La mayor aplicación de los sistemas aislados es debido a la imposibilidad de conexión a la red eléctrica ya sea por no tener la potencia adecuada o

Transcripción

1

2 La mayor aplicación de los sistemas aislados es debido a la imposibilidad de conexión a la red eléctrica ya sea por no tener la potencia adecuada o por carecer del sistema eléctrico correspondiente. En la figura se observa un generador de velocidad constante:

3 El generador de inducción es autoexcitado (capacitores en bornes del generador de inducción). La frecuencia se controla por control de la velocidad del equipo aerogenerador. Las baterias se cargan mediante un sistema de rectificador y descarga a través de un invertidor. Existen sistemas híbridos con equipos diesel y baterias para acumular energía.

4 Las baterias comunmente utilizadas son: 1. Plomo ácidas. 2. Niquel Cadmio 3. Niquel hidruro metálico 4. Litio-ion 5. Litio-polímero 6. Zinc aire

5 Componentes tales como baterías e inversores son críticos para la realización exitosa de sistemas híbridos. Las baterías han sido siempre un elemento caro y problemático en los sistemas alejados de la red. Además, no más del 50% de la energía almacenada en las baterías puede ser extraída sin riesgo de sulfatar las placas y reducir su efectividad. Las baterías tienen también un tiempo de vida limitado. El Folkecenter for Renewable Energy estima que se mantienen bien hasta los 2000 ciclos (se pueden usar todavía después, pero se reduce su capacidad). A causa de este coste tan alto, los diseñadores tratan de limitar la cantidad de baterías necesarias, utilizando el sol y el viento juntos. Para sistemas con carga de CA se requieren inversores. Bombeo eólico Actualmente, la tecnología eólica ofrece más opciones para el bombeo de agua que las que había hasta hace pocos años: molinos de viento mecánicos tradicionales (farm windrnill), bombas de aire comprimido y bombeo eólico-eléctrico.

6 Sin embargo para el uso con sistemas híbridos que incluyan motogeneradores el sistema permite la disminución del consumo de combustible y la extensión de la vida útil del equipo motogenerador. Si bien un molino mecánico clásico cuesta alrededor de un 10% menos que su equivalente en tamaño de un sistema de bombeo eólico-eléctrico, el molino bombea sólo la mitad de volumen de agua", explica Eggleston. Esto se debe a las mejores características aerodinámicas del rotor de las modernas turbinas eólicas y un mejor acople entre el comportamiento del rotor y la potencia disponible bajo vientos variables. El sitio de emplazamiento del molino tradicional también está restringido. Éste debe ser colocado directamente sobre el pozo, mientras que los sistemas de bombeo eólico-eléctricos permiten ubicar la turbina en el lugar más ventajoso, usando luego un cable eléctrico para conectar la turbina eólico-eléctrica con la motobomba que se encuentra encima del pozo.

7 A pesar de los recientes diseños de baterías e inversores, los actuales sistemas de bombeo eólico-eléctricos mueven bien el motor acoplados directamente. La clave ha sido el desarrollo de controles electrónicos que acoplan la carga de la motobomba a la potencia disponible a diferentes velocidades del viento. El sistema de control es un factor limitante. Calefacción eólica El Folkecenter for Renewable Energy de Dinamarca ha demostrado que una turbina eólica que cubre las demandas de calefacción en el invierno puede fácilmente cubrir las necesidades de agua caliente en verano. El Folkecenter ha encontrado también que es más ventajoso económicamente utilizar la energía eléctrica generada como electricidad que convertirla en calor. Normalmente la electricidad tiene el doble de valor por kilovatio-hora que el calor.

8 Algunos defensores argumentan que almacenar el exceso de energía eólica como calor es más barato que almacenarlo en baterías. De esta forma la calefacción con energía eólica puede jugar un papel importante en sistemas remotos aislados donde no tienen aún acceso al combustible fósil para la calefacción. Hugh Piggott disipa su exceso de potencia eólica en "tanques calentadores". Piggott explica que éstos son comunes en Gran Bretaña para el almacenaje barato de la electricidad en la noche, fuera de las horas pico, para aquellos que están conectados a la red, y están normalmente disponibles para también poder ser usados en sistemas aislados. Para garantizar un suministro fiable de electricidad generada por el viento por sistemas remotos, se necesita una turbina mucho más grande que la que sería necesaria para producir el mismo número de kilovatios-hora para una casa conectada a la red. Esa mayor turbina facilita la carga de las baterías generando corriente aun bajo vientos ligeros. Bajo vientos moderados y fuertes produce mucha más potencia que la necesaria.

9 El exceso de energía se puede utilizar para calentamiento y así ahorrar combustible. El control eléctrico de la turbina debe ser adaptado para dirigir la potencia en exceso hacia las cargas de derivación, a fin de asegurar que las cargas disipativas sean compatibles con la turbina eólica. Si esto no es así, el rotor de la turbina puede entrar en pérdida aerodinámica (stall) o detenerse cuando la carga disipativa se conecta. Los sistemas electrónicos modernos de estado sólido están bien diseñados para esta función, y pueden ser usados para ajustar las cargas de calentamiento a la potencia disponible en la turbina. Telecomunicaciones Una de las primeras aplicaciones de las pequeñas turbinas eólicas, así corno de los paneles fotovoltaicos, fue la alimentación de instalaciones remotas de telecomunicaciones. Estas eran habitualmente emplazadas en las cimas de inaccesibles montañas, donde el suministro del combustible era difícil y caro.

10 La proliferación de las nuevas compañías de telecomunicaciones y la explosión en el uso de teléfonos celulares podría requerir la instalación de más sistemas híbridos eólicos-diesel. Como en los sistemas alejados de la red para viviendas remotas, estos sistemas híbridos incluyen también paneles solares y baterías. Electrificación de comunidades rurales Según Trudy Forsyth, del National Renewable Energy Laboratory (NREL) de Colorado, el 50% de los habitantes de zonas rurales en todo el mundo -cerca de 2000 millones de personas- no tienen acceso a la electricidad. Esto es potencialmente un enorme mercado para los sistemas híbridos eólico-solares. Las agencias gubernamentales y la mayoría de los fabricantes de pequeñas turbinas eólicas están diseñando paquetes para proveer de energía a poblados del Tercer Mundo. Las lecciones que ellos aprenden de estos proyectos serán útiles para los sistemas aislados de la red en países desarrollados.

11 Tamaño de una Turbina Eólica para un hogar Rural: Un hogar que consuma aproximadamente 9,400 kilowatt-horas al año (cerca de 780 kwh por mes). Dependiendo de la velocidad promedio del viento en el área una turbina de potencia nominal de entre 5 y 10 kilowatts, podría hacer una contribución importante para esta demanda. Una turbina de 1.5 kilowatts podría cubrir las necesidades en un hogar que consuma alrededor de 300 kwh al mes en un sitio con una velocidad de 6.26 metros por segundo de velocidad promedio anual. En sistemas aislados que no están conectados a la red de suministro, y requieren el uso de baterías para almacenar la energía excedente generada, requieren un controlador de carga para proteger a las baterías de una sobrecarga. Las baterías de ciclo profundo, como las usadas en los carros de golf, tienen la capacidad de descargarse y recargarse cientos de veces hasta en un 80% de su capacidad, lo cual las hace una buena opción para sistemas de energía renovable remotos.

12 Las baterías automotrices no son de ciclo-profundo por lo que debe evitarse su uso en sistemas de energía renovable, debido al desgaste que sufren en el uso en ciclos profundos de carga y descarga que acortan su vida útil. La fórmula para evaluar la potencia de una turbina eólica es la siguiente: Potencia = k Cp 0.5 ρ A v Donde: P = Potencia obtenida, kilowatts; Cp = Coeficiente de máxima potencia, en el rango de 0.25 a 0.45 adimensional, (Teóricamente el máximo es 0.59); ρ = Densidad del aire, lb/pie 3 ; A = Área de barrido del rotor, pie 2 ó π x D 2 /4 (D es el diámetro del rotor y π = ); v = Velocidad del viento, m.p.h.; K = una constante para transformar las unidades a Kilowatts (multiplicando el resultado obtenido por se obtiene un resultado en Caballos de potencia (H.P.) por lo tanto 1kW = H.P.) 3

13 El área de barrido A, es un factor importante, porque el rotor es la parte de la turbina que captura la energía del viento. La densidad del aire varía ligeramente con la temperatura del aire y la altitud. Las clasificaciones de turbinas se encuentran referidas a condiciones normalizadas de 59 F (15 C)y altitud al nivel medio del mar. Se debe hacer una corrección por este parámetro como se muestra en la gráfica del cambio de densidad con la altitud. La corrección por temperatura por lo regular no es necesaria para la predicción de generación de una turbina a largo plazo.

14 Aunque el cálculo de la potencia eólica ilustra algunas características importantes, la mejor forma de medir el funcionamiento de una turbina es la generación anual de energía. Una estimación de la energía generada, kwh/año es la mejor forma de determinar si una turbina eólica y su torre en particular, generarán suficiente energía para cubrir sus necesidades. Para obtener una estimación preliminar del funcionamiento de una turbina eólica en particular, use la siguiente fórmula: GAE = D 2 V 3 Donde: GAE = Generación anual de energía D = Diámetro del rotor, pies V = Velocidad del viento promedio anual, m.p.h.

15 Sistema con almacenamiento en baterias e inversor para la alimentación de cargas eléctricas de CA. Es importante incorporar conocimientos de acumuladores con el fin de interpretar las condiciones requeridas de energía y potencia instantánea de cualquier equipo generador (ver anexo correspondiente).

16 Ejemplo : Sistema Aislado Enercon Los aerogeneradores ENERCON de hasta 800 kw de potencia nominal son idóneos para operar en islas o en pequeños municipios rurales como complemento de los generadores diesel, que son usados normalmente para el abastecimiento de energía. Con el fin de aprovechar al máximo la energía eólica dentro de este combinado de energías (funcionamiento paralelo-viento-diesel), ENERCON ha desarrollado componentes adicionales para la estabilización de la red y el control del sistema. Según la estructura del sistema, esto es, según el porcentaje existente entre potencia nominal del aerogenerador y la demanda de energía, se hace posible, gracias a la ayuda del sistema aislado de ENERCON, una proporción de energía eólica de hasta un 100% en la generación de corriente eléctrica (funcionamiento sin generadores diesel, ausencia de emisiones)

17 Con su sistema de red aislado, ENERCON pone a su disposición centrales eléctricas completas y autárticas basadas en la energía eólica en aquellos emplazamientos en los no existía ninguna fuente de suministro de energía. Las diferentes ejecuciones y modos de funcionamiento del sistema de red aislado de ENERCON garantizan un abastecimiento de energía estable y constante con una alta calidad de red. Simplemente se produce la cantidad de energía que se necesita; por esta razón, los sistemas de consumo virtuales para la eliminación de energía (llamados «dump loads» o descargadores) ya no son necesarios. Componentes del sistema aislado ENERCON y sus funciones

18 Aerogenerador Fuente principal de energía Acumulador del volante de inercia Acumulador a corto plazo para compensar las fluctuaciones de energía eólica en cuestión de segundos Control de la frecuencia de la red aislada (funcionamiento paralelo-viento-diesel y funcionamiento sin generadores diesel) Acumulador de batería Suministro de energía de emergencia en la red aislada (funcionamiento sin generadores diesel) para el abastecimiento de energía en cuestión de minutos Control de la frecuencia en casos de emergencia Máquina síncrona principal cuyo uso sin generadores diesel se aplica en el Control de la tensión Suministro de potencia reactiva Abastecimiento de corriente de cortocircuito Filtro para flickers Control Gestión de la energía en la red aislada Funcionamiento automático seguro y rentable (con posibilidad de funcionamiento manual) Tratamiento de datos y visualización de procesos Generador diesel Arranque del sistema Suministro de energía en escasez de viento y de reservas de energía agotadas

19

20 Aerogenerador como alimentador principal con proporción de energía eólica hasta un 100% dentro del suministro energético (funcionamiento sin generadores diesel, ninguna clase de emisiones). No se necesitan descargadores de energía Ventajas del Sistema Aislado Enercon Suministro de energía garantizado y continuo. Todas las situaciones de emergencia se encuentran protegidas por el uso de acumuladores Alta calidad de red mediante la utilización de la tecnología probada de los convertidores ENERCON IGBT Alta fiabilidad, larga vida útil, mantenimiento sencillo y rápida disponibilidad de piezas de repuesto mediante el uso de componentes estándar robustos y probados Combinación ideal de acumuladores mecánicos y químicos. El uso de los distintos tipos de acumuladores depende del propósito para el que se utilicen. Este factor asegura una larga vida útil Control del sistema completamente automático con la más moderna tecnología de hardware Transporte sencillo y posibilidad de ampliación del sistema gracias a la técnica de construcción modular de contenedores Instalación in situ rápida gracias al premontaje y comprobación de componentes antes del suministro Todos los componentes proceden de un solo proveedor (aerogenerador, acumulador del volante de inercia, sistema de control, etc.) Integración sencilla de componentes nuevos o ya existentes (p. ej. generadores diesel, sistemas fotovoltaicos, instalaciones de desalinización, sistemas de hidrógeno)

21 ACUMULADOR DE VOLANTE DE INERCIA ENERCON En el año 2000 ENERCON decidió desarrollar un sistema especial de acumulación de energía para compensar las fluctuaciones de la energía eólica en sistemas aplicables de acumulación de energía. En este proyecto, los siguientes factores jugaron un papel decisivo: Bajos costes Mínimo mantenimiento Diseño robusto Larga vida útil Uso de componentes y materiales estándar (siempre que sea posible) Posibilidades de aplicación flexibles (sistema modular de contenedores) Potencia nominal de 200 kw Capacidad de almacenamiento de energía de 5 kwh Alto grado de eficiencia/pérdidas mínimas Tiempo de respuesta muy rápido Comportamiento de la red óptimo El acumulador del volante de inercia ENERCON es un sistema simple y robusto, que ha sido probado en más de horas de test de funcionamiento sin necesitar mantenimiento alguno.

22 Para su uso se utilizan exclusivamente componentes estándar (como por ejemplo los rodamientos) los cuales aseguran un funcionamiento fiable y un suministro de piezas de repuesto a largo plazo. Este tipo de piezas de repuesto se reemplazan rápidamente y sin complicaciones; un ejemplo de ello es el rodamiento del volante de inercia ya que puede ser reemplazado sin que intervenga personal formado especialmente para esta tarea. El empleo de la tecnología de convertidores ENERCON garantiza una alta calidad de la red y hace posible el uso de piezas de repuesto estándar de los aerogeneradores. El acumulador del volante de inercia ENERCON se suministra premontado dentro de un contenedor marítimo de 6,10 metros de altura. Todos los componentes del sistema se encuentran ya completamente instalados y cableados. Antes de su suministro, el sistema ha sido testado exhaustivamente. De este modo se reduce al mínimo el tiempo de montaje y puesta en marcha en el emplazamiento

23 GESTIÓN DE LA ENERGÍA Y HMI/SCADA El núcleo del sistema de red aislado ENERCON es la unidad de control principal, que coordina de manera óptima el funcionamiento de todos los componentes del sistema y garantiza un suministro de energía fiable bajo diferentes condiciones de funcionamiento. Gracias a su construcción modular, la unidad de control principal puede adaptarse a los requisitos específicos de cada sistema (cantidad y tipo de fuentes de energía y de consumidores, etc.). El software ENERCON especialmente diseñado asegura el funcionamiento seguro y completamente automático de todo el sistema de red aislado. Unido al control completamente automático del sistema de red aislado es posible un funcionamiento en modo manual. Con este fin se ha desarrollado un sistema llamado HMI (Interconexión-hombremáquina) que se ejecuta como PC industrial y se une al control principal por ethernet. Las tareas del sistema HMI son:

24 Visualización de procesos detallada El menú principal (véase dibujo) proporciona una vista general sobre el estado de cada componente del sistema en la red. Todos estos componentes pueden ser direccionados y los sensores pueden ser detectados on line. Procesamiento de datos Almacenamiento automático de los datos y los mensajes de estado más importantes (arranques, paradas, alarmas, etc.). Funcionamiento manual Acceso a la unidad de control principal (arranque, parada, datos del valor teórico de la potencia, tipo de funcionamiento, etc.). SCADA Control remoto (red RDSI) de todo el sistema de red aislado. Tiene disponibles las siguientes funciones: Monitorización online de todo el sistema (desde cada PC) Acceso a todos los datos almacenados en el banco de datos del sistema Envío de mensajes de alarma vía SMS y/o