DISEÑO DE UN SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN ELÉCTRICA DIDÁCTICO.

Omar Francisco García Trujillo, Stephany Lizeth Rivera Valencia.Ing. Karlos Velazquez Moreno

ingelectrico_garcia@outlook.com, stephany1702@outlook.es karlosvelazquez@yahoo.com.mx

1. Introducción

1.1 Antecedentes

Desde hace años, la alimentación eléctrica de lugares aislados a los que resulta prohibitivo llevar la red, se ha realizado mediante sistemas generadores que utilizan combustible fósil (diesel, gasolina, gas licuado…). El viento y el sol son fuentes de energía omnipresentes, libremente disponibles y su uso puede hacerse de forma respetuosa con el medio ambiente.

La progresiva reducción de los costes de los sistemas fotovoltaicos y eólicos, ha hecho que estas tecnologías sean ya competitivas no solo en los países en desarrollo con limitaciones en la red eléctrica, sino también en múltiples aplicaciones en países desarrollados. Un sistema de energía híbrido consta de dos o más fuentes de energía para la alimentación de unas cargas.

Desde finales de los años 70 del siglo XX se ha combinado el uso de generadores diesel con sistemas eólicos para la alimentación de lugares aislados y posteriormente aparecieron sistemas diesel-fotovoltaicos, y diesel-eólicos-fotovoltaicos. El uso de sistemas híbridos presenta retos específicos cuando la aplicación es de tipo profesional.

1.2 Estado del arte

El sistema híbrido que se propone está basado en el aprovechamiento de la energía eólica y la energía solar fotovoltaica. México es un país apto para el desarrollo e implementación de esta tecnología al poseer zonas con alta captación de viento, principalmente los estados de Oaxaca, Guerrero, Zacatecas, Hidalgo, entre otros (Ackermann, Thomas, 2005, “Wind power in power systems”, ed. John Wiley, USA), y tener una irradiación solar de 400 ly/día promedio anuales (Comisión Nacional para el Ahorro de Energía. CONAE www.conae.gob.mx).No obstante del potencial, la falta de tecnología propia limita la implementación de sistemas eólicos y fotovoltaicos, reduciéndose a pocos instalados, la mayoría con fines de estudio. En el caso de la energía eólica, el aprovechamiento del potencial eólico, se limita a 2 centrales eólicas pilotos: La Venta en Oaxaca, con 1.5 MW (Bogdan S., Zyiad M.,1994), y Guerrero Negro en Baja California Sur, con 600 KW de capacidad instalada (Bogdan S., Zyiad M.,1994).

En relación a la generación a pequeña escala, existen en la actualidad pequeños aerogeneradores instalados a lo largo del país cuya finalidad principal es suministrar energía eléctrica a pequeños poblados que están aislados de una red eléctrica principal de alimentación. Usualmente este abastecimiento de energía eléctrica es proporcionado en forma compartida con otro sistema de generación.

En el caso de la generación solar fotovoltaica las experiencias se extienden a 50,000 sistemas instalados por la CFE y la iniciativa privada, la mayoría de los cuales han sido implementados para el suministro de energía eléctrica en zonas alejadas de la red eléctrica nacional. La capacidad instalada de estos sistemas en su conjunto es de 12.92 MW (Bogdan S., Zyiad M.,1994)

1.3Justificación

Si bien se sabe que la red nacional tiene una amplia cobertura por todo el país, también es importante recalcar que existen zonas alejadas donde la red aun no llega. Muchas veces en estas zonas se desarrollan importantes actividades como la agrícola, ganadera o de pesca donde no siempre se logra explotar como se debe, por la carencia de muchos servicios, en este caso el servicio de electricidad.

La generación particular es de gran ayuda ya que siempre se puede implementar algún sistema de generación pequeño para autoabastecer estas zonas. Pero ello siempre implica un costo y no siempre se puede obtener un sistema apropiado para la zona donde se vaya a implementar ya que siempre la generación depende de alguna fuente que de preferencia sea renovable.

En la falta de tecnología nacional, ya que en la actualidad el equipo de instrumentación y control son importados, estos sistemas son poco rentables, ya que para dichos equipos no hay mucho soporte técnico para casos de falla, tener que reemplazarlo. Caso contrario a sistemas de generación que si poseen soporte técnico en el país. Por ello el trabajo se enfoca en dispositivos eólico y solar.

1.4 Objetivo.

Desarrollar un sistema híbrido de generación eléctrica experimental e implementar un controlador electrónico que permita integrar dos unidades de generación, aero-generación y solar-fotovoltaica, alimentar un banco de baterías y suministrar energía a una carga.

1.5 Metodología

Estudios efectuados en el campo de generación eléctrica híbrida, solar fotovoltaica y eólica, están enfocados a instalación de sistemas experimentales (CODESO.www.codeso.com), dimensionamiento de los sistemas de generación para su óptima operación (Juan de Dios Sánchez López, “Dispositivos de potencia”,

Mexicali), capacidad de expansión del sistema (M.S. Bakar, N. A. Azil, 2003, “Simulation of a Regular Sampled”) Esto a modo de comprobar la factibilidad de estos sistemas.

Adicionalmente, estudios de factibilidad económica y de impacto ambiental que representa el instalar un equipo como los mencionados, demuestran que en un futuro cercano los sistemas híbridos de generación eléctrica serán una opción común (Martínez, R.C, 2012, IICO, San Luis Potosí, México). Además, cabe de destacar que con la iniciativa privada será más común emplear o recurrir a este tipo de sistema.

Figura 1.1 hardware del sistema hibrido propuesto.

La figura 1.1 muestra el diagrama a bloques del sistema híbrido con el controlador electrónico que se propone para el sistema híbrido incluido. El esquema incluye un microcontrolador dedicado básicamente a realizar dos funciones: la regulación del sistema, que es la base de la integración de los voltajes generados, y el control de la generación total del sistema.

Generación eólica (aerogenerador)

Generación fotovoltaica (panel solar)

Bus enlace

Micro controlador sistema propuesto

Banco de baterías

Inversor Carga

Figura 1.2 diagrama a bloques del sistema hibrido propuesto.

La regulación se emplea para mantener las tensiones generadas, por los paneles y el aerogenerador, en un nivel fijo con el fin de efectuar la integración de ambas unidades de generación y al mismo tiempo obtener una tensión constante que alimentará al banco de baterías. La tensión generada se mantiene constante por medio de convertidores DC/DC.

La salida la tensión de estos convertidores retroalimenta al controlador, previo acondicionamiento, por medio de su interfaz analógico-digital. La señal digitalizada de la tensión, una vez procesada, se usa para la regulación. Para controlar el convertidor DC/DC se emplea la Modulación de ancho pulso inyectada mediante la interfaz especial incorporada al microcontrolador.

Establecida la regulación de las tensiones, la integración de las unidades de generación, aerogenerador y los paneles solares, se realiza por medio de una red capacitiva en derivación (Ackermann, Thomas, 2005, “Wind power in power systems”, ed. John Wiley, USA). De esta forma, la tensión resultante se mantiene constante y las corrientes se suman proporcionando la potencia requerida por el banco de baterías.

En caso de que uno de las tensiones no alcance el nivel deseado para el sistema, el acoplamiento es bloqueado por medio de un diodo de potencia, evitándose así algún retorno de corriente no deseado y proteger a los convertidores DC/DC, tal como se muestra en el diagrama de bloques de la figura 1.2 (Bogdan S., Zyiad M.,1994). Al ser dos tipos de generación se debe aplicar el mismo modelo de monitoreo para ambos casos.

El monitoreo al banco de baterías se sujeta a dos razones: el banco puede estar cargado y se requiere que la generación sea deshabilitada para no dañarlo o que el banco se descargue por debajo de su nivel crítico y la generación no sea

suficiente para que vuelva a adquirir carga, para lo cual la carga debe ser desconectada del banco.

En el primer caso la tensión de referencia es acondicionada para que envíe una señal al microcontrolador que indique si el banco está cargado a su capacidad nominal. En el caso que las fuentes de generación estén operando de manera nominal y las baterías estén con su carga máxima, el microcontrolador envía una señal a un interruptor que desactivará las unidades, protegiendo las baterías.

En caso contrario las fuentes seguirán aportando al banco de baterías la tensión requerida para que siga cargándose. En el segundo caso, el monitoreo indica al microcontrolador si la carga está demandando más corriente de la que puede suministrar el banco de baterías, haciendo con ello que descienda el nivel de carga del mismo.

Al ocurrir esto se activa una señal que le indica al microcontrolador que el banco está por debajo de la carga mínima, con lo cual envía una señal a un interruptor para que desconecte del lado de la carga y a su vez permita que el aerogenerador y los paneles solares carguen el banco de baterías hasta un nivel óptimo. Propiciando la prolongación del tiempo de vida del sistema.

Es importante mencionar que una vez desconectada la carga no podrá ser conectada nuevamente hasta que el banco de baterías sea cargado a un nivel en el cual las cargas puedan ser abastecidas de manera segura a fin de evitar daños al banco de baterías. La propuesta está enfocada al acoplamiento de las señales de tensión generadas por el aerogenerador y el arreglo de paneles solares.Se pretende que el sistema híbrido únicamente lo conformen estas 2 fuentes de generación, lo cual dependerá del estudio previo que se deberá efectuar en la región en que se desee instalar un sistema de este tipo, para de esta manera obtener un sistema autónomo. Sin embargo no se descarta la utilización de un grupo alterno de generación como soporte.

Con la integración de las unidades y convertidores descritos, en este trabajo se propone un sistema híbrido de generación eléctrica que puede emplease en zonas rurales donde la actividad en el campo demande el suministro de energía eléctrica para labores de bombeo y riego. El inversor se integra a fin de alimentar bombas y motores de inducción de baja capacidad (Mukund R. Patel. “Wind and Solar Power Systems”. CRCPress, 1999).

Un estudio de factibilidad económica deberá realizarse a fin de determinar el grado de aprovechamiento del sistema, ya que el equipo es todavía costoso. Debido a que el dispositivo propuesto estará compuesto de convertidores de electrónica de potencia, se tiene la posibilidad de aumentar la capacidad de potencia suministrada para adecuarlo a un posible aumento de la generación y de la carga.

2. Fundamento teórico.

2.1 Generador eólico.Un generador eólico o aerogenerador, es básicamente un gigantesco molino de viento conectado a un generador eléctrico que aprovecha la fuerza del viento para mover las aspas del molino y producir energía (CODESO.www.codeso.com). A mayor captación de viento mayor cantidad de giros hará la hélice del aerogenerador, produciendo más energía. Los aerogeneradores generalmente van conectados al sistema de interconexión eléctrica, de tal manera que se disponga de la energía generada inmediatamente se produce, sin embargo, la mayoría de las veces se toma en cuenta además un banco de baterías para almacenar energía. Ya que es conveniente tener energía en caso de fallo o paro del sistema(www.ecolife.co/index.php?option=com_content&view=article&id=114:como-funciona-un-generador-eolico&catid=42:ecotecno&Itemid=54).

La energía producida por los aerogeneradores es completamente limpia, no produce ningún tipo de contaminación ni residuos, por lo que se considera uno de los sistemas de generación de energía más limpios que existen actualmente. Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o conectados entre sí formando un parque eólico.

2.2 Generador fotovoltaico.

La energía solar fotovoltaica se basa en la captación de energía solar y su transformación en energía eléctrica por medio de módulos fotovoltaicos. Actúan por medio de celdas solares los cuales son dispositivos formados por metales sensibles a la luz que desprenden electrones cuando los fotones inciden sobre ellos (pjmicrocontroladores.wordpress.com/2006/11/06/%C2%BFque-es-un-microcontrolador).

Convierten energía luminosa en energía eléctrica. Están formados por células elaboradas a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos, siendo capaces de generar cada una de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V, utilizando como materia prima la radiación solar. En conjunto con un banco de baterías. (www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Energia/EnergiasRenovables/EnergiaSolarFotovoltaica.asp)

2.3 Microcontrolador.

Un microcontrolador es un circuito integrado que nos ofrece las posibilidades de un pequeño computador. En su interior encontramos un procesador, memoria, y varios periféricos (todoproductividad.blogspot.mx/2009/10/microcontroladores-para-aplicaciones.html).

El secreto de los microcontroladores lo encontramos en su tamaño, su precio y su diversidad. Su valor medio de seis euros, y su tamaño se reduce a unos pocos centímetros cuadrados (Rafael Almanza Salgado “Ingeniería de la Energía Solar” 1994.)

.

La limitación en la aplicación de los microcontroladores a un desarrollo de ingeniería tiene su límite en la imaginación del desarrollador. Con los diversos modelos disponibles podemos afrontar multitud de diseños distintos desde los más simples hasta los más complejos dependiendo la función que se necesite que estos hagan cumplir.

El controlador que se propone para el sistema híbrido es para integrar las tensiones generadas por el aerogenerador y los paneles. La familia EFM32 Gecko de microcontroladores se ha desarrollado para periféricos disponibles con aplicaciones operadas con baterías. Vienen con varias capacidades de memoria, comparten la CPU y los periféricos autónomos de ultra baja energía (Riad Chedid, Salmar Arman. “Unit Sizing and Control of

Hybrid Wind-Solar Power System” . IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 12 No. 1, Mar. 1997)

2.4 Inversor.

Su función es la de cambiar una tensión de corriente directa en entrada, a una tensión de salida de corriente alterna simétrico de magnitud y frecuencia determinadas (Roy Billinton, R.K. “Capacity Expansion of Small solated Power Systems Using PV and Wind Energy” Nov. 2001.). La finalidad del inversor es efectuar la conversión de DC a AC y alimentar diversas cargas, tales como motores de inducción (propios para riego y bombeo) y alumbrado entre otras.

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.

MESES

ACTIVIDAD ENE FEB MAR

ABR MAY

JUN-JUL

AGO-OCT

NOV DIC

Estado del arte

X

Antecedentes

X

JustificaciónY Objetivo

X

Metodología

X

Fundamento Teórico

X

Cálculosteóricos delsistema ySelección deMateriales

X

Diseño de laObra,conjuntamentecon losaccesorios autilizar

X

Cotización yAdquisición deequipos

X

Instalación deEquipos

X

Prueba deEquipos

X

Referencias.

Ackermann, Thomas, 2005, “Wind power in power systems”, ed. John Wiley, USA.

Bogdan S. Borowy, Zyiad M. Salameh. “Optimun Photovoltaic Array Size for a Hybrid Wind/PV System”. IEEE Transactions on Energy Conversión, Vol. 9 No. 3, Sep.1994.

Comisión Nacional para el Ahorro de Energía. CONAE www.conae.gob.mx

Corporación para el Desarrollo Sostenible. CODESO. www.codeso.com

Juan de Dios Sánchez López, “Dispositivos de potencia”, Mexicali, Baja California. Página 65 (inversor).

M.S. Bakar, N. A. Azil, 2003, “Simulation of a Regular Sampled Pulse-width Modulation (PWM) Technique for a Multilevel Inverter”. National Power

Martínez, R.C, 2012 “Controlador basado en el modelo matemático para el convertidor multinivel HB5 usado como filtro activo”, IICO, San Luis Potosí, México.

Mukund R. Patel. “Wind and Solar Power Systems”. CRC Press, 1999. pjmicrocontroladores.wordpress.com/2006/11/06/%C2%BFque-es-un-

microcontrolador/ Rafael Almanza Salgado, Felipe Muñoz Gutiérrez. “Ingeniería de la Energía

Solar”. El Colegio Nacional, 1994. Riad Chedid, Salmar Arman. “Unit Sizing and Control of

Hybrid Wind-Solar Power System” . IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 12 No. 1, Mar. 1997.

Roy Billinton, Rajes Karki. “Capacity Expansion of Small solated Power Systems Using PV and Wind Energy”. IEEE

Transactions on Power Systems, Vol. 16 No. 4, Nov. 2001. todoproductividad.blogspot.mx/2009/10/microcontroladores-para-

aplicaciones.html www.ecolife.co/index.php?option=com_content&view=article&id=114:como-

funciona-un-generador-eolico&catid=42:ecotecno&Itemid=54 www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Energia/EnergiasRenovables/

EnergiaSolarFotovoltaica.asp