el modelo del erogenerdor. L extrcción de máxim potenci vientos bjos y medios no se h considerdo. El viento está medido con un nemómetro en un punto en el espcio, pero no es igul lo que ve el plno del rotor. Hy que tener en cuent que unque el rotor es reltivmente pequeño, l fuerz del viento es proporcionl l velocidd del viento elevd l cubo (). Un trtmiento común (Ackermnn, ; Arifujjmn, Iqbl y Quicoe, ; Khn y Iqbl, 9), es usr un filtro pso bjo pr promedir el viento sobre el disco del rotor. Se h implementdo medinte l siguiente función (ihril, ; Khn y Iqbl, 9), v filt v s ; s s R d () donde es un prámetro empírico, d es el fctor de decimiento sobre el disco del rotor, y v wf es l velocidd promedio del viento en ese lugr. Otro fenómeno erodinámico considerr es el retrdo de l rección de ls pls los cmbios bruscos del viento. El efecto resultnte puede ser modeldo como un filtro de retrdo (ihril, ; Khn y Iqbl, 9): is vefectivo (9) v filt s siendo i un prámetro empírico y l constnte de tiempo del filtro. L myorí de los erogenerdores hst un cpcidd nominl de kw usn un generdor síncrono de imán permnente (Mnwell, McGown y Rogers, ; Twidell y Weir, ). Un generdor síncrono produce un corriente ltern con un frecuenci que es función de l velocidd rotcionl. El erogenerdor de este estudio es de velocidd vrible, lo que resultrá en un frecuenci vrible. Un mner de resolver este problem es medinte un rectificción de l corriente ltern pr luego invertirl l frecuenci desed. Como simplificción, en este proyecto se h usdo un máquin de corriente continu pr representr el generdor de corriente ltern con l slid rectificd, un método tmbién utilizdo por (Khn y Iqbl, 9). L entrd l generdor eléctrico es l velocidd ngulr del rotor, y l slid es el voltje y l corriente de rmdur. En l figur se muestr el circuito equivlente que represent l máquin de corriente continu con imnes permnentes (Krishnn, ). A prtir de l figur se deduce que: L di E RI dt v wf () E k () siendo L l inductnci, R l resistenci, I l corriente de rmdur, y el voltje de slid del generdor. E es l fuerz electromotriz inducid siendo k l constnte del generdor y l constnte de coplmiento del flujo mgnético. Además,

10 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. 7 M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 Tbl. Prámetros utilizdos pr l conversión de l fuerz del viento pr mecánico. Figur. Circuito equivlente del generdor de corriente continu con imnes permnentes. d J Tm Tem F dt () T em ki () con J el momento de inerci, F el coeficiente de fricción y T em el pr electromgnético. Pr simplificr l simulción se supone que l demnd de potenci tom l form de un crg resistiv R L y el voltje de slid se puede expresr como (Dodson, Buswon y Jovnovic, ): R I L () En ls tbls y se encuentrn los dtos usdos pr l simulción, típicos pr los erogenerdores descritos en este estudio. L efectividd del erogenerdor puede ser evlud medinte el fctor de cpcidd, C F. Se expres como l producción nul de energí (PAE) dividid entre l generción nul de energí si el erogenerdor hubier estdo trbjndo su cpcidd nominl (E N ): PAE CF () EN El fctor de cpcidd depende del recurso eólico y del erogenerdor, y se encuentr normlmente entre. y. (Ackermnn, ). Símbolo Prámetro lor Unidd Densidd del ire. Kg/m R Rdio. m Prámetro empírico filtro pso. s - bjo d Fctor de decimiento. - v iento promedio del lugr m/s i wf Prámetro empírico del filtro de retrdo Constnte de tiempo del filtro de retrdo.7-9 s Tbl. Prámetros crcterísticos del generdor de corriente direct del erogenerdor modeldo. Símbolo Prámetro lor Unidd L Inductnci de l rmdur. mh R Resistenci de l rmdur.7 k Constnte del generdor. - Acoplmiento flujo. /rd/s mgnético F Coeficiente de fricción. N m/rd/s J Momento de inerci. Kg m Resistenci de crg R L En l figur se present l implementción del modelo del erogenerdor en Simulink. Ls ecuciones se hn grupdo en bloques. En el primero se hcen los cálculos de l velocidd del viento respecto l plno del rotor (v eff ). Tmbién se introduce un velocidd v sim que es igul v eff pero sturd un límite inferior de. m/s. Est sturción evit l posible división por cero en l simulción, y no fect los resultdos finles y que l velocidd de rrnque está lrededor de m/s. Además se ñdió un bloque l finl que, independientemente de ls ecuciones nteriores, control l suspensión de l generción de potenci por debjo de l velocidd de rrnque y por encim de l velocidd de prd. v_sim v v v_eff elocidd viento A Aerodinmic del del rotor y y subid de de todos v v >.m/s v v ww Tem Tem iento torque mecánico P P I I ww Tem Tem G Generdor dc dc C oltje v v Pslid Pentrd A Arrque/prd Potenci L únic entrd vrible del sistem es l velocidd del viento. El modelo se nlizó midiendo tods ls slids del sistem, es decir: l velocidd efectiv, l relción de velocidd de punt de pl (), el coeficiente de potenci (C p ), el pr mecánico, l velocidd ngulr, el pr electromgnético, l corriente, el voltje y l potenci. Slid: viento Figur. Implementción del modelo del erogenerdor en Simulink. En contrposición l módulo fotovoltico, el modelo del erogenerdor resultó muy sensible ls vriciones de los prámetros. Debido esto, todos los prámetros se fijron los vlores de l Tbl, por lo que l simulción se refiere este erogenerdor específico.

11 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 77 Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril () Los vlores iniciles de l velocidd ngulr y de l corriente no ocsionn ningún problem si l velocidd del viento en el primer instnte de tiempo considerdo es bj. Pero si no es sí, l generción de potenci podrí no ser del todo correct. Pr evitrlo, se limitn los primeros dtos de l velocidd del viento vlores menores o igules m/s. El vlor inicil de l velocidd ngulr h sido estimdo con un líne rect, justd los dtos de l velocidd ngulr en función del viento (empezndo desde cero). El vlor mínimo de l velocidd ngulr inicil se fijó proximdmente. rd/s. El vlor inicil de l corriente se estbleció como de.a. Durnte l simulción, l velocidd de rrnque se fijó m/s pr ver l evolución de l potenci con vientos flojos. En l figur se representn ls gráfics de tods ls slids del sistem l umentr l velocidd del viento hst m/s. En l gráfic superior de l izquierd se observ que l curv de potenci tiene l form crcterístic de los erogenerdores de pequeñ escl. Se empiez generr potenci lrededor de m/s y ument exponencilmente hst m/s, donde el mecnismo de plegdo reduce l generción bruscmente. En este intervlo, el coeficiente de potenci ctú (Figur ). L velocidd ngulr, y en consecuenci l generción de potenci, ument. Sin embrgo, l eficienci de l extrcción de l energí del viento disminuye. Esto confirm l importnci del control de l velocidd de giro del rotor, comúnmente plicdo los erogenerdores de myor tmño. En ls gráfics no se observ un corriente o voltje nulos con vientos flojos por l sturción implementd. Por el mismo motivo, tmpoco el pr mecánico ni el electromgnético son nulos pr vlores bjos de l velocidd del viento. () Potenci oltje P (kw) lmbd (-) Tm (Nm) Relción de velocidd de punt de pl Torque mecánico elocidd del viento (m/s) I (A) omeg (rd/s) Cp (-) Tem (Nm)... elocidd ngulr Coeficiente de potenci Torque electromgnético elocidd del viento (m/s) Figur. Evlución complet del ls vribles del modelo del erogenerdor en función de l velocidd del viento. Finlmente, en l figur l líne zul represent l generción de potenci por el erogenerdor prtir de un dí simuldo por el progrm dí-viento. Tmbién se muestrn l velocidd del viento (líne negr) junto con el viento visto desde el plno del rotor (líne roj). Se observ que l generción de potenci sigue ls vriciones del viento y que un velocidd menor que m/s está completmente prd. A ls 7: l velocidd del viento ument por encim de l velocidd de cmbio y entonces l generción de potenci se reduce mucho. L máxim generción de potenci está justo por encim de 7kW. Además, como er de esperr, se observ que el viento visto desde el plno del rotor está ligermente retrddo con respecto l viento y present menores fluctuciones. elocidd del del viento (m/s) v plno plno Un dí de generción de potenci g p Aerogenerdor Aerogenerdor v puntul puntul : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Figur. Simulción de generción de potenci del erogenerdor en un dí de viento. En l tbl se hce un comprción de los dtos obtenidos medinte el modelo y los del erogenerdor tipo Excel-R, de cpcidd nominl 7.kW (Khn y Iqbl, 9). L myor diferenci está en l velocidd ngulr, que en este cso es del orden del 9%. Tbl. Comprción de los vlores obtenidos con el modelo del erogenerdor y el Excel-R, de 7.kW Prámetro Modelo Excel-R máximo/nominl () 9 máxim/nominl (rd/s).. óptim (-) C p óptim (-).. T m máximo/nominl (Nm). Simulción del Sistem de Trnsferenci de Energí Se hn desrrolldo los elementos necesrios pr simulr los recursos solr y eólico pr un dí crcterístico de cd mes, tnto pr l generción de potenci de un mtriz fotovoltic (mtriz F) como de un erogenerdor de pequeñ escl, y que se usrán pr generl simulciones de meses y ños. Además se cuent con los elementos dicionles necesrios pr l trnsformción de l potenci y los controldores. L conexión l red está ccesible y se supone que es posible tnto comprr como vender potenci l red eléctric. El sistem finl utiliz los modelos nteriormente descritos pr simulr el sistem completo de l figur.. Simulción de ls demnds de potenci y otros elementos del sistem Se hn selecciondo dos tipos de demnds diris con un tiempo de muestreo igul l del recurso solr y el eólico, es decir, minutos. Ls demnds representn el consumo de potenci en Wtios de un viviend y un industri pequeñ (Figur ), y se obtuvieron estudindo dtos reles del consumo eléctrico en Mdrid (Espñ). Se puede observr que l viviend tiene sus picos de potenci por l mñn, lrededor de medio dí, y por l trde. L demnd correspondiente l pequeñ industri tiene 7 Potenci (kw) (kw)

12 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. 7 M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 un consumo elevdo durnte l jornd lborl, con menos fluctuciones bruscs. En mbos csos siempre hy lgún tipo de consumo. Aunque serí posible dimensionr el sistem de suministro pr proporcionr tod l demnd requerid, es poco probble que pued cubrirl completmente de form hbitul. Por ejemplo, por l trde ument mucho el consumo de ls viviends pero el recurso solr ess hors port poc potenci. El intentr cubrirlo implicrí un fuente continu de energí o un sobredimensionmiento de los recursos y un cpcidd de lmcenmiento enorme. Por eso, l conexión l red eléctric u otr fuente uxilir es muy importnte y reduce el tmño del sistem de suministro. Potenci (W) 7 iviend Pequeñ industri Ls demnds de potenci p : : : : : : : : : : : : Figur. Ls demnds de potenci utilizds durnte l simulción. Ls crgs están modelds como únicmente resistivs. Por otro ldo, se quiere tener en cuent ls pérdids relcionds con l distribución de l energí. Un mner simple de modelr el efecto que tienen los elementos dicionles, como el inversor, es medinte l multiplicción de sus eficiencis con l potenci inicilmente generd. Suponiendo el uso de un seguidor de máxim potenci, el voltje de suministro de los módulos fotovolticos es constnte. El erogenerdor tiene un voltje nominl de csi, pero el voltje de slid puede vrir mucho en función del viento presente. Los dos generdores de potenci están unidos por un bus de corriente continu de voltje predetermindo. Lo más hbitul es que se requier un convertidor Boost pr justr el voltje de slid de los módulos fotovolticos y un convertidor Buck-Boost pr el voltje del erogenerdor. Ls slids de los convertidores se controln medinte el ciclo de trbjo del trnsistor de conmutción. No se h entrdo en detlle en l modelizción de los convertidores pero se hn incluido en l simulción, suponiendo un eficienci constnte e igul l % y l 9% pr el convertidor Boost y Buck-Boost respectivmente (Jio, Ptterson nd Cmilleri, ; Ivnovi et l., ). L slid del módulo fotovoltico y del erogenerdor (rectificd) es corriente continu, pero l demnd de potenci y l red eléctric requieren corriente ltern. Esto exige el uso de un inversor que trnsforme l corriente continu en ltern. L eficienci del inversor depende de l crg, pudiendo llegr estr por encim del 9% en muchos csos. L curv de l eficienci del inversor se identificó y proximó con un polinomio pr su implementción en Simulink. Además, como l slid del inversor puede ser bstnte ruidos, se suele necesitr un filtro pr suvizr el suministro. Se h implementdo estimndo su eficienci como constnte e igul l 97%. L red eléctric trbj voltjes ltos pr poder trnsportr l energí con pocs pérdids. Esto requiere un trnsformción del voltje de slid del inversor pr l entreg de potenci ls demnds. Se h considerdo que sólo hy pérdids de trnsformción entre el inversor y l red eléctric, pero no entre el inversor y ls demnds. L eficienci de l trnsformción se h estimdo en un 9% (Kubo, Schs y Ndel, ).. Simulción del sistem En l Figur 7 se present l implementción complet del sistem propuesto en l Figur, con todos los elementos dicionles que se hn comentdo incluidos. En l prte de rrib se encuentrn los módulos fotovolticos, el erogenerdor, y l demnd de potenci correspondiente l subsistem (viviend). El modelo del erogenerdor se h grupdo en un sólo bloque con l velocidd del viento como entrd y l generción de potenci como slid. Ls slids de l mtriz F, del erogenerdor y l demnd constituyen ls entrds l bloque Conexión. L prte inferior de l figur 7 represent el subsistem (pequeñ industri) con el erogenerdor, l mtriz F y l demnd correspondiente. Sus slids son ls entrds l bloque Conexión. El recurso solr y eólico es igul pr los dos subsistems sí como l cpcidd fotovoltic y eólic. Todos los cálculos fueron hechos en términos de potenci pr simulr ls trnsferencis en el sistem. L energí se clculó integrdo l potenci lo lrgo de l simulción. Se hn evludo ls siguientes crcterístics del sistem: L velocidd, potenci y energí del viento. L irrdinci e irrdición (energí solr cumuld) L potenci y energí generds en corriente continu por l mtriz F y el erogenerdor del subsistem y. En los bloques de conexión del subsistem y, se evlún: L potenci y energí vendid l red eléctric durnte tiempos de sobre-generción y l comprd durnte los tiempos de recursos insuficientes y/o lts demnds L trnsferenci net con l red eléctric en potenci (compr y vent) L contribución del erogenerdor y de l mtriz F ls demnds, en potenci y energí. Finlmente, tmbién se mide: L potenci y energí generds en corriente ltern por l mtriz F y el erogenerdor de los subsistems y. L eficienci del inversor del subsistem. Ls hors de operción del erogenerdor y de l mtriz F del subsistem. Pr los dos subsistems, l trnsferenci de potenci l red eléctric se clcul como l sum de l potenci generd por l mtriz F y por el erogenerdor, en corriente ltern, menos l demnd de potenci en cd instnte. Se hn considerdo ls pérdids de energí correspondientes l eficienci del inversor y l trnsformción del voltje entre el inversor y l red en el cálculo de l potenci generd por el sistem. Si l sum result positiv, el sistem está vendiendo potenci l red eléctric y, si es negtiv, se compr.. Escenrio de simulción El recurso solr se simuló pr un loclizción con un ltitud de N y condiciones tmosférics correspondientes l clsificción ltitud medi verno, según el modelo de dís despejdos. L ltitud especificd es de m y l orientción de todos los módulos fotovolticos es prlel l ecudor (ángulo zimut igul cero), e inclindos con un ángulo igul l ltitud.

13 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 79 Se usó un dí tipo, es decir, un dí prcilmente nubldo. El fctor de nubosidd se vrió desde. hst., con vlores myores en el invierno y menores en el verno. El recurso eólico fue definido con diferentes dtos iniciles del dí pr cd mes. El primer trmo del dí corresponde un subid del recurso con un inclinción igul.; el resto de los trmos tienen un inclinción nul. L desvición estándr de cd trmo es igul.m/s, bstnte lto, por lo que cmbi mucho el perfil entre unos dís y otros. Además, se introdujeron cinco fluctuciones bruscs con un fctor de picos igul.. El fctor de turbulenci se fijó.. Se puso el primer dto del viento un vlor bjo pr evitr cálculos erróneos durnte el trnsitorio de l generción de potenci del erogenerdor. Luego, prtir del primer trmo, todos los cmbios del recurso eólico son letorios, pr reducir el sesgo de l simulción. En mbos subsistems se utilizron módulos fotovolticos del tipo KCGT conectdos en prlelo y el erogenerdor de 7kW. Los módulos fotovolticos tienen un cpcidd nominl de W. L velocidd de rrnque y prd del erogenerdor se estblecieron m/s y m/s, respectivmente. Cundo mbos recursos genern más potenci de l necesri, se determinó que el erogenerdor tiene myor prioridd pr ser usdo debido que su coste por cpcidd instld es menor que el de los módulos fotovolticos (Msters, ; RER, ). elocidd viento Slid viento Irrdinci oltje Tc T emp. célul G P v Potenci eólic S lid Irrdinc E P & E del viento E nergí eólic P E Irrdición v v P P A erogenerdor P AG potenci Tc I C orriente Mtriz F AG potenci 9 F potenci E P Op h Energí / Hors op. P E E P Op h Energí / Hors op. AG energí A erogenerdor F potenci P oltje G P E Tc Tc I F energí C orriente T emp. célul Mtriz F Demnd potenci Slid Demnd potenci Demnd potenci F energí F Hors op. 7 AG energí AG Hors op. Slid Demnd potenci E vendid P vendid AG Trnsferenci red P comprd E comprd cc/c eficienci F AG P contr F P contr AG c T c Demnd AG E contr F E contr Conexión AG F E vendid P vendid Trnsferenci red P comprd E comprd AG P contr F P contr AG c F c Demnd AG E contr F E contr Conexión E nergí vendid 7 P otenci vendid T rnsf. potenci con red Potenci comprdo Energí comprdo 9 cc/c eficienci AG P contr F P contr AG c F c AG E contr F E contr 9 E nergí vendid 7 P otenci vendid T rnsf. potenci con red Potenci comprdo Energí comprdo AG P contr 9 F P contr AG c F c 7 AG E contr F E contr Figur 9. Implementción complet del sistem de generción y trnsferenci de energí.. Análisis de los resultdos En l figur se represent, como ejemplo, un dí de simulción del sistem completo pr el mes de mrzo. En l prte inferior de l figur se muestrn el recurso eólico (líne negr) y el solr (líne roj). En ls dos gráfics intermedis están representds l generción de potenci y ls demnds de los subsistems y, respectivmente. L gráfic superior present ls comprs (vlores negtivos) y ls vents (vlores positivos) de potenci con l red eléctric lo lrgo del dí de mbos subsistems y l sum de los dos. Como er de esperr, el recurso eólico es reltivmente estble durnte el dí, con pequeñs fluctuciones y uns ráfgs. L irrdinci lleg vlores ltos de 9W/m pero está fuertemente tenud por grndes nubes. Esto produce un generción de potenci por prte del erogenerdor moderd pero continu. L mtriz F port un buen cntidd de energí pero durnte periodos más cortos. Se observ que pr los dos subsistems hy intervlos temporles en los que l demnd excede el suministro y vicevers. Tmbién se puede notr los picos en l trnsferenci de potenci pr los vlores máximos y mínimos l gráfic superior. En l figur 9 se represent l trnsferenci de energí en función de comprs y vents de energí l red. Los dtos son pr los dos subsistems en conjunto, pero el nálisis puede ser relizdo pr cd subsistem por seprdo. L trnsferenci totl está clculd como l sum de lo comprdo y lo vendido. Observndo ls figurs y 9 se pueden relcionr ls hors del dí con ls situciones energétics de compr y/o vent l red, en función de l relción entre los recursos y ls demnds. Se hn relizdo simulciones de un ño entero usndo el dí crcterístico pr cd dí del mes. Se h clculdo que el sistem completo intercmbi dirimente lrededor de kwh de medi con l red eléctric. Se hn obtenido tmbién los vlores promedio de cd mes de irrdición y velocidd del viento. L irrdición diri medi

14 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 está entre. y. kwh/m. Los vlores más ltos no se encuentrn en el verno como podrí pensrse, sino en l primver y el otoño debido l inclinción del plno. L velocidd medi diri del viento está entre. y. m/s. En totl el recurso nul solr port un medi de kwh/m y el eólico de 7 kwh/m. L demnd nul de l viviend y de l pequeñ industri es 9 y 7 kwh respectivmente. Potenci (kw) Potenci (kw) Trnsferenci de potenci con l red eléctric, negro y zul = Subsistems y, rojo = el totl Trnsferenci de potenci con l red eléctric, negro y zul = Subsistems y, rojo = el totl : - : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Subsistem : Potenci en CA del erogenerdor (zul) y mtriz F (negro) con l demnd de potenci (rojo) Subsistem : Potenci en CA del erogenerdor (zul) y mtriz F (negro) con l demnd de potenci (rojo) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Potenci (kw) Potenci (kw) Subsistem : Potenci en CA del erogenerdor (zul) y mtriz F (negro) con l demnd de potenci (rojo) Subsistem : Potenci en CA del erogenerdor (zul) y mtriz F (negro) con l demnd de potenci (rojo) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Recurso eólico (negro) y solr (zul) Recurso eólico (negro) y solr (zul) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Potenci (kw) Potenci (kw) elocidd viento (m/s) elocidd viento (m/s) Figur. Simulción de un dí del mes de mrzo. De bjo rrib: el recurso eólico y solr; l generción de potenci y l demnd de los subsistems y ; en l gráfic superior, ls comprs y vents de potenci l red eléctric de los subsistems por seprdo y el totl de los dos. Energí Energí (kwh) (kwh) Trnsferenci de energí cumuld, Config. Independiente endid endid Comprd Comprd : : : : : : : : : : : : : : : : : : Hor : solr: : : : : Figur 9. Trnsferenci de energí del sistem totl en función de comprs y vents de energí l red eléctric. Teniendo en cuent que el sistem de suministro es igul en los dos subsistems, sus resultdos respecto l generción de energí son lógicmente igules. L generción nul de energí de l mtriz F y del erogenerdor fueron de 7 y kwh respectivmente. L eficienci de l mtriz F es del.% y el fctor de cpcidd del erogenerdor del.%. Los porcentjes de hors de operción del F y del erogenerdor fueron del 7.% y el 79.% respectivmente. El intercmbio nul de energí con l red eléctric h sido de.mwh, donde.mwh fue comprs y 9.MWh vents. L generción de potenci del sistem completo es.mwh, lo que supone que tiene que vender un % de su potenci generd. L Tbl se resumen los dtos más significtivos de l simulción. Se observ que l contribución fotovoltic es myor pr el subsistem (industri) que pr el (viviend). Esto se relcion con l l fuerte demnd de S durnte ls hors de lt Irrdinci (W/m) Irrdinci (W/m) intensidd del recurso solr. Por otro ldo, l contribución eólic es myor pr S que S, debido l demnd reltivmente bj y continu del S, que se just mejor l recurso eólico que S. En todos los csos l contribución de los recursos renovbles es lrededor de %. Tbl. Contribución l demnd nul de energí F (kwh) AG (kwh) Red (kwh) S 7 (.%) (.%) (.%) S (.%) (.%) 97 (.%) Completo (.%) 9 (.%) (.%) Alguns de ls conclusiones que se pueden derivr de este cso prticulr son ls siguientes: L Tbl permite deducir que pr sistems cuy demnd es en cierto modo uniforme durnte el dí, como un industri, el generdor solr es más conveniente; pr ls demnds con picos en hors donde no hy luz, como son hbitulmente ls viviends, es mejor utilizr recursos eólicos (figur, ls dos gráfics intermedis). Un umento de l cpcidd fotovoltic pr el subsistem tiene poco efecto en comprción con el mismo umento pr subsistem. Además, se puede deducir de l figur (por lo menos pr el mes de mrzo) que un umento de l cpcidd eólic resultrí en un umento de l contribución renovble l demnd, pero probblemente tmbién en un grn umento de ls trnsferencis l red eléctric. 7. Conclusiones y trbjos futuros Se h implementdo en Simulink el modelo completo de un sistem de suministro de potenci pr cubrir uns demnds, compuesto por módulos fotovolticos y un erogenerdor de pequeño tmño, sí como los recursos nturles solr y eólico. Además, se hn ñdido los elementos necesrios pr configurr el sistem completo (inversor, filtro, conversor Boost y Bckboost, etc.). Se h incluido conexión l red eléctric con l posibilidd tnto de comprr como de vender energí. De es mner se h desrrolldo un pltform de simulción de sistems híbridos que está disponible bjo demnd. Un de ls contribuciones de este trbjo es que, en bse trbjos previos, se hn generdo modelos detlldos de l energí solr y eólic obtenid con los generdores eléctricos fotovolticos y eólicos, y se hn unido en solo modelo, lo que permite investigr l dinámic de los sistems híbridos y su dependenci de l red eléctric pr diferentes configurciones. Además se h ñdido l modelo de energí solr un nuev mner de trtr el efecto de l tenución provocd por nubes. Tmbién el desrrollo del modelo de viento es originl, y se h comprobdo que es posible generr dís de viento con crcterístics precids los dtos reles medidos. En el modelo del erogenerdor se h incluido un form novedos de introducir el efecto del plegdo en l curv de potenci del mismo. Es decir, se hn incorpordo fctores no contempldos en l litertur que hcen los modelos más cercnos l relidd, introduciendo grn vribilidd. El tiempo de muestreo de minutos dej biert l posibilidd de modelr sistems con demnds crítics o muy vribles y recursos fluctuntes. Se h nlizdo l respuest del sistem respecto l generción de potenci, funcionmiento de los componentes, trnsferenci de energí y dependenci de l red eléctric. Uno de

15 Documento descrgdo de el //. Copi pr uso personl, se prohíbe l trnsmisión de este documento por culquier medio o formto. M. Mikti et l. / Revist Iberomericn de Automátic e Informátic industril 9 () 7 los problems más interesntes de este estudio h sido el cómo relcionr l cpcidd del sistem de suministro y l intensidd del recurso y ls demnds. Tmbién nos prece interesnte l posibilidd que brind est pltform de simulción de determinr el tipo y los vlores óptimos de los recursos instlr, Por ejemplo, dd un demnd, se puede ver si es mejor plicr recursos eólicos o solres, qué número de generdores de cd uno, etc. Todo ello orientdo l horro energético y disminuir ls trnsferencis con l red eléctric, brtndo de este modo los costes. Futuros trbjos podrín incluir el desrrollo del diseño de los sistems de energís renovbles combinndo los métodos existentes con el conocimiento de áres tecnológics como por ejemplo redes y optimizción de sistems. English Summry Modeling nd Simultion of Hybrid Wind nd Solr Power System for the Anlysis of Electricity Grid Dependency Abstrct This study presents n nlysis of the power trnsfer between smll-scle hybrid renewble energy system nd the electricity grid to cover some power demnds. The renewble energy supply system consists of smll-scle wind turbine nd photovoltic rry locted close to the power demnd. Power genertors nd the demnd re connected to the electricity grid nd the potentil of selling excess power bck to the grid or buying it if needed is ssumed to exist. Two types of power demnds re simulted: lrge housing re nd smll fctory. Detiled models re implemented for smll-scle wind turbine nd photovoltic rry, s well s for the wind nd solr resources. Simultion results re focused on how the grid dependency of this energy system is ffected by the reltionship between the renewble resources nd the demnds. Keywords: Renewble energy, solr resource, wind resource, photovoltic module, smll-scle wind turbine, hybrid system, power demnd, electricity grid Agrdecimientos Los utores grdecen el poyo del proyecto CICYT DPI9- -C-. Referencis Ackermnn T.,. Wind Power in Power Systems. John Wiley & Sons. Arifujjmn, Md., Iqbl M. T., Quicoe J.E.,. Energy cpture by smll wind-energy conversion system. Applied Energy,. Audierne, E., Elizondo, J., Bergmi, L., Ibrr H., Probst O.,. Anlysis of the furling behvior of smll wind turbines. Applied Energy 7, 7 9. Burton, T., Shrpe, D., Jenkins N., Bossnyi E.,. Wind energy hndbook. John Wiley & Sons. Comisión Ncionl de Agu,. Mérid, México. Dodson, D., Buswon K., Jovnovic M.,. Estimtion of the power coefficient in wind conversion system. CDC/ECC, Seville, Spin. Duffie J. A, Beckmn W. A., 99. Solr Engineering of Therml Processes. John Wiley & Sons. Enercon,. ETAP,. Comisión Europe, Medio Ambiente. González, M., ázquez F., Morill F.,. Control Multivrible Centrlizdo con Descoplo pr Aerogenerdores de elocidd rible. RIAI, 7(),. Green, M. A., Emery, K., King, D. L., Hisikw Y., Wrt W.,. Solr Cell Efficiency Tbles. Progress in Photovoltics,. Hnsen, A. D., Sørensen, P., Hnsen L.H., Bindner H.,. Models for Stnd-Alone P System, Risø-R-9(EN) / SEC-R-. IEA Interntionl Energy Agency,. Key World Energy Sttistics. Ivnovi, Z., Doki, B., Blnuš B., Kneži M.,. Boost Converter Efficiency Optimiztion in Wind Turbine, EPE-PEMC, T--T-. Jebrj S., Iniyn S.,. A review of energy models. Renewble nd Sustinble Energy Reviews, (),. Jio, S., Ptterson D., Cmilleri S.,. Boost converter design for kw wind turbine genertor. Int. J. of Renewble Energy Eng. (). Khn, M. J., Iqbl, M.T., 9. Anlysis of smll wind-hydrogen stndlone hybrid energy system. Applied Energy, 9. Krishnn, R () Electric motor drives: modeling nlysis nd control. Prentice Hll. Kubo, T., Schs H., Ndel S.,. Opportunities for new pplince nd equipment efficiency stndrds: Energy nd economics svings beyond current stndrd progrms, Americn Council Energy-Efficient, A. Luque A., Hegedus S.,. Hndbook of Photovoltic Science nd Engineering. John Wiley & Sons. Mnwell, J. F., McGown J. G., Rogers A. L.,. Wind Energy Explined. John Wiley & Sons. Msters G.M.,. Renewble nd Efficient Electric Power Systems. John Wiley & Sons. REE, Red eléctric de Espñ,. Avnce del informe. REN Renewble Energy Network for the th Century,. Renewble Globl Sttus Report. RER, Renewble Energy Resources,. Rubio, F. R, Cmcho E. F., Berenguel M.,. Control de cmpos de colectores solres. RIAI, (), -. Sen, Z.,. Solr Energy Fundmentls nd Modeling Techniques: tmosphere, environment, climte chnge nd renewble energy. Springer. Tsi, H. L., Tu C. S., Su Y. J.,. Development of Generlized Photovoltic Model Using MATLAB/SIMULINK. In: Proc. World Congress on Engineering nd Computer Science, Sn Frncisco, USA. Twidell J., Weir T.,. Renewble Energy Resources. Tylor & Frncis. ihril H.,. Control of vrible speed wind turbines. PhD thesis, Tmpere University of Technology, Finlnd. Wong, L. T., Chow W. K.,. Solr rdition model. Applied Energy 9, 9.