SIMULADOR DE SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO SOLAR DE BAJA POTENCIA

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1 SIMULADOR DE SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO SOLAR DE BAJA POTENCIA Barragán L.C., Fasoli H. Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería, Universidad Católica Argentina, Alicia M. de Justo 1500, (1107), Buenos Aires, Argentina. aerogeneradores@uca.edu.ar RESUMEN En este trabajo se presenta el desarrollo de un programa de simulación de sistemas híbridos eólicosolar de baja potencia (ca. 1 kw). El programa opera a través de una plantilla de Microsoft Excel, utilizando como herramienta de programación el lenguaje Visual Basic. Al diseñar un sistema híbrido eólico-solar de baja potencia se requieren definir: modelo y cantidad de aerogeneradores y paneles solares, consumo de la vivienda o del punto aislado, profundidad de descarga de las baterías, factor de seguridad por ausencia del recurso (tanto eólico como solar), rendimiento del inversor (si lo hubiere), así también como los datos de velocidad media de viento e intensidad de la radiación solar. A partir de este simulador el usuario podrá, al definir estas variables, dimensionar un sistema que se adecue a sus propias necesidades y recursos. Mediante el empleo de un programa de simulación no sólo se simplifican los tediosos cálculos que son necesarios para el dimensionamiento correcto del sistema sino que, principalmente, es posible aumentar considerablemente el número de períodos que se pueden considerar para una predicción más precisa: este programa permite evaluar, en pocos minutos, datos de 4 períodos diarios de 6 horas cada uno, durante 3 años. Por otra parte, el empleo de este simulador es sumamente adecuado para fines didácticos, dado su uso sencillo a pesar de manejar un completo conjunto de variables, como las que se mencionaron más arriba. Es simulador fue empleado satisfactoriamente para el diseño de sistemas energéticos de baja potencia en la Patagonia. Finalmente es conveniente agregar que HOMER (de National Renewable Energy Laboratory, NREL), uno de los simuladores del mismo tipo y de descarga gratuita más utilizado en la actualidad, posee una complejidad y un requerimiento de datos mucho mayor. Dentro del ámbito de aplicación de nuestro programa la precisión es aceptable y tiene la ventaja de requerir menor capacitación y experiencia del usuario. Palabras Claves: Energía eólica, Energía solar, dimensionamiento, simulación. 1. INTRODUCCIÓN Son numerosos los programas disponibles para diseñar adecuadamente las características de un sistema energético basado en formas alternativas de energía. Un trabajo publicado recientemente hace una revisión muy completa de las herramientas computacionales disponibles actualmente y provee la información básica necesaria para la selección del programa adecuado que permita la integración de una dada forma de energía en sistemas híbridos con diferentes objetivos específicos [1]. Por otra parte, O. Solís indica que existen limitaciones importantes en cuanto a la disponibilidad de metodologías y herramientas ingenieriles para el diseño óptimo de estos sistemas [2]. De los pocos programas cuya descarga es gratuita el más utilizado en la actualidad es el denominado HOMER, del National Renewable Energy Laboratory, NREL [3], actualmente distribuido y mejorado por HOMER Energy [4]. Este programa permite trabajar con varias fuentes de energía primaria (solar, eólica, hídrica, combustibles fósiles, etc.) y contempla,

2 además, diferentes formas de almacenamiento y de consumo. Sin embargo, Zhou et al. [5] destacan que HOMER no permite seleccionar intuitivamente los componentes apropiados de los sistemas al no ser visibles o accesibles los algoritmos y cálculos. Al diseñar un sistema híbrido, por ejemplo, eólico-solar de baja potencia (ca. 1kW), se requieren definir: modelo y cantidad de aerogeneradores, paneles solares y baterías, consumo eléctrico diario de la vivienda o establecimiento, profundidad de descarga de las baterías, factor de seguridad por ausencia de recurso (tanto eólico como solar), rendimiento del inversor (si lo hubiere), así como los datos de velocidad media de viento e intensidad de la radiación solar [5]. Mediante el empleo de un programa de simulación no sólo se simplifican los tediosos cálculos que son necesarios para el dimensionamiento correcto del sistema sino que, principalmente, es posible aumentar considerablemente el número de períodos que se pueden considerar para una predicción más precisa. Además, realizar estos cálculos para una cantidad de datos significativos (como mínimo dos años de datos de velocidades medias de viento) sin utilizar un simulador llevaría mucho tiempo. Según Solís, las herramientas de análisis (software) deben tomarse como ayudas que posibilitan efectuar las tareas pesadas de diseño y evaluación de los sistemas híbridos. Tales herramientas permiten afinar el criterio y la sensibilidad para juzgar los resultados que presentan y canalizarlos así a un buen diseño. Con base en la experiencia, se mejora este criterio. [2] 2. NECESIDAD Y APLICACIONES DEL PRESENTE TRABAJO Desde nuestra experiencia en el grupo de investigación y desarrollo de Aerogeneradores de la Universidad Católica Argentina (UCA) surgió la necesidad de utilizar una herramienta que facilite tanto la elección de un aerogenerador como el diseño del banco de baterías, y que a su vez permita mostrar cuánta energía eléctrica podría almacenarse o consumirse bajo determinadas condiciones de viento, especialmente en situaciones como la que se dan en diferentes localizaciones de la Patagonia, hacia donde está concentrado nuestro trabajo de provisión energética a puntos aislados [6]. Nuestro simulador permite evaluar en pocos minutos datos de 4 períodos diarios de 6 horas cada uno, durante 3 años. Además, este programa estima la cantidad de hidrógeno que se podría producir con un electrolizador, la cantidad de dióxido de carbono que se evitaría emitir al usar energías renovables, el dinero que se ahorra por no utilizar el servicio eléctrico y los potenciales ingresos por venta de bonos de carbono. Constituye, de esta manera, una herramienta adecuada para que los pobladores aislados sean energéticamente autosuficientes y continúa así con los lineamientos de otros trabajos presentados anteriormente por nosotros [6, 7] cuyo propósito fundamental es proveer energía a puntos aislados de la Patagonia y contribuir a detener y revertir la emigración de las pequeñas localidades rurales [8]. Por otra parte, el programa es adecuado para su uso en enseñanza, dado que su manejo es sencillo a pesar de emplear un completo conjunto de variables, como las que se mencionaron más arriba. Tiene para los fines didácticos, además, la ventaja de estar disponible en idioma español. El programa es fácilmente modificable y puede ser empleado eficientemente por personas con escaso o muy básico conocimiento sobre sistemas eólicos y solares y computación. Mediante este programa se realizó el dimensionamiento del sistema energético que provee de energía al sector de visitantes del Monumento Natural Provincial Bosque Petrificado Sarmiento. El sistema fue desarrollado, construido e instalado por estudiantes de la Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería de la UCA, y está en funcionamiento desde septiembre de 2009 [9]. El programa descripto aquí puede solicitarse a nuestra dirección de correo electrónico. Su empleo es libre y gratuito y para su uso sólo se solicita la cita completa de este trabajo. 3. DESARROLLO TEÓRICO [10-14] Proyectar y diseñar un sistema híbrido eólico solar requiere de tres etapas principales: A. Cálculo de la capacidad del banco de baterías (Figura 1). En esta etapa se requiere que se ingresen datos sobre consumo y sobre el sistema eléctrico. Como resultado, se obtiene la capacidad del banco de baterías.

3 resultados de A y B, se obtiene la cantidad de energía almacenada. Figura 1. Pasos para el cálculo de la capacidad del banco de baterías. La capacidad del banco (CBB) es calculada por el simulador como Consumo 1 1 CBB = f Voltaje FD RI donde: f, es un factor con el cual se resguarda de la posibilidad de que no haya viento o radiación solar por varios días; FD, factor de descarga de las baterías; y RI, el rendimiento del inversor. B. Cálculo de la energía eléctrica disponible (Figura 2). Se ingresan datos sobre los subsistemas eólico y solar (modelo y cantidad de aerogeneradores, modelo de paneles solares) y sobre el recurso eólico y solar Como resultado se obtiene la cantidad de energía eléctrica capaz de ser producida. Figura 3. Pasos para el cálculo de la energía almacenada. El programa calcula la energía almacenada a partir de la producida y la consumida, como: E( consum) E( almac) = E( produc) RI 4. EL SIMULADOR El simulador comienza con una pantalla de introducción (Figura 4), en donde se puede leer una breve descripción del programa y en la que se detalla la información que se le requerirá al usuario. Figura 4. Pantalla de introducción del simulador. Figura 2. Pasos para el Cálculo de la energía eléctrica disponible. El simulador calcula para cada período qué producción de energía eléctrica se obtiene con los paneles solares y los aerogeneradores, como: Energía = Potencia promedio tiempo C. Cálculo de la energía almacenada (Figura 3). A partir de los datos ingresados y los En la siguiente pantalla se solicita que se ingresen los siguientes datos: 1. Tensión del sistema 2. Consumo de la vivienda o establecimiento, dividido en 4 períodos diarios (0 a 6 hs, 6 a 12, 12 a 18 y 18 a 24) 3. Rendimiento del inversor. 4. Profundidad de descarga de las baterías. 5. Porcentaje del consumo a abastecer con energía solar. 6. Masa de CO 2 por kwh que se evitan emitir al utilizar energías renovables. 7. Rendimiento del electrolizador. 8. Valor fijo del servicio de electricidad. 9. Valor variable del servicio de electricidad.

4 10. Valor de bonos verdes. Luego de ingresados estos datos, el simulador recomienda un banco de baterías. En las dos pantallas siguientes se ingresan los datos de velocidades medias de viento e intensidad de radiación solar. El simulador se presenta con datos de viento precargados del noroeste de la provincia argentina de Chubut. En el caso de los datos de radiación solar, se encuentran precargados los datos para las ciudades argentinas de Bariloche, Ushuaia y Tucumán. De todos modos, el usuario puede ingresar los datos del lugar que desee. A continuación el simulador permite seleccionar un aerogenerador precargado (Figura 5), o ingresar la curva de potencia de uno que no esté disponible en el mismo programa. Lo mismo sucede con los paneles solares. Figura 5. Detalle que muestra la selección de un aerogenerador precargado. El simulador realiza el cálculo de cuántos paneles solares son necesarios para satisfacer el consumo ingresado. Luego muestra para cada período (Figura 6 y Figura 7): 1. la cantidad de energía solar y eólica que se produce, 2. la carga de las baterías, 3. la cantidad de H 2 que se podría producir con esa energía eléctrica y la cantidad de CO 2 que se evita emitir al no utilizar combustibles fósiles. Fecha Hora Velocidad (m/s) kwh Eólica Radiación (kw) kwh Solar kwh Eólica + Solar Carga (Ah) 1/1/ ,71 0,90 0,01 0,02 0,92 300,00 1/1/ ,57 0,90 0,23 0,33 1,23 300,00 1/1/ ,54 0,90 0,23 0,33 1,23 300,00 1/1/ ,90 0,12 0,01 0,02 0,14 268,65 2/1/ ,78 0,12 0,01 0,02 0,14 265,17 2/1/ ,80 1,38 0,23 0,33 1,71 300,00 Figura 6. Ejemplo de la planilla de salida de los resultados. Fecha Hora kwh Eólica + Solar Producción de H2 (g) Producción de H2 (NM3) CO2 evitable (g) 1/1/ ,92 1,22E-03 0,01 0,73 1/1/ ,23 1,62E-03 0,02 0,97 1/1/ ,23 1,62E-03 0,02 0,97 1/1/ ,14 1,87E-04 0,00 0,11 Figura 7. Otro detalle de la planilla de salida de los resultados- Además se presenta un análisis de los resultados obtenidos en el que se podrá ver: 1. el porcentaje de períodos de 6 hs en los que las baterías superan la mínima capacidad de carga; esto es, el porcentaje de períodos en los que no se alcanza el límite inferior ingresado por el usuario; 2. el porcentaje de períodos en los que las baterías finalizan completamente cargadas; 3. el porcentaje de períodos en los que las baterías superan el 30% de la capacidad total; 4. la carga mínima que alcanzaron las baterías considerando todos los períodos; y 5. la carga mínima disponible en un día; indica cuántos kwh fue lo mínimo que los paneles y los aerogeneradores, en conjunto, proveyeron; 6. la carga máxima disponible en un día; igual que el punto anterior, pero en este caso el máximo; 7. la cantidad de kwh, sumando lo producido en cada uno de los períodos. 8. el dinero que se ahorra por pago del servicio eléctrico. 9. la cantidad de CO 2 que se evita emitir. 10. la cantidad de H 2 máximo producible; y 11. los ingresos por bonos de carbono certificados. Finalmente, es posible ver un informe de la corrida del simulador junto con la evolución de la carga año a año en representaciones gráficas como la mostrada en la Figura 8, lo que ayuda a ver claramente los períodos críticos de carga. Capacidad (Ah) 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 Resultados /1/ /1/ /1/2006 6/2/ /2/2006 3/3/ /3/ /3/2006 9/4/ /4/2006 3/5/ /5/ /5/2006 9/6/ /6/2006 3/7/ /7/ /7/2006 9/8/ /8/2006 3/9/ /9/ /9/2006 9/10/ /10/2006 3/11/ /11/ /11/ /12/ /12/2006 Día Máxima Capacidad Profundidad de Descarga 30% de la Capacidad Figura 8. Gráfico de la evolución del estado de las baterías.

5 Llegado a este punto el usuario debe optar por tomar como aceptables estos resultados o volver atrás y seleccionar otros modelos de aerogeneradores o paneles, aumentar o disminuir la cantidad a utilizar, disminuir el consumo, aumentar o disminuir la capacidad del banco de baterías, mejorar el rendimiento del inversor, etc.; es decir, en definitiva, que podrá rever las decisiones que influyeron en el resultado obtenido. 5. VENTAJAS DEL USO DEL SIMULADOR -Permite dimensionar bancos de baterías considerando profundidad de descarga y factor de seguridad ante la posible falta de los recursos primarios. -Incluye en los cálculos: aerogenerador(es), panel(es) solar(es), inversor, bancos de baterías y la profundidad de descarga de éstos. -Es de fácil uso y bajo requerimiento de datos. -Da idea de qué modelo de aerogenerador y de paneles se debe emplear y cuántos. -Permite una aproximación para evaluar en qué época del año el usuario se puede quedar sin energía eléctrica. -Permite estimar cuánto H 2 puede producirse con un electrolizador de determinado rendimiento. -Es posible estimar cuánto CO 2 se evitará emitir. -Ayuda a realizar cálculos para determinar la factibilidad económica de proyectos. -Está escrito en un lenguaje sencillo, fácilmente adaptable si se deseara agregarle funciones. 6. LIMITACIONES DEL SIMULADOR -Considera la potencia de los aerogeneradores como constante en segmentos de 1 m/s cada uno. -Considera el voltaje del sistema como constante. -El consumo es constante en segmentos de 6 horas, iguales para todos los días del año. -El rendimiento del inversor también es constante, independientemente del consumo. -En el dimensionamiento de la cantidad de paneles, supone constante las horas solares. -No considera pérdidas por la temperatura de los paneles. -Considera constante e igual a su valor medio a la velocidad del viento en cada período de seis horas. -A las baterías las considera como "ideales" que no oponen resistencia a la carga. -La potencia de cada panel solar es proporcional a la radiación. 7. CONCLUSIONES A partir de la necesidad de una herramienta que facilite los cálculos de dimensionamiento y que permita su operación a interesados en el tema, se ha desarrollado un simulador de sistemas híbridos eólico-solar de baja potencia (ca. 1 kw) de fácil operación y útil tanto para fines didácticos como para profesionales básicos. El programa opera a través de una plantilla de Microsoft Excel, utilizando como herramienta de programación el lenguaje Visual Basic. Los resultados fueron probados y aplicados en situaciones concretas en el sur argentino. El simulador puede utilizarse tanto con fines didácticos como profesionales básicos; es de manejo sumamente sencillo aún para personas con poco entrenamiento en el tema. El programa puede ser adaptado y modificado con facilidad por el operador entrenado. Por ejemplo, existen diferentes tareas posibles que se pueden realizar a partir de este programa con el propósito de ampliar sus posibilidades: A. Trabajar en las condiciones de borde del simulador. Como por ejemplo: a.reducir los segmentos en los cuales la potencia de los aerogeneradores es constante, de 1 m/s a, por ejemplo, 0, 5 m/s b.permitir que el usuario seleccione la cantidad de periodos diarios para los datos de viento, intensidad de radiación solar y consumo, así como la cantidad de datos totales. c.considerar variable el rendimiento del inversor, dependiendo de la potencia consumida. B. Desarrollar el cálculo para que el simulador recomiende la inclinación ideal de los paneles, así como la orientación; y ajustar la radiación captada a estas condiciones. C. Ordenar el código para hacerlo más eficiente y ordenado, o escribirlo en un lenguaje que brinde más posibilidades computacionales. D. Hacer más atractivo su diseño estético. 8. REFERENCIAS [1] Connolly D., Lund H., Mathiesen B.V., Leahy M., A review of computer tools for analyzing the integration of renewable

6 energy into various energy systems, Applied Energy 87, (2010). [2] Solís O., Herramientas de análisis para simulación de sistemas híbridos, Memoria de la XXVII Semana Nacional de Energía Solar, Chihuahua, México, [3] (última visita: enero 2010). [4] (úlima visita: enero 2010). [5] Zhou W., Lou Ch., Li Z., Lu L., Yang H., Current status of research on optimum sizing of stand-alone hybrid solar-wind power generation systems, Applied Energy 87, pág (2010). [6] Vallega A., Orfali Fabre M., De Lorenzo M., Lavorante M., Fasoli H., Proyecto HACHE. I: Energía para volver a la tierra, Actas de II HYFUSEN, Trabajo [7] Padilla D., Barragán L.C., Sagardoy I., Cristófalo M.P., Mouras V., Somoza J., Domínguez A., Fasoli H.J., Proyecto Hache. II: Aerogeneradores de baja potencia para pobladores aislados de la Patagonia, Actas de II HYFUSEN, 2007, trabajo 7.8 [8] Vallega A., Volver a la tierra, Buenos Aires: Editorial Piedra Buena, Cap. I-III, pp [9] institucional/inicio/molinos.php, (última visita: enero 2010). [10] Barragán, L. Simulador híbrido eólico solar de baja potencia, trabajo Final de la carrera de Ingeniería Ambiental, Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería, Universidad Católica Argentina, Buenos Aires, Argentina (en redacción). [11] Rodríguez, E., Arquitectura con diseño bioambiental y el empleo de energías alternativas, Cesarini Hnos Editores, 1ª Edición, Buenos Aires, Argentina, 2005 [12] Ewing, R., Pratt D., Got Sun? Go Solar, Pixyjack Press, 1ª Edición, Canadá, 2005 [13] Kemp, W., The Renewable Energy Handbook, Aztext Press, Canadá, [14] Rodríguez, M., Energías Renovables, Editorial Paraninfo, 2ª Edición, Madrid, España, 2007.