1

Curso On Line

PRINCIPIOS DE CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA 2008

e-learning

MÓDULO 5

Sistemas Eólicos Aislados de la Red Eléctrica

CAPÍTULOS 1, 2 Y 3

Sistemas Eólicos Aislados.

Recurso Eólico y Sistemas Aislados.

Aplicaciones.

Luis Mª Arribas de Paz

División de Energías Renovables

CIEMAT

2

1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................3

1.1 SISTEMAS AISLADOS .........................................................................................3 1.2 PERSPECTIVAS DE UTILIZACIÓN ........................................................................4 1.3 CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS EÓLICO AISLADOS ...............................................5 1.4 EL RECURSO EÓLICO EN APLICACIONES AISLADAS............................................6 1.5 COMPONENTES DEL SISTEMA............................................................................7 1.6 EL AEROGENERADOR ........................................................................................9

1.6.1 El aerogenerador para uso en CA.............................................................9 1.6.2 El aerogenerador para uso en CC: el pequeño aerogenerador..............10 1.6.3 El pequeño aerogenerador como elemento del sistema. .........................16

2 CONTROL.............................................................................................................17

3 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA. ....................................17

4 BUS CC: SISTEMAS CON ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. 18

4.1 FUNCIONAMIENTO DE SISTEMAS CON ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA 19 4.2 EJEMPLO: EL SISTEMA CICLOPS...........................................................20

5 BUS CA: SISTEMAS EÓLICO-DIESEL. ..........................................................22

5.1 FUNCIONAMIENTO DE SISTEMAS EÓLICO-DIESEL............................................22 5.2 EJEMPLO: SISTEMA EÓLICO-DIESEL DE FUERTEVENTURA.............................24

6 BUS CC FRENTE A BUS CA. .............................................................................26

7 SISTEMAS SIN ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. .................26

7.1 EJEMPLO: LA RED EÓLICA AISLADA DEL PROYECTO SDAWES...27

8 LOS CONSUMOS .................................................................................................27

9 GRUPO ELECTRÓGENO ..................................................................................28

10 REFERENCIAS ................................................................................................29

11 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................30

12 DIRECCIONES WEB.......................................................................................31

3

1 INTRODUCCIÓN

1.1 SISTEMAS AISLADOS

Empezaremos este nuevo tema definiendo lo que se entiende por un sistema eléctrico aislado: es el sistema que no puede intercambiar energía eléctrica con su entorno. Puesto que en nuestro mundo la forma establecida de intercambio de energía eléctrica con el entorno es la red eléctrica, se tratará por tanto de sistemas que no están conectados a la red eléctrica, en una primera aproximación (luego veremos casos particulares en los que sí puede existir red eléctrica).

La red eléctrica supone, desde un punto de vista eléctrico, una serie de ventajas de funcionamiento para los sistemas de generación eléctrica con energías renovables en general, y con los eólicos en particular: en primer lugar, la frecuencia y la tensión del sistema son controladas por la red, evitando así la necesidad de que sea el propio sistema el encargado de mantener ambos parámetros (facilitando, en definitiva, el control); otra ventaja, relacionada con la anterior, es que la potencia reactiva para los generadores de inducción está disponible en la red, con lo que la necesidad de tener que proporcionarla para mantener estables los parámetros eléctricos también desaparece; por último, las necesidades de almacenamiento son mínimas, lo que permite prescindir de uno de los elementos más engorrosos del sistema de generación eléctrica: la acumulación. Estas ventajas han facilitado el gran desarrollo de las máquinas conectadas a red.

No obstante, históricamente la mayor parte de generadores eléctricos han estado conectados a sistemas aislados de la red. Estos generadores eólicos eran de pequeño tamaño, normalmente menores de 5 kW, y estaban tradicionalmente situados en zonas donde no está disponible la red eléctrica convencional.

Hoy en día, las formas de proporcionar electricidad a una aplicación que no disponga de red eléctrica convencional son tres:

− La extensión de la red hasta nuestra aplicación: en función de la distancia a la red más cercana, la orografía, la potencia eléctrica,…, se calcularía el coste de esta opción.

− La instalación de un grupo electrógeno: permite la generación aislada con una tecnología conocida y probada, pero con inconvenientes de mantenimiento, suministro de combustible y ruido, fundamentalmente.

− Hasta no hace muchos años, éstas eran las únicas soluciones disponibles. Ahora existe una tercera, que consiste en la inclusión de energías renovables. Esta solución puede ser independiente (sólo renovable) o complementaria (híbrida) a la del grupo electrógeno.

Para concluir esta breve introducción a los sistemas aislados de generación eléctrica, adelantar un nuevo concepto de generación en redes eléctricas convencionales muy relacionado con los sistemas aislados, que está cobrando gran importancia hoy en día: la generación distribuida. Aunque pueda parecer

4

una incongruencia, pues se trata de sistemas que sí disponen de red eléctrica convencional, lo cierto es que a medida que aumenta la potencia distribuida frente a la potencia centralizada, la red tiende a comportarse cada vez más como un gran sistema aislado.

1.2 PERSPECTIVAS DE UTILIZACIÓN

Aunque posteriormente se analizarán las perspectivas de mercado de las diferentes soluciones, sirva este apartado para motivar al lector que todavía no sea consciente del alcance del tema tratado en este capítulo. Las necesidades de la tecnología relacionada con los sistemas aislados es diferente en los países desarrollados que en los países en vías de desarrollo, como se explica a continuación. En los países desarrollados, las necesidades que se plantean son las siguientes:

− Sistemas aislados: híbridos: aunque la red eléctrica llega a la inmensa mayoría de aplicaciones, todavía existen usuarios concretos que no disponen de acceso a la electricidad (granjas, telecomunicación, turismo rural,…), para los que un sistema aislado de pequeña potencia (híbrido, normalmente) es la solución más conveniente.

− Red-Generación distribuida: pero en estos países, la gran apuesta de generación con renovables es la generación distribuida. En lo que respecta a la energía eólica, este tipo de generación incluye tanto los aerogeneradores de pequeña potencia conectados a red, como los parques de aerogeneradores de gran potencia.

− Eólico-Agua: este tercer grupo de aplicaciones de interés en países en vías de desarrollo está surgiendo en los últimos años dentro del binomio energía -agua, que incluye aplicaciones de bombeo, de desalación, de generación de hidrógeno y aplicaciones de combinación de generación eólica e hidráulica.

Por su parte, las necesidades de la tecnología relacionada con los sistemas aislados en los países en vías de desarrollo, son las siguientes:

− Electrificación rural: al existir importante cantidades de usuarios sin acceso a un suministro eléctrico estable, y dadas las importantes distancias hasta la red más cercana, un sistema aislado será la solución más viable en mucho casos. Éste será de pequeña potencia (híbrido, normalmente) para los usuarios que vivan dispersos o para

Montaje fotográfico de la superficie terrestre de noche: sirve para diferenciar claramente los niveles de electrificación de países desarrollados y países en vías de desarrollo.

5

pequeños núcleos de población, y será de mayor potencia (sistemas eólico-diesel) para núcleos de población de mayor tamaño en los que interese más una solución centralizada de mayor potencia.

− Acceso al agua: las necesidades de agua en estos países están relacionadas más con necesidades básicas, siendo las aplicaciones típicas el bombeo y/o la desalación de agua para suministro de agua potable.

1.3 CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS EÓLICO AISLADOS

A la hora de diseñar una planta aislada con energía renovable, el principio del acoplamiento en potencia es básico. En ausencia de cualquier tipo de almacenamiento, esto significa que la potencia suministrada por el sistema de generación renovable debe igualar a la consumida por las cargas. Por desgracia, no existe esa coincidencia de manera natural ya que las renovables, como el viento, tienden a producir un suministro de forma estocástica, mientras que los consumos varían según las aplicaciones, pero tienden a seguir un patrón de demanda constante y fijo. El desafío básico es por tanto crear alguna arquitectura y estrategia de control para el sistema que permita alcanzar el equilibrio de potencia. Hay tres maneras de conseguir este acoplamiento:

1. Gestión en el lado de la generación: el objetivo es suministrar a la planta la potencia que necesite en cada momento. Ello se traduce en una solución híbrida, típicamente con energía solar y eólica, además de algún grupo electrógeno y de un medio de almacenamiento (normalmente baterías). Se aplica allí donde los consumos a alimentar son principales, es decir, deben ser atendidos cuando el usuario lo requiera.

2. Gestión en el lado del consumo: el objetivo es variar la característica del consumo para que siga a la generación de potencia. Esto se puede conseguir conectando y desconectando módulos de consumo y, a parte, regulando la potencia de cada módulo. Esta gestión obviamente sólo puede ser utilizada en aplicaciones en las que no existan consumos principales, siendo los consumos regulables por el sistema (son atendidos cuando el sistema lo decide).

3. Gestión integrada: se aplica el control en los dos lados. En este caso, en el sistema coexistirían consumos principales, que necesitan ser atendidos cuando el usuario lo desea, y consumos regulables, gestionados por el control central del sistema.

Cada una de estas tres estrategias de gestión da lugar a un tipo de solución, definiendo así los tres tipos básicos de sistemas aislados que se definen a continuación y se utilizarán tanto en este capítulo como en el siguiente:

1. Sistemas con baterías, híbridos: se corresponde con la gestión en el lado del consumo, son sistemas de pequeña potencia (<50kW), y dan solución a las necesidades de electrificación rural de pequeña potencia (países en vías de desarrollo) y a las necesidades de aplicaciones aisladas (países desarrollados).

6

2. Sistemas sin acumulación eléctrica: en ellos se aplica la gestión en el lado del consumo. Dan solución a la necesidad de acceso al agua (países en vías de desarrollo) mediante sistemas de bombeo y/o desalación, y también a la unión viento-agua (en países desarrollados), en aplicaciones de desalación de agua de mar, generación de hidrógeno o generación combinada eólico-hidráulica.

3. Sistemas eólico-diesel: aplican una gestión integrada. Esta solución suele ser la adoptada en sistemas de mayor potencia, en los que una gestión energética apropiada es muy recomendable. Dan solución a las necesidades de núcleos de población de cierto tamaño (países en vías de desarrollo) y son aplicables a los problemas que ya comienza a plantear la generación distribuida (países desarrollados).

1.4 EL RECURSO EÓLICO EN APLICACIONES AISLADAS

Para el cálculo de la energía disponible en un sistema que incluya generación eólica necesitamos, evidentemente, la caracterización del recurso eólico. En función de cómo tengamos descrito el recurso eólico, así tendremos que calcular la energía disponible:

o Las distintas Administraciones (Nacional, Autonómica o Local) deben ser la fuente de información. Es necesario, como mínimo, conseguir algún valor medio de la velocidad de viento.

o Si disponemos de valores medios, ya sean mensuales, estacionales o anuales:

o Velocidad media de viento (V); se utilizará la siguiente expresión empírica para la obtención de la Densidad de Potencia Eólica (DPE), entendida como la potencia mecánica media entregada por el viento por unidad de superficie, en la escala temporal correspondiente:

DPE (W/m2) ≅ V3 con la velocidad en m/s

o Densidad de potencia eólica, DPE, (en W/m2); en algunos casos, es posible que la información disponible ya venga en este formato: en este caso, ya tenemos el dato necesario para pasar al siguiente paso.

Seguidamente (en este punto ya debemos contar con una definición de la DPE), calculamos la Densidad de Energía Eólica Diaria, DED, multiplicando la DPE calculada por el número de horas del día, con lo que obtenemos, para cada escala temporal:

DED (Wh/m2día) = 24(horas/día) * DPE(W/m2)

o Si disponemos de un histograma de velocidades de viento, o bien de una función de distribución de las mismas, se procederá al cálculo de la DED utilizando la función de distribución.

o Si se quiere realizar un estudio más detallado, se recomienda utilizar algún programa de simulación numérica de los disponibles actualmente (se recomienda el HOMER, http://analysis.nrel.gov/homer/ , por su

7

carácter gratuito, por su amigabilidad en el uso, por la herramienta de generación sintética de series de datos, y por la capacidad de realizar estudios de sensibilidad, si bien hay que hacer notar que sólo está disponible en inglés).

1.5 COMPONENTES DEL SISTEMA

Se asume que la red eléctrica es capaz de aceptar toda la potencia que se pueda generar a partir del viento; también es capaz de mantener la frecuencia y la tensión, y de proporcionar la potencia reactiva requerida. Al desconectarnos de la red, todas estas ventajas desaparecen y deben ser compensadas por un equipamiento adicional. El diseño del sistema eólico será, por tanto, diferente según sea para conexión a red o para funcionamiento aislado.

Cuando el sistema eólico opera independientemente de la red eléctrica, el carácter de las cargas es muy importante para el correcto funcionamiento del sistema. La carga debe ser capaz de asimilar la potencia tan variable entregada por el aerogenerador para que el sistema opere satisfactoriamente. Son muchas las cargas que pueden proponerse para un sistema aislado con energía eólica, y el conocimiento de sus características ayudará en el diseño del sistema. Muchas de estas cargas pueden funcionar con o sin electricidad como elemento intermedio. O sea, la salida mecánica del rotor puede conectarse directamente a una bomba de pistón para bombear agua, o bien la salida mecánica puede convertirse a electricidad, y luego volver a transformarla en energía mecánica mediante un motor eléctrico. La inmensa mayoría de aerogeneradores construidos en el pasado eran para aplicaciones no-eléctricas. El bombeo de agua o la molida de grano eran aplicaciones típicas de la energía eólica. Por el contrario, hoy en día la instalación eólica eléctrica tiende a ser el estándar, incluso en aplicaciones tradicionalmente mecánicas (en ciertos casos), como el bombeo. En este capítulo se analizarán sistemas que incluyan generación eléctrica.

Pasando ya a comentar algunas generalidades de los componentes, en lo que se refiere al control del sistema, hay que decir que se han construido muchos sistemas aislados con energía eólica sin microcomputador: la orientación por cola; el ángulo de la pala fijo; y el freno actuado de forma manual. El estado de carga de las baterías sería entonces controlado una o dos veces al día y ciertas cargas serían o no usadas en función del viento de ese día y del estado de carga. Estos sistemas tienen las ventajas de la simplicidad, fiabilidad, y mínimo coste, pero tienen los inconvenientes de requerir la constante atención humana y la eliminación de controles más optimizados que requieren un microcomputador para funcionar. El microcomputador y los sensores necesarios tienden a tener un precio fijo, independientemente del tamaño del aerogenerador. Este coste puede ser igual que el de una máquina de 3 kW, pero puede ser sólo el 10% del coste de una máquina 100 kW. Esto hace que el control computerizado sea más fácil de justificar en máquinas más grandes.

En este sistema, el microcomputador admite entradas tales como velocidad y dirección del viento, número de vueltas de la turbina, necesidades de

8

consumo, cantidad de energía en el almacenamiento, y la tensión y frecuencia suministrados a la carga. El microcomputador envía señales al aerogenerador para establecer la orientación (control de dirección) y el ángulo de la pala apropiados, así como para actuar sobre el freno en caso de vientos altos. Envía señales al generador para fijar la tensión de salida, si éste dispone de una excitación independiente. Puede desconectar cargas no críticas durante rachas de bajos vientos, así como conectar cargas especiales durante altos vientos. Puede ajustar el acondicionamiento de potencia para variar el voltaje y la frecuencia de la carga. También puede gestionar el sistema de almacenamiento para optimizar su funcionamiento.

La variedad de equipamiento para sistemas aislados es casi infinita. El generador puede ser tanto AC como DC. El acondicionamiento de potencia puede requerir convertir la salida del generador en otra forma, como puede ser un inversor para tener AC a partir de DC.

No todos los sistemas requieren un acondicionamiento de potencia. Por ejemplo, un generador DC con almacenamiento en baterías puede no necesitarlo si todas las cargas pueden trabajar en continua. Con la aparición de la red eléctrica, la mayor parte de las cargas están diseñadas para trabajar en alterna. Salvo mercados como el del automóvil, donde sí se utilizan cargas en DC, no es frecuente encontrar este tipo de equipamiento. Existe, no obstante, y no habría ningún problema técnico serio en equipar una vivienda enteramente en continua, pero el coste tiende a ser elevado debido a la escasa demanda para este tipo de equipos, comparado con el del mercado de equipos AC convencional. Suele utilizarse un inversor para convertir la tensión DC de la batería en AC.

Si nuestro generador produce AC, puede ser necesaria la utilización de un rectificador para proporcionar la corriente continua que necesiten algunas cargas o sistemas de almacenamiento. La conmutación requerida puede ser conseguida con conmutadores de estado sólido. Estos conmutadores pueden ser usados para adaptar la carga a la salida óptima del aerogenerador.

Las cargas eléctricas o las unidades de almacenamiento pueden tener elementos que operen tanto en AC como en DC, como elementos para calentamiento; o elementos sólo AC, como motores de inducción, iluminación, y la mayoría de aplicaciones; o sólo DC, como las baterías.

El aspecto económico debe ser cuidadosamente considerado en cualquier sistema aislado. En primer lugar, una determinada tarea debe ser llevada a cabo a un precio aceptable. En segundo lugar, deben ser examinadas tantas combinaciones como sea posible para asegurarse de que se ha seleccionado la combinación más económica. En tercer lugar, deben examinarse las alternativas. Esto es, un aerogenerador entrega bien potencia mecánica rotatoria, bien potencia eléctrica a una carga, y ambas son formas de energía de elevada calidad, y por tanto de alto coste. Si se desea calentar agua doméstica a 40ºC, un colector solar plano sería la opción más adecuada ya que se requiere únicamente calor de baja temperatura. Si el aerogenerador estuviera moviendo una bomba de calor o cargando baterías como función principal, utilizar la energía sobrante para calentar agua doméstica podría tener

9

sentido económicamente. La regla principal es no ir a formas de energía de calidad más alta que la necesaria para ejecutar el trabajo. Los sistemas de frecuencia y tensión fijas representan una forma de energía más elevada que aquellos de frecuencia y/o tensión variables, así que las necesidades reales de los consumos deben ser examinadas para determinar exactamente cómo de sofisticado debe ser realmente el sistema. Si un sistema más sencillo es capaz de conseguir la tarea que se busca a menor precio, debe ser usado.

Se procede a continuación a comentar los principales aspectos de los componentes principales:

o El aerogenerador o El control o El sistema de acumulación o Topologías del sistema:

- El camino en continua (bus CC), con la descripción de este tipo de sistemas

- El camino en alterna (bus AC), con la descripción de este tipo de sistemas

- Bus CC frente a bus AC - Sistemas sin acumulación de energía eléctrica

o Los consumos o El grupo electrógeno

1.6 EL AEROGENERADOR

Puesto que este capítulo trata sobre sistemas eólicos, el aerogenerador será un componente siempre presente en nuestras configuraciones. Esto no significa que tenga que ser siempre así en un caso real. En un caso real, habrá que seleccionar la mejor solución de abastecimiento eléctrico, y ésta puede que incluya un aerogenerador o no. Pero aquí sólo se estudian, de todas las

posibles soluciones, aquellas que sí incluyen aerogenerador. En función de la configuración del sistema, se diferencia aerogenerador para uso en continua y aerogenerador para uso en continua.

1.6.1 El aerogenerador para uso en CA

La tecnología de aerogeneradores para uso en alterna en sistemas aislados, no es en esencia diferente de la tecnología para conexión a la red eléctrica convencional, también en alterna. Existen diferencias fundamentalmente en cuanto a la fortaleza de la

Aerogenerador de 50 Kw en la Planta de Ensayo de Sistemas Eólicos Aislados, en el CEDER

10

red a la que se conecta el aerogenerador: en el caso de red convencional, se trata de una red muy fuerte en comparación con la potencia del aerogenerador, mientras que en un sistema aislado, la red será normalmente más débil, siempre en comparación con la potencia del aerogenerador.

Por lo demás, es de reseñar que el principal obstáculo que existe en sistemas con aerogeneradores para conexión en alterna en el rango de potencias más frecuentes en sistemas aislados de este tipo (50<P<250 kW), es la dificultad que existe de encontrar fabricantes de aerogeneradores en esta escala. Y eso que, no hace muchos años, éste era el tipo de aerogenerador más frecuente. Pero el gran desarrollo en la tecnología de aerogeneradores de conexión a red, y en el tamaño de los mismos (actualmente aerogeneradores de más de un megavatio ya son normales), han hecho que este rango de potencias haya quedado obsoleto, siendo pocos los fabricantes que todavía incluyen aerogeneradores de estas potencias en sus catálogos, a pesar de que existe un gran mercado en aplicaciones eólico-diesel y en la utilización con redes débiles.

En lo que respecta al aerogenerador, se hace hincapié en el pequeño aerogenerador ya que el aerogenerador de media o gran potencia está descrito en el resto del curso.

1.6.2 El aerogenerador para uso en CC: el pequeño aerogenerador

A pesar del rápido desarrollo de los medianos y grandes aerogeneradores conectados a la red que está teniendo lugar, los sistemas eólicos para generación eléctrica en áreas sin acceso a la red (sistemas descentralizados

en áreas rurales o países en vía de desarrollo) han experimentado un desarrollo mucho mas lento.

Las razones son múltiples, mercados menos atractivos, mayor dificultad técnica, desarrollos realizados por pequeñas empresas sin acceso a las sofisticadas herramientas de diseño, etc. Es necesario un esfuerzo continuado en la puesta a punto de la tecnología existente, que permita disminuir los costes de estos pequeños aerogeneradores y aumentar su fiabilidad, al igual que una adaptación de los mismos a las condiciones de funcionamiento en las distintas aplicaciones aisladas posibles.

Los sistemas eólicos para funcionamiento aislado presentan una problemática claramente diferenciada respecto de los sistemas conectados a red. En el caso de instalaciones conectadas a red, la planta eólica suministra la energía de acuerdo a las condiciones de viento. En el caso de instalaciones aisladas hay que cubrir las necesidades de la demanda por lo que son necesarios sistemas de acumulación y regulación. Por otro lado es importante recordar que en los sistemas aislados, el emplazamiento y el consumo viene

11

fijado por la localización y la aplicación, frente a los sistemas conectados a la red eléctrica, en los cuales se selecciona el mejor emplazamiento posible y no hay limitación de energía generada, salvo limitaciones de potencia impuestas por la propia red eléctrica o por el control del flujo de energía a través de la red.

La tecnología, y específicamente los aerogeneradores, para funcionamiento aislado, es diferente de la tecnología desarrollada para sistemas conectados a red. Las diferencias afectan en la práctica totalidad de los susbsistemas, con especial incidencia en el sistema eléctrico y de control, si bien afecta así mismo al diseño del rotor de los aerogeneradores. Se han de tener en cuenta las limitaciones existentes respecto a la selección del emplazamiento, que como se ha comentado en los sistemas aislados viene determinada por el lugar donde se encuentra la aplicación, y como norma general los emplazamientos donde se instalan estos sistemas disponen de menores velocidades de viento que en

los parques eólicos conectados a red. Todo esto influirá en el diseño de los aerogeneradores, que primará el arranque a baja velocidad de viento, y la optimización de la producción en la zona de bajos vientos, ante la optimización de la producción específica (kWh/m2).

Las normas de certificación de aerogeneradores del Comité Electrotécnico Internacional (IEC), IEC 61400, diferencian los pequeños

aerogeneradores (IEC 61400-2), definiéndose como para producción de electricidad, “aeroturbinas eólicas con una superficie de captación inferior a 200 m2“ (16 m de diámetro), lo que contempla aerogeneradores de hasta 50-100 kW.

El mercado de los pequeños aerogeneradores es un mercado prometedor. Hay un número creciente de fabricantes de pequeños aerogeneradores, y actualmente los fabricantes de grandes aerogeneradores empiezan a realizar incursiones en este sector, atraídos por las posibilidades del nuevo mercado.

En el caso de sistemas eólicos para electrificación rural (redes locales), ya se están instalando aerogeneradores similares a los utilizados en las plantas conectadas a red, en paralelo con grupos diesel.

Existen disponibles en el mercado más de sesenta modelos de aerogeneradores, con potencias unitarias desde el más pequeño de 20 W, hasta 100 kW. A continuación se presenta un análisis de las soluciones adoptadas en el diseño de los aerogeneradores para cada uno de los subsistemas del mismo, analizándose las opciones mas frecuentemente utilizadas en los modelos existentes en el mercado actual.

12

Rotor La mayor parte de los aerogeneradores en el mercado son aerogeneradores

de eje horizontal a barlovento, si bien existen modelos comerciales en el mercado de eje horizontal a sotavento, así como de eje vertical (Solavent, Windside).

La tecnología utilizada en los aerogeneradores de eje horizontal varía desde rotores de dos palas, hasta rotores de 6 palas, cubriendo todas las soluciones intermedias: 3, 4 y 5 palas. El mayor número de modelos corresponde con aerogeneradores tripalas y bipalas, utilizándose mayor número de palas en los aerogeneradores de potencia nominal inferior a 250W. Los aerogeneradores de dos palas presentan generalmente niveles más altos de ruido aerodinámico, lo que condiciona su uso en muchas aplicaciones.

El material de las palas es mayoritariamente fibra de vidrio/poliéster, y en algunos casos madera.

Generador La mayoría de los diseños de pequeña potencia usan conexión directa entre

el rotor del aerogenerador y el generador eléctrico, sin existencia de caja de multiplicación, si bien se han localizado algunos diseños con una multiplicadora de dos etapas. En los aerogeneradores de baja potencia (< 3kW) el tipo de generador utilizado prácticamente en la totalidad de los diseños es un alternador de imanes permanentes de 4, 6, 8 o 10 polos. En el caso de aerogeneradores en el rango de los 3-30 kW, si bien hay una tendencia generalizada al uso de alternador de imanes permanentes (Bergey, Westwind, Proven, LMW), también se utiliza la opción de generadores de inducción (Australian Energy 5 kW, Conergy, SMA, Vergnet).

Sistema de regulación de velocidad La norma UNE-EN 61400-2 en su apartado sobre protección de los

aerogeneradores dice textualmente: “Deben utilizarse uno o más sistemas de protección si es necesario para mantener el aerogenerador dentro de los límites de diseño. En particular, deben existir medios disponibles para prevenir que se supere la velocidad límite de rotación de cálculo”. Existe una gran variedad de soluciones utilizadas para regular la potencia y la velocidad de giro en los pequeños aerogeneradores. Entre ellas se incluyen:

“Sin regulación”, en la que el aerogenerador se diseña para poder soportar las cargas que se produzcan en todas las condiciones de operación, incluidas las velocidades de giro que puedan presentarse en funcionamiento en vacío.

13

“Regulación por desorientación” en el que el eje del rotor esta desalineado con el plano horizontal respecto a la dirección del viento incidente. Existen distintas soluciones para que se produzca esta desorientación del rotor, si bien la más utilizada es mediante un diseño en el que el centro de empuje del rotor no queda alineado con el centro del rodamiento de orientación.

“Regulación por cabeceo”, similar al anterior, pero en el que la desalineación se produce en el plano vertical.

“Regulación por cambio de paso”. Similar al utilizado en los aerogeneradores más grandes, aunque en su mayoría se utilizan sistemas de cambio de paso pasivos, en los que la variación del ángulo de ataque de las palas se produce mediante sistemas centrífugos. Actualmente se ensayan soluciones en las que se eliminan los rodamientos en el encastre de las palas diseñando el cuello de la pala con baja resistencia a torsión, lo que permite que las cargas que actúan sobre la pala, sean capaces de producir giro de la misma sobre su eje.

“Regulación por pérdida aerodinámica”, similar a la utilizada en grandes aerogeneradores.

Los sistemas más utilizados son por cabeceo del aerogenerador debido al empuje, y por cambio de paso centrífugo y eléctrico.

El punto clave en los pequeños aerogeneradores es conseguir una regulación adecuada mediante sistemas pasivos, puesto que las soluciones con mecanismos activos de paso variable, similar a los empleados en los aerogeneradores de mayor tamaño, dan lugar a diseños más complejos, y por tanto, más caros y con mayor labor de mantenimiento.

Sistema de Frenado La norma UNE-EN 61400-2 en su apartado sobre protección de los

aerogeneradores dice textualmente: “El fabricante deberá precisar un procedimiento seguro para detener el aerogenerador,”. Asimismo, define freno como “mecanismo capaz de reducir la velocidad del rotor o detener la rotación".

Existe una cierta indefinición, pues se ha encontrado frecuentemente en la documentación técnica descriptiva de los aerogeneradores, que los fabricantes indican el sistema de control de velocidad como sistema de frenado, lo que de acuerdo con la definición de la norma resultaría correcto, pero que no sería suficiente para detener el aerogenerador en todas las condiciones de funcionamiento.

En los aerogeneradores que tienen un único sistema de frenado, la solución mayoritaria es mediante cortocircuito del generador eléctrico.

14

En el caso en que tengan dos sistemas de frenado, el principal es el freno mecánico o aerodinámico mediante posicionamiento de las palas en la posición de bandera. Para sistema secundario se utiliza freno mecánico, aerodinámico o por cortocircuito del generador eléctrico, dependiendo fundamentalmente de la solución utilizada para el sistema de frenado principal.

Sistema de Orientación El sistema de orientación más utilizado para los aerogeneradores de eje

horizontal a barlovento es por veleta de cola. El timón veleta de orientación utilizado es, indistintamente, recto o elevado (con el fin de disminuir la acción de la estela del rotor sobre el timón.

En los aerogeneradores a sotavento la orientación se produce por la acción del viento sobre el rotor, si bien aparecen inestabilidades difíciles de controlar.

Torre soporte Respecto al tipo de torre encontramos una amplia dispersión, usándose

torres atirantadas o autoportantes, tubulares y de celosía. Es práctica habitual que el fabricante oferte diferente tipo de torres, de acuerdo a las características del emplazamiento. Lo mismo ocurre respecto a la altura de la torre. Así es posible encontrar casos en los que el mismo modelo se ofrece con torres de 6, 8, 12, 18, 24, 30 y 40 metros.

15

Control La misión del control del aerogenerador es adaptar y, si es posible, optimizar

la generación eólica a la carga. Una visión teórica de cómo optimizar la generación eólica se presenta en la figura:

En ella, se conectarían distintas cargas en función de la energía eólica disponible, optimizando así la generación al consumo (este ejemplo sólo sería realizable para una aplicación como producción de calor, o similar).

Ea

+

Va -

jXs Rs

+

Ra1 Ra2 Ra3 Ra4

16

En la realidad, las soluciones que más se utilizan se muestran a continuación:

w

PMGControl de carga

RectificadorBatería

Consumo

Control con circuito abierto: a través de un control de carga se puede, por un

lado, conseguir la protección de la batería frente a sobrecargas y, por otro lado, optimizar la generación eólica a través del control del aerogenerador.

Control con carga de volcado: ésta sólo busca proteger a la batería frente a sobrecargas, derivando a una carga de volcado el excedente de energía.

1.6.3 El pequeño aerogenerador como elemento del sistema.

Como conclusión del estudio presentado, el aerogenerador tipo de pequeña potencia sería: Aerogenerador de eje horizontal, tripala a barlovento, con un generador síncrono de imanes permanentes, orientado por timón de cola y con regulación de la velocidad mediante cabeceo. Dispondría de sistema redundante de frenado, siendo uno de los sistemas un freno mecánico. El aerogenerador se ofrecería con diferentes tipos de torre soporte y alturas de buje.

Esto, desde el punto de vista del sistema, tiene dos consecuencias de gran interés:

− Se trata de una fuente de tensión de frecuencia y tensión variables: esto se traduce en que él mismo no es capaz de proporcionar una señal estable, con lo que es el sistema el encargado de conseguir que el aerogenerador

w

PMG

Control de carga

RectificadorBatería Consumo

17

trabaje en una zona de funcionamiento adecuada, e incluso en la zona óptima de funcionamiento.

− Sólo regula por velocidad de viento: los sistemas de protección y regulación del aerogenerador normalmente son todo-nada, esto es, llegadas determinadas condiciones (altos vientos, altas vueltas), actúan. Pero en el resto de situaciones no regulan.

2 CONTROL

Una vez que se ha analizado el aerogenerador, se pasa a la descripción de los demás componentes que pueden aparecer en un sistema eólico aislado, comenzando por la descripción del control del sistema.

El principal problema para el control de sistemas de generación eléctrica aislados con renovables es ser capaz de asegurar el suministro eléctrico a pesar de las grandes variaciones en la potencia generada, causadas por la naturaleza estocástica de las fuentes renovables, manteniendo al mismo tiempo el voltaje y la frecuencia dentro de unos límites aceptables. Más aún, la optimización de la operación supone la selección de la mejor combinación de componentes para conseguir un balance en el flujo de energía, cumpliendo unas metas fijadas de antemano y respetando los límites y las restricciones que la operación del sistema impone.

Se separan los aspectos relacionados con el control en dos grupos: aquellos relacionados con el control dinámico en la escala de segundos o milisegundos (control de tensión y frecuencia, estabilidad de red, etc.); y aquellos relacionados con la estrategia de operación, en la escala de varios segundos a horas (para optimizar la operación del sistema).

De todos los componentes presentes en un sistema aislado, quizás sea el control el que tiene una dependencia mayor con el tamaño (i.e., coste) de la instalación. Así, para los sistemas de pequeña potencia, se recurre a controles lo más sencillos posible, con objeto de no encarecer el sistema. A medida que el tamaño del sistema es mayor, se introducen sistemas de control más sofisticados, hasta llegar al control de sistemas eólico-diesel, en los que es frecuente encontrar sistemas de control basados en PC, con la posibilidad de realizar una gestión energética del sistema y de utilizar sofisticados algoritmos de control.

3 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA.

La utilización conjunta de energías renovables con sistemas de almacenamiento siempre ha estado asociada a sistemas renovables autónomos o aislados de la red, ya que la necesidad de abastecer la demanda de energía al 100% independientemente del recurso instantáneo obligaba a disponer de un sistema de almacenamiento.

Si hacemos una clasificación de los distintos sistemas de almacenamiento existentes atendiendo a la tecnología tenemos:

18

− Sistemas electroquímicos: en esta tecnología se incluye todo tipo de baterías tanto convencionales (plomo-ácido) como avanzadas diseñadas para mejorar en términos de densidad de potencia y energía.

− Sistemas electromecánicos: almacenadores cinéticos basados en volantes de inercia convencionales fabricados en acero o avanzados fabricados con materiales compuestos. En el caso de volantes de acero de bajas vueltas (de 3.000 a 5.000 rpm), este tipo de sistemas van normalmente acoplados directamente al eje que une el motor diesel y el generador síncrono o acoplados a través de una transmisión mecánica que les permite variar su velocidad en un estrecho margen. En el caso de volantes de velocidad variable y normalmente mayor, éstos están acoplados eléctricamente mediante un convertidor electrónico bidimensional que permite variar la velocidad de rotación del volante en un ancho margen (de 30.000 a 50.000 rpm), pudiendo disponer de más energía útil. La autonomía normal de operación puede alcanzar algunos minutos dependiendo de la potencia requerida.

− Sistemas de almacenamiento de energía mediante agua: bombeo de agua a cierta altura para luego turbinarla cuando se requiera la energía.

Sin embargo, debido a la necesidad de disponer de sistemas de almacenamiento específicos dependiendo de la aplicación, de la autonomía requerida o de su potencia, se han desarrollado en los últimos años otras tecnologías de almacenamiento que actualmente se presentan en versiones pre-comerciales en algunos casos, en proyectos de demostración en otros o incluso comerciales. De entre todas ellas, sin duda es la combinación de almacenamiento de hidrógeno junto con pila de combustible la que ha alcanzado una mayor notoriedad y la que presenta unas mejores perspectivas de utilización. Hay que decir, no obstante, que a día de hoy, y para aplicación en sistemas eólicos aislados, su coste todavía resulta demasiado elevado, y siguen siendo bien las baterías electroquímicas para sistemas de pequeña potencia, bien los volantes de inercia para sistemas eólico-diesel, los que más se utilizan. Como conclusiones respecto al almacenamiento, se destacan:

− El almacenamiento de energía suele ser el factor fundamental al implementar sistemas de alimentación aislados con energías renovables

− Antes de seleccionar el tipo y el tamaño del sistema de almacenamiento, hay que considerar el objetivo

− En la mayor parte de los casos, las baterías son todavía la tecnología más competitiva

4 BUS CC: SISTEMAS CON ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.

No es sencillo definir lo que es el “bus (camino de potencia) CC (en continua)” o, de forma más precisa, no es sencillo definir qué sistema es con bus CC y cuál no. El bus CC suele ser típico de sistemas de pequeña potencia (típicamente sistemas de potencia menor de 10 kW). Y estos sistemas suelen utilizar baterías como sistema de almacenamiento. Por ello, suelen asociarse

19

los sistemas con bus en continua con aquellos que incorporan baterías. No obstante, no es imprescindible la presencia de baterías para que un sistema incorpore el bus en continua.

Puesto que los aerogeneradores de pequeña potencia generan normalmente en corriente alterna (AC), es necesario un equipo rectificador para los sistemas con bus CC. Así mismo, dado que hoy en día la mayor parte de los consumos son también AC, es necesario un equipo inversor en este tipo de sistemas.

Una ventaja importante del bus en continua es que puede utilizarse como colector de distintas tecnologías (fotovoltaica, varios aerogeneradores, o incluso otras como pilas de combustible,…) de forma sencilla, ya que utilizar una frecuencia nula (corriente continua) supone la imposición de un único parámetro: la tensión de trabajo.

4.1 FUNCIONAMIENTO DE SISTEMAS CON ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

En estos sistemas, la batería desarrolla un papel fundamental: aparte del evidente papel que desempeña como sistema de acumulación de energía, actúa también como sistema de regulación de tensión. En el siguiente esquema puede observarse una de las configuraciones utilizadas en sistemas con acumulación de energía eléctrica.

La batería es una fuente de tensión estable, que mantiene la tensión continua dentro de un rango relativamente pequeño (tensión nominal ± 20 %). El resto de los componentes, aerogenerador y/o generador fotovoltaico, se amoldan a la tensión impuesta por el balance energético en bornas de la batería. No es necesario ningún control externo para que se produzca el

REGULADOR EÓLICO

REGULADOR FOTOVOLTAICO

GENERADOR FOTOVOLTAICO

20

balance de potencia, siendo las leyes de balance eléctrico junto con la variación de la impedancia de la batería las que gobiernan el balance energético en cada momento.

No obstante, el funcionamiento descrito es el que se podría denominar funcionamiento normal, es decir, cuando la batería no está ni muy cargada ni muy descargada. El funcionamiento en estos dos estados de carga de la batería, los que podríamos denominar funcionamientos especiales, es diferente. Los fabricantes de baterías aconsejan que se evite en la medida de lo posible el que la batería siga cargándose cuando ya está cargada y el que la batería siga descargándose cuando está descargada. La razón por la que aconsejan esto es la disminución en la vida de la batería que se produce en caso contrario.

Esto explica la presencia de los reguladores eólico y fotovoltaico. Su misión es proteger a la batería frente a la situación de sobrecarga. En este caso, detectado normalmente por la consecución de una elevada tensión de la batería, los reguladores deben impedir que se siga produciendo la carga ilimitada de la batería. Para ello, pueden impedir el paso de potencia alguna a la batería (así lo hacen los más burdos), o pueden limitar el paso de potencia a la batería, permitiendo sólo el paso de la potencia necesaria para mantener el balance energético y la batería en estado de carga completa (así lo hacen los reguladores más finos).

4.2 EJEMPLO: EL SISTEMA CICLOPS

Es un sistema que comercializa la empresa Ecotècnia. En el siguiente esquema unifilar se representa la configuración del sistema.

21

Los principales componentes de este sistema híbrido son, además del grupo electrógeno, que no aparece en las fotos:

Batería: 120 V, C20 = 585 Ah.

Aerogenerador de 7.5 kW.

Generador FV de 5 kWp

Cargadores solar y eólico

con seguimiento de punto

de máxima potencia

22

5 BUS CA: SISTEMAS EÓLICO-DIESEL.

La otra opción, el otro tipo de bus, es el bus CA (ó AC, en inglés) en el que el camino de potencia es en alterna; en estos casos, es posible que exista un paso por continua desde la generación al consumo, incluso es posible la presencia de baterías, pero el acoplamiento de las distintas tecnologías se produce en alterna, no en continua, y el almacenamiento es de corto plazo. El caso típico de sistemas con bus CA es el de sistemas eólico-diesel.

En estos sistemas la conexión del aerogenerador suele ser directamente en alterna, y el grupo diesel desempeña un papel esencial en el funcionamiento del mismo (a diferencia de los sistemas de pequeña potencia, en los que es un elemento de apoyo).

5.1 FUNCIONAMIENTO DE SISTEMAS EÓLICO-DIESEL

En la siguiente figura puede verse un esquema de un sistema eólico-diesel estándar, que se utilizará para explicar el funcionamiento de este tipo de sistemas:

GS

Grupo electrógeno

Embrague

GA

GeneradorAsíncrono

Aerogenerador

Cargas dedisipación

Paso fijo

ControlAerogenerador

Controlvelocidad

Controldiesel

Generador síncrono

Consumos

380 VAC

50 Hz

Controlde potencia

Bombeo de agua

Desalación de agua

Como ya se ha repetido, un objetivo primordial en sistemas aislados es

mantener la estabilidad eléctrica. Veamos cómo se consigue: en este tipo de sistemas la red es inicialmente establecida al arrancar el grupo diesel. En ese momento, una vez arrancado, la red ya está establecida, y los consumos pueden ser conectados. Tendríamos una red alimentada con un grupo diesel (MODO SOLO DIESEL), como miles de la existentes en todo el mundo. La tensión y la frecuencia de la red eléctrica son mantenidos por los controles del grupo diesel.

Una vez hecho esto, el control general del sistema puede dar el permiso al control del aerogenerador para que se conecte a la red cuando él lo estime oportuno (normalmente, cuando haya suficiente viento durante un determinado

23

tiempo). Estaríamos ahora ante el MODO EÓLICO-DIESEL. La potencia generada a partir del viento es consumida por las cargas, siempre y cuando la potencia de consumo sea mayor que la potencia eólica. La tensión y la frecuencia de la red eléctrica siguen siendo mantenidos por los controles del grupo diesel.

Pero, ¿qué ocurre si es mayor la potencia eólica que la consumida?. Puesto que, normalmente, el grupo no será capaz de consumir potencia, ese exceso de potencia debe ser consumido por algún otro componente. De ahí la necesidad de las cargas de disipación. Estas cargas pueden ser no-útiles (cargas resistivas) o cargas útiles como sistemas de bombeo o desalación de agua, típicamente. Sigue siendo la regulación del diesel la encargada de mantener la estabilidad eléctrica, pero debe existir un control que se encargue de derivar a las cargas de disipación y/o cargas controladas el exceso de energía. Hasta aquí se ha expuesto una de las filosofías de funcionamiento de los sistemas eólico-diesel. Está claro que la energía generada por el aerogenerador se traducirá en un ahorro del combustible consumido por el grupo diesel. La filosofía de funcionamiento descrita hasta aquí es la que utilizan los sistemas eólico-diesel de baja penetración eólica. En ellos, el estudio económico de viabilidad del sistema se determina a partir del ahorro de combustible derivado de la energía eólica entregada.

Pero el grupo diesel tiene un consumo de combustible mínimo, incluso sin generar electricidad (al ralentí) equivalente al consumo con el 30% de carga nominal. Por tanto, interesa ser capaces de desconectar el motor del grupo diesel, para que el ahorro de combustible sea aún mayor. En este caso, si durante un determinado tiempo la potencia eólica supere la potencia consumida, el motor sería separado mecánicamente (mediante un embrague) del generador síncrono, permitiendo así poder para el motor. Aparece la necesidad de incorporar un sistema de almacenamiento de energía, para disponer de una garantía de suministro para el tiempo transcurrido desde que la potencia consumida se hace mayor que la potencia eólica hasta que el motor es arrancado y unido nuevamente al generador síncrono. Este intervalo de tiempo dura típicamente unos segundos, por lo que se requiere un almacenamiento de corto plazo (volante de inercia o baterías, normalmente). Esta otra filosofía de funcionamiento es la que se conoce como sistemas eólico-diesel de alta penetración eólica.

En este modo de funcionamiento, denominado MODO SÓLO EÓLICO, la estabilidad eléctrica se consigue de la siguiente forma:

− La frecuencia es controlada manteniendo un balance de potencia mediante:

o cargas de volcado

o control de energía al/del sistema de almacenamiento

o un aerogenerador de potencia controlable

− El voltaje se controla manteniendo un balance de potencia reactiva mediante:

24

o regulación de voltaje del diesel (esta es la razón por la que se deja conectado el generador síncrono del grupo diesel, para que intervenga en la regulación de voltaje de la red)

o compensación electrónica

5.2 EJEMPLO: SISTEMA EÓLICO-DIESEL DE FUERTEVENTURA

La aplicación es abastecer de electricidad para iluminación pública y privada, desalación de agua de mar y alimentar una cámara de frío para almacenar pescado, en un pequeño pueblo de pescadores denominado Puerto de la Cruz, en la península de Jandía en el extremo Sur de la isla de Fuerteventura.

Esquema general del sistema eólico-diesel

El sistema dispone de:

§ un único aerogenerador cuyas principales características técnicas son: rotor tripala a barlovento, paso variable, caja multiplicadora, generador asíncrono de doble bobinado (225 kW, 50 kW).

§ dos grupos electrógenos diesel de 75 KVA de potencia de salida cada uno. Estos alternadores están accionados por dos motores diesel de 140 C.V. cada uno, a 1500 r.p.m. El acoplamiento mecánico entre el motor diesel y el alternador se efectúa mediante un embrague electromagnético, accionado desde el control de forma que se puedan desacoplar ambos. En el mismo

380 V/ 380V

250 KVA50 Hz

ALUMBRADOPUBLICO

4KW

ALUMBRADOPRIVADO

(min:10 KW max 70 KW)

PLANTA DEDESALACIÖN

DE AGUA DE MAR56 m3/día - 16,5 KW

PLANTA DE TRATAMIENTO

DE AGUA RESIDUAL25 m 3/dia - 3 KW

OTRAS CARGAS5 KW

CAMARA DE FRIOY PRODUCCION

DE HIELO

SISTEMADE

CONTROL

AEROGENERADORVESTAS V27 225/50

GENERADORASINCRONO

225 / 50 KVA 380 V

CAJAMULTIPL.

CAMBIODE PASO

CARGAS DE VOLCADO100 KW

MULTICONVERTIDORES

EMBRAGUEELECTROMAGNETICO

VOLANTEDE INERCIA

TRANSFORMADORDE AISLAMIENTO

GENERADORSINCRONO

GENERADORSINCRONO

75 KVA

GENERADORSINCRONO

75 KVA

VOLANTEDE INERCIA

25

eje, en el lado del alternador se encuentra un volante de inercia que da estabilidad al sistema y limita el número de ciclos de arranque/parada del motor diesel debido a las fluctuaciones instantáneas de la velocidad de viento y de la demanda instantánea de energía por parte de los consumos. Estos grupos diesel pueden operar solos o en paralelo, en cuyo caso deben sincronizarse y efectuar el reparto de potencia reactiva.

§ Como ya se ha dicho, cada grupo diesel dispone de un sistema de almacenamiento a corto plazo inercial mediante un volante de inercia de las siguientes características: acero, diámetro de 1400 mm, 4356 kg., 1500 r.p.m (+/- 2%), 75 kVA, Energía almacenada: 13,7 MJ (3,8 KWh), Energía útil: 1,0 MJ (0,27 kWh).

§ Para abastecer la demanda de agua potable se pensó en diseñar una pequeña planta de desalinización de agua de mar. De forma que no se consumiera combustible en el proceso de desalación del agua de mar, se implementó en el control del sistema una condición de operación del módulo de ósmosis inversa: la planta de desalación de agua de mar solo debería operar cuando hubiera suficiente velocidad de viento durante un determinado periodo de tiempo, de forma que el aerogenerador operará de forma autónoma, evitando la producción de agua potable a partir de la operación de los grupos diesel. A la hora de evaluar los posibles consumos de energía, se detectó la necesidad de una cámara de frío, ya que la principal actividad de los habitantes del poblado, hasta la fecha, era la pesca. Pescado que vendían normalmente a turistas, el mismo día de su captura, dada la imposibilidad de conservarlo. Además se diseñó una pequeña fábrica de hielo por razones obvias. Por último se incluyó en el proyecto la infraestructura de iluminación pública.

§ El sistema de control está compuesto físicamente por múltiples sensores, transformadores de corriente y tensión, convertidores y multiconvertidores, integradores para registrar el flujo de energía en distintos puntos, tarjetas con entradas y salidas digitales y entradas y salidas analógicas, contadores, dispositivos de protección, tarjetas de acondicionamiento y por último un ordenador industrial, en el cual se encuentra implementado el programa de control. El programa de control consiste en un programa principal, que una vez realizado el proceso de inicialización, da la orden de arranque a los grupo diesel, sincronizándolos. Inmediatamente después, mediante una subrutina se efectúa el chequeo y la adquisición de datos de todos los parámetros previstos. Dichos parámetros se envían al ordenador mediante comunicación serie con los distintos controles de los distintos componentes del sistema: PLC del aerogenerador y sistema de control de los grupos diesel. Todo el procedimiento se puede seguir en la pantalla del ordenador en tiempo real. Así mismo el sistema dispone de alarmas en caso de superar determinados límites bien sea por mala operación o avería.

26

6 BUS CC FRENTE A BUS CA.

En la siguiente tabla se presenta una comparación entre los usos de los sistemas con bus en continua y bus en alterna.

Bus AC Bus DC

Escala >50 kW Pequeños sistemas

Camino energía Directo Inversor

Complejidad de control

Imprescindible control activo

Relativamente simple.

Coste Normalmente, competitivo con sólo-diesel

Suele ofrecer energía 24 horas donde no existía. Se toleran precios mayores

7 SISTEMAS SIN ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.

Una desventaja de usar el viento como fuente de energía es la considerable variación de la velocidad de viento. En muchos casos el almacenamiento de energía para solventar esta desventaja es demasiado caro. Si el producto de un proceso accionado por energía eléctrica puede ser fácilmente almacenado, es posible un almacenamiento bastante más barato.

El hecho de no disponer de acumulación de energía eléctrica, y dada la alta variabilidad del recurso eólico, significa que los sistemas que analizamos en este punto no pueden alimentar cargas críticas, o sea, cargas que deben poder ser alimentadas en cualquier momento del día, cualquier día del año salvo que exista algún sistema de apoyo (grupo electrógeno) que, en principio, supondremos que no existe.

Se trata, por tanto, de sistemas cuyo resultado más valioso no suele ser la electricidad en sí, sino algún otro producto que permita ser almacenado de manera fácil y económica; típicamente frío/calor o agua (hielo, agua desalada o depurada, agua en un depósito) son los productos almacenados.

Y este hecho, el no ser la electricidad generada el producto principal, se traduce en que son normalmente sistemas de frecuencia y tensión variables, lo que permite que el sistema sea menos sofisticado que los que requieren tensión y frecuencia fijas.

Las aplicaciones correspondientes a esta configuración, son típicas de sistemas aislados con energía eólica sin baterías; no obstante, podrían funcionar como sistemas con baterías (con tensión y frecuencia constante, de calidad más elevada), y no habría más que suponer los consumos como cargas en el tratamiento del sistema.

27

7.1 EJEMPLO: LA RED EÓLICA AISLADA DEL PROYECTO SDAWES

La idea de alimentar una red eléctrica sólo con energía eólica, sin combustibles fósiles, y manteniendo unos parámetros eléctricos, una calidad de energía de la red, similar a los de la red eléctrica convencional, resulta especialmente atractiva.

Pero la razón de este gran interés no se detiene en el campo de los sistemas aislados, sino que entronca con los usos de sistemas conectados a red, con la alta penetración de la generación eólica e, incluso, con el mítico 100% de generación renovable en redes convencionales.

Un sistema de este tipo, con dos aerogeneradores de 240 kVA cada uno, está instalado en la planta de ensayos del ITC-CIEA en Pozo Izquierdo, Las Palmas de Gran Canaria, dentro del Proyecto SDAWES (Sea Water Desalination Plants Connected To An Autonomous Wind Energy System).

En este caso el sistema suministra energía a varias plantas de desalación de agua de mar, con distintas tecnologías (osmosis inversa, compresión de vapor y electrólisis).

Este sistema dispone de un almacenador cinético que le permite eliminar las fluctuaciones de la potencia de salida y genera la referencia de red para la perfecta operación de los aerogeneradores

8 LOS CONSUMOS

El cálculo de los consumos es la primera tarea que hay que realizar al abordar el diseño de un sistema híbrido aislado: es el componente del sistema que más influye sobre el diseño. Para realizar el diseño, se necesita conocer:

BUS CA

M

GS Volantede inercia

Convertidorde frecuencia

Control

CARGA 1

Aerogenerador

SAI

CARGA 2

CARGA 3

Convertidores

28

• la carga pico: Los componentes del sistema, especialmente el cableado y el acondicionamiento de potencia, deben dimensionarse de modo que el sistema pueda entregar la carga pico, sin sufrir daño.

• la carga promedio : El promedio de la carga conducirá al tamaño de los componentes de producción de energía y puede también influir en la selección de los componentes. Los sistemas FV son más competitivos al satisfacer cargas muy pequeñas, mientras que los aerogeneradores y los grupos electrógenos resultan más competiti vos con cargas algo mayores.

• la distribución anual y diaria de la carga: Las cargas del verano y las diurnas favorecen al FV. Las cargas de invierno son más apropiada para grupos electrógenos y si el invierno es ventoso los aerogeneradores son una buena opción. Si los recursos eólicos y solares fueran estacionalmente complementarios (por ejemplo, si el recurso del viento fuera bueno durante la estación de baja insolación) entonces un sistema híbrido FV-viento puede ser muy apropiado.

• la calidad del servicio necesario: La calidad del servicio se refiere a la capacidad de los sistemas para satisfacer la carga dadas las variabilidades en las fuentes solares y eólicas. Para un sistema de 100% de ER el costo puede ser excesivo si se necesita muy alta calidad de servicio. Si los componentes del sistema, especialmente el almacenamiento, están dimensionados para el caso más adverso posible, el sistema deberá sobredimensionarse a todos los otros componentes.

Es fundamental tener los consumos de la manera más definida posible, para que el diseño se ciña al posterior uso lo más posible. No obstante, no siempre es fácil disponer de todos los datos necesarios, por lo que existe una tendencia a intentar aglomerar los innumerables posibles casos en unos pocos casos, que constituyen los consumos tipo.

El primer punto que hay que resaltar en cuanto a los consumos de un sistema aislado, es la eficiencia energética. Si en aplicaciones conectadas a red es importante, en el caso de sistemas con energías renovables es crucial, tanto que la inversión que supone utilizar dispositivos más eficientes compensa rápidamente y con creces el aumento de inversión que supondría sobre la generación renovable el utilizar equipos convencionales habitualmente utilizados en el sector residencial, o sea, no eficientes.

9 GRUPO ELECTRÓGENO

El grupo electrógeno es la forma clásica de obtener energía eléctrica en una aplicación aislada de la red eléctrica. Por tanto, se trata de sistemas que, con un mantenimiento y un uso adecuados, son muy fiables. A pesar de sus ventajas tiene un inconveniente básico en aplicaciones aisladas, que es la necesidad de desplazamiento para reposición de combustible y mantenimiento preventivo. Esto da lugar a que en situaciones determinadas dejen de ser competitivos respecto a otras soluciones, aparte de las cuestiones medioambientales de contaminación atmosférica y ruido.

29

Tradicionalmente se ha visto al grupo electrógeno como la “competencia” de las energías renovables, dado que suele ser la opción frente a la que se compara en el estudio económico. Pero puede darse otro enfoque que ve al grupo electrógeno justo como un mercado para las energías renovables, donde los potenciales clientes ya están identificados, así como sus consumos (evitando una labor que no siempre resulta fácil).

Hoy en día, existe un grado de electrificación a escala mundial, de gran importancia tanto en cuanto a número de unidades como en cuanto al número de personas electrificadas de esta forma, que consiste en el suministro eléctrico con un grupo electrógeno. El grupo puede funcionar permanentemente, o un número limitado de horas al día.

En el caso de sistemas de pequeña potencia, sistemas con acumulación de energía eléctrica, en lugares donde no existe suministro alguno de electricidad, a la hora de diseñar y evaluar económicamente el sistema híbrido óptimo, el grupo electrógeno suele ser considerado como posible grupo auxiliar de apoyo, es decir, para proporcionar la energía que el sistema de generación renovable (y con la acumulación de las baterías) no es capaz de suministrar en el momento que se le requiere. La influencia de la presencia del grupo auxiliar en el dimensionado del sistema es notable, en lo relativo al tamaño del generador renovable y de la batería, principalmente. Normalmente, son criterios económicos los que determinan si es conveniente o no su presencia, y el tamaño óptimo en caso de que la presencia sea adecuada.

En el caso de aplicaciones eólico-diesel, la viabilidad del sistema se realiza en función del ahorro de combustible que trae consigo la incorporación de energía eólica a un grupo diesel, normalmente existente antes del estudio, junto con otros aspectos como el mantenimiento, el coste del transporte de combustible, emisiones, etc.

Los grupos electrógenos están formados por una máquina que mueve un generador eléctrico. Constan, además, de un sistema de refrigeración, depósito de combustible, batería de arranque y panel de control. Existen diferentes tipos de grupos, según el combustible con el que funcionan: diesel, gasolina, propano y biocombustible. Los grupos electrógenos tienen la ventaja de suministrar energía sobre la demanda sin necesidad de baterías. Comparados con los aerogeneradores y los módulos fotovoltaicos, los grupos que funcionan con combustibles fósiles tienen bajos costos de capital inicial, pero altos costos de operación y mantenimiento.

10 REFERENCIAS

[1] Varios autores, (2003), Desarrollo tecnológico de sistemas aislados con energía eólica. Serie Ponencias. Editorial CIEMAT. Madrid

[2] Avia F., Cruz I. (1998) Estado del arte de la tecnología de pequeños aerogeneradores Documento Técnico CIEMAT. Ref. 875

[3] Johnson G.L. (1985). Wind Energy Systems. Prentice Hall. Englewood.

30

[4] EC (1998). Desalination guide using renewable energies. European Communities

[5] Carlin P.W., Laxson A.S., Muljadi E.B. (2001) The History and State of the Art Technology of Variable-Speed Wind Turbine. NREL/TP-500-28607

[6] Handbook for battery energy storage photovoltaic power systems. (1981) Bechtel National, Inc. S.Francisco-California.

[7] Amador Guerra J., (2000), Análisis de los parámetros técnicos en la aplicación de los sistemas de información geográfica a la integración regional de las energías renovables en la producción descentralizada de electricidad. Tesis Doctoral

[8] Jiménez A.C., Olson K. (1999) “Energía Renovable para Centros de Salud Rurales”. NREL/BK-500-25233

[9] EC (1998). “Desalination guide using renewable energies”. European Communities

[10] Holz R., Gervorgian V., Drouilhet S., Muljadi E., (1998) “Wind electric icemaking Project: Analysis and Dynamometer Testing Volume I”. NREL/TP-500-24010-Vol I

[11] Föllings F.J., Smulders P.T., (1984) “Wind energy and cooling”, Proceedings European Wind Energy Conference, Hamburgo, 624-628.

[12] Rapson J.E, Graigner W. (1989), “High reliability wind turbine systems”. Proceedings European Wind Energy Systems, Glasgow1989

[13] Gevorgian, Corbus, Drouilhet, Holz, Thomas (1998). “Modeling, testing and economic analysis of a wind-electric battery charging station”. Windpower 98. NREL/CP-500-24920

[14] Thompson G.A., Singh D., (1996) “Opportunities for solar Photovoltaics” in the Asian Region. Japanese-Australian Workshop on Solar Energy, Perth

[15] Kruse A. (1998). “Trade winds turn on the lights - wind home systems in action. Renewable” Energy World, Septiembre 1998, Pags 26-29

[16] Proceedings Village Powe r Conference 2000, Washington [17] Cruz I., Arribas L.M., Gonzalez A., Calero R. et al, (1996), “Hybrid Wind

Diesel System for a Village in the Canary Islands: Operation Results and Conclusions”, European Wind Energy Conference (Goteborg, 1996)

[18] Fiffe R. P., Arribas L.M., Cruz I., Avia F. (2001), “A Review Of Wind Electric Pumping Systems (WEPS): CIEMAT’s Activities”, European Wind Energy Conference (Copenhague, 2001)

[19] Arribas L.M., Cruz I., Calero R., Subiela V., Carta J.A., Beekmann A., Infield D., McCourt M (2000) “The SDAWES project: a hybrid system?”, European Wind Energy Conference (Kassel, Germany, 2000)

11 BIBLIOGRAFÍA

[1] Varios autores, (2000), Fundamentos, Dimensionado y Aplicaciones de la Energía Solar Fotovoltaica. Serie Ponencias. Editorial CIEMAT. Madrid

31

[2] Lorenzo E. (1994). Electricidad Solar: ingeniería de los sistemas fotovoltaicos. PROGENSA, SA. Sevilla.

[3] Gipe P. (1993). Wind Power for Home & Business. Chelsea Green Publishing Company, Vermont.

[4] Varios autores, (2003), Desarrollo tecnológico de sistemas aislados con energía eólica. Serie Ponencias. Editorial CIEMAT. Madrid

[5] Mahon L.L.J. (2001). Diesel Generator Handbook. Butterworth Heinemann.

[6] Gipe P. (1999). Wind Energy Basics: a Guide to Small and Micro Wind Systems. Chelsea Green Publishing Company, Vermont.

12 DIRECCIONES WEB

[1] www.bergey.com: además de ser BERGEY uno de los principales fabricantes mundiales de pequeños aerogeneradores, en esta página web puede encontrarse mucha información sobre los sistemas eólicos de pequeña potencia. En ingles.

[2] www.bornay.com: principal fabricante español de aerogeneradores de pequeña potencia, con aerogeneradores desde 250 W hasta 6000 W en su catálogo. Últimamente ha ampliado su oferta con módulos fotovoltaicos y equipos electrónicos. Dispone de sistemas de bombeo tanto mecánico como eléctrico.

[3] www.solener.com: empresa especializada en las energías renovables de pequeña potencia (eólica, fotovoltaica y últimamente también hidráulica). Es el otro fabricante español de aerogeneradores de pequeña potencia, con potencias hasta 15 kW y sus respectivos reguladores. También instalan aerobombas para extracción de agua. Página web nº1 en el Top50 de páginas web solares.

[4] www.windeco.es: empresa de relativamente nueva aparición centrada en la fabricación de un modelo de 5 kW, el VENTO 5000, incorporando diseños avanzados en sus componentes.

[5] www.ecotecnia.com: famoso fabricante de aerogeneradores de gran potencia, pero que conserva un grupo de sistemas aislados. En pequeña potencia, distribuye los aerogeneradores Bergey en España y ofrece el sistema integral CICLOPS, para la generación eléctrica autónoma híbrida eólico-solar-diesel, de aplicación en zonas aisladas de la red eléctrica.

[6] http://www.rsvp.nrel.gov/rsvp/: “Renovables para Electrificación Rural Sostenible” es una página del laboratorio de Energías Renovables NREL, en la que se puede encontrar gran cantidad de información sobre sistemas aislados en general, y sobre sistemas eólicos aislados en concreto también. En inglés.

[7] www.homepower.com muy interesante revista electrónica gratuita (o casi) dedicada a todos los aspectos energéticos para una casa, desde vehículos eléctricos al suministro con renovables de todo tipo, incluida la eólica, por supuesto. En inglés

[8] http://www.eere.energy.gov/windandhydro/windpoweringamerica/wind_diesel_day1.asp (en inglés, conferencias sobre Eólico-Diesel). En inglés

32

MÓDULO 5

Sistemas Eólicos Aislados de la Red Eléctrica

CAPÍTULO 4

Sistemas Eólicos de Bombeo.

Pablo Fiffe Verdecia

División de Energías Renovables

CIEMAT 2008

33

1 TIPOS DE SISTEMAS EÓLICOS DE BOMBEO. ..........................................34

1.1 MOLINO DE VIENTO MULTIPALA TRADICIONAL O AMERICANO.......................34 1.2 AEROBOMBAS DE MANUFACTURA INFORMAL.................................................35 1.3 SISTEMA DE BOMBEO EOLO-ELÉCTRICO ........................................................35

2 PASOS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE BOMBEO.....................36

3 CAMPOS DE APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS EÓLICOS DE BOMBEO …………………………………………………………………………………… 39

4 DISEÑO Y SELECCIÓN DE UN SEB: DATOS DE ENTRADA..................40

5 CÁLCULO APROXIMADO DEL DIÁMETRO DEL ROTOR EÓLICO.......41

6 CÁLCULO APROXIMADO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO.......43

34

1 TIPOS DE SISTEMAS EÓLICOS DE BOMBEO.

1.1 MOLINO DE VIENTO MULTIPALA TRADICIONAL O AMERICANO

Este es el más común de los molinos de viento, su desarrollo tuvo lugar entre 1850 y 1930 y es conocido como el Molino de Viento Americano (American Farm Windpump).

Este tipo de máquina extrae la potencia del viento con un rotor compuesto por 12 – 24 o más palas, que mueve una bomba de pistón a través de una barra vertical. El acoplamiento entre el rotor y la barra se realiza mediante un mecanismo de biela-manivela con reducción a través de engranes (ver diapo 40). La utilización de la caja reductora hace más versátil a la máquina y adecuada para bombear agua a grandes profundidades. Por otro lado la baja velocidad de trabajo hace la máquina más fiable por el menor desgaste por fricción de los elementos de la bomba y la disminución de las roturas por fatiga. Los engranajes giran en un baño de aceite lubricante que debe ser revisado periódicamente. En conclusión, estas máquinas requieren un mantenimiento mínimo.

El diámetro del rotor de estos molinos se fabrica entre 2 y 5 m generalmente, pudiendo llegar excepcionalmente hasta 10m.

Estas máquinas pueden ser instaladas en sitios con bajas velocidades del viento, entre 2 y 5 m/s. A pesar de las bondades de estos molinos, poseen una serie de problemas, como veremos a continuación

En algunos casos, la bomba que se acopla al molino, es también de funcionamiento manual, con el fin de garantizar el suministro de agua en períodos de calma del viento.

Actualmente los principales fabricantes de estas máquinas en el mundo son: Australia, Africa del Sur, EE.UU. y Argentina. Desventajas del molino de viento tradicional

o La construcción es muy pesada debido a las necesidades de alto par requerido por la bomba y en otros casos por el uso de una tecnología de fabricación obsoleta, lo que influye en los altos costes tanto en la propia máquina como en el transporte e instalación.

o La tecnología no es fácil de reproducir en países con bajo desarrollo industrial.

o Tiene poca resistencia al polvo y la arena que penetra en el mecanismo de transmisión. El agua salobre puede reducir considerablemente la vida útil de los sellos de la bomba (6-12 meses).

35

o El molino de viento debe ser ubicado sobre el pozo o cercano a él, es decir, no tiene flexibilidad para instalar el rotor en un sitio mas ventoso. Esto es una desventaja importante, en el caso de terrenos irregulares.

1.2 AEROBOMBAS DE MANUFACTURA INFORMAL

Este tipo de aerobomba se caracteriza por su simplicidad y por su fabricación con materiales disponibles localmente. Los diseños pueden ser originales o modelos simplificados, según los existentes, para adaptarlos a las disponibilidades locales.

o Los materiales de construcción son de gran variedad, pueden emplearse por ejemplo madera u otros materiales que se trabajan de forma artesanal con un mínimo de facilidades. La mayor parte de estas aerobombas no usan caja reductora de velocidad sino simplemente un cigüeñal rudimentario o un sistema de leva.

o Evidentemente la fiabilidad y el comportamiento es pobre en la mayor parte de los casos, las ventajas son los bajos costes y el fácil mantenimiento por el propio usuario.

o La aplicación de estas máquinas está restringida para bajas cargas de bombeo.

1.3 SISTEMA DE BOMBEO EOLO-ELÉCTRICO

Hay un gran número de fabricantes de aerogeneradores para sistemas aislados que recomiendan el uso de sus equipos acoplados a electrobombas para el trasiego de líquidos, los denominados Sistemas Avanzados de Bombeo Eolo-eléctrico.

Estos se componen de un aerogenerador produciendo potencia eléctrica y alimentando al motor eléctrico que mueve una bomba con o sin baterías y otros equipos de conversión de potencia.

Las principales ventajas con respecto a los sistemas mencionados anteriormente son:

Ventajas

o Mayor flexibilidad en cuanto a la ubicación. Se puede situar el aerogenerador en el lugar más ventoso aún cuando esté alejado del pozo.

o Mayor eficiencia de bombeo (10 – 12 %).

o Incremento del volumen de agua bombeada, mayores cargas,

36

debido a la posibilidad de usar rotores de mayor diámetro (de más de 10 m).

o Mayor versatilidad en su uso (bombeo, iluminación, etc.)

o Mayor fiabilidad.

o Menor requerimiento de mantenimiento.

Las desventajas principales son:

o Mayor coste de la inversión inicial.

o Para la instalación y el mantenimiento se necesita personal especializado.

o Necesita mayores velocidades del viento para operar (v > 4 m/s).

2 PASOS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE BOMBEO

o Demanda de agua:

El primer paso en el diseño de cualquier sistema hidráulico consiste en estimar las necesidades de volumen de agua a bombear. El consumo diario de agua en diferentes periodos del año debe ser estimado, además del crecimiento de este consumo en un futuro próximo, que debe ser igualmente satisfecho por el sistema diseñado. La estimación debe ser hecha teniendo en cuenta el consumo de agua doméstico y otras necesidades tales como riego, abasto de agua para el ganado y otros propósitos agrícolas y sociales si existieran, en el período de diseño, por ejemplo 10…20 años.

El período de diseño es el tiempo en que no se ampliará el sistema. En otras palabras si otra bomba va a ser instalada dentro de 10 años, entonces el período de diseño es de 10 años.

o Evaluación del recurso eólico

El segundo paso consiste en recopilar y analizar los datos de viento disponibles y extrapolarlos al sitio donde se va a hacer la instalación. Como ya se ha explicado en este curso, se pueden presentar varias situaciones en este sentido. La más común es que, al evaluar el recurso eólico, los datos de que se disponen, provengan de las estaciones meteorológicas cercanas al sitio de emplazamiento. Generalmente en éstas se pueden encontrar las velocidades medias de cada mes y además es posible determinar los valores de la desviación estándar mes por mes, promediando para un período de tiempo que debe ser de mayor de 5 años. A partir de esos datos se realiza la extrapolación espacial y se estiman las velocidades medias mensuales del viento, los valores de k y C de la distribución de Weibull y la potencia media disponible del viento en el sitio; de esta forma se determina además la velocidad media del mes de diseño.

37

Evidentemente lo más adecuado seria realizar mediciones en el propio sitio, lo cual por lo general no es posible.

o Evaluación del recurso hídrico

Consiste en determinar la disponibilidad y la cantidad de agua que puede extraerse sin riesgo de que se agote la fuente

o Dimensionado

En los apartados 0 y 0 se desarrollan tanto el cálculo de los datos de entrada como la estimación del diámetro del rotor eólico. En el apartado 6 se aborda el cálculo aproximado del tanque de almacenamiento.

o Factibilidad técnica

Consiste en comparar el diámetro calculado, con los diámetros de rotores comercialmente disponibles con el fin de verificar si es factible técnicamente.

Se selecciona el más cercano, por exceso

o Diseño y selección de componentes

Un sistema de bombeo eólico mecánico se compone además del rotor de otros elementos que es necesario diseñar o seleccionar. Los elementos más importantes son: transmisión, bomba, torre, y tanque de almacenamiento.

Si en lugar de un sistema de bombeo mecánico analizamos un sistema eléctrico tenemos que un sistema de bombeo eolo-eléctrico esta compuesto fundamentalmente por: -Aerogenerador

- Conexión eléctrica aerogenerador/bomba y sistema de control

- Electrobomba hidráulica

- Tanque de agua

En este caso tendríamos que seleccionar el aerogenerador y la electrobomba hidráulica. El tanque de agua se selecciona de la misma forma que para el bombeo mecánico.

El tipo de conexión eléctrica aerogenerador/bomba y sistema de control depende de la clase de corriente que entregue el aerogenerador (CA o CC) y de la corriente con que trabaje la electrobomba.

El caso más común y comercial es el sistema “ conexión directa” que emplea corriente alterna tanto en el aerogenerador como en la electrobomba y el sistema de control solo controla la frecuencia que entrega el aerogenerador

38

con el fin de evitar que la electrobomba trabaje con baja velocidad de rotación y por lo tanto con baja eficiencia. Por lo general los controladores de frecuencia limitan ésta, a un mínimo de un 30% de la frecuencia nominal.

o Análisis económico

En cualquier tipo de sistema de bombeo existen dos tipos de costes los costes son: costes capitales y costes recurrentes.

Los costes capitales son todos aquellos costes en que se incurre desde que el sistema de bombeo es comprado, hasta que es instalado.

Los costes recurrentes son los relacionados con la operación, el mantenimiento y reparación durante la vida útil del sistema de bombeo, incluyendo piezas de repuesto, coste de combustible, salarios, transportes, etc.

En la Tabla se presentan los diferentes gastos en que incurre en cada ambas categorías.

Tabla 5.11 Costes capitales y recurrentes.Costes capitales - Terreno

- Preparación del terreno- Cimentación- Equipo de bombeo- Tanque de almacenamiento- Equipo que proporciona la potencia- Tuberías y accesorios- Instalación y montaje

Costes recurrentes - Artículos de consumo como combustibles,lubricantes, etc.

- Salarios- Transporte- Piezas de repuesto

El objetivo del análisis de costes es comparar el coste del metro cúbico de agua bombeado según las diferentes alternativas que existen para el bombeo de agua en lugares aislados.

Actualmente las tecnologías disponibles y más difundidas para el bombeo de agua en lugares aislados son las siguientes:

39

1 – Extensión de la red eléctrica hasta el sitio.

2 – Motobombas diesel.

3 – Bombas solares fotovoltaicas.

4 – Molinos de viento o aerobombas.

5 – Bombas manuales.

6 – Bombas movidas por animales.

3 CAMPOS DE APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS EÓLICOS DE BOMBEO

Se presenta según la clasificación anterior, los campos de aplicación aproximados de cada uno de los sistemas eólicos analizados.

En función de la velocidad media de viento disponible en el emplazamiento, y de la potencia hidráulica necesaria, el esquema que se presenta puede resultar orientativo para seleccionar la opción eólica de bombeo más

apropiada.

Como se puede observar los sistemas avanzados de bombeo eolo-eléctrico son más adecuados para regímenes de viento medios-altos y demanda de gran potencia. Mientras que los sistemas mecánicos resultan más convenientes para regímenes de viento bajo-medio y aplicaciones de baja potencia.

0.1 1 10 1002

3

4

5

10

PotenciaHidráulica

en kW

Velocidad delviento en m/s

Sistemas Avanzados deBombeo Eolo - eléctrico

Competencia deambos sistemas

Aerobombas Mecánicas

No factible enningún caso

40

4 DISEÑO Y SELECCIÓN DE UN SEB: DATOS DE ENTRADA

El procedimiento que veremos aquí, puede ser aplicado tanto para aerobombas mecánicas como para sistemas eolo-eléctrico de bombeo (para cualquier tipo de sistema de bombeo eólico).

En este paso se realiza un estimado de la energía requerida sobre la base de la (1)demanda de agua y de (2)la carga total de bombeo:

1. El consumo diario promedio de agua (m3/día) se debe determinar según lo explicado antes, en diferentes períodos del año (mes, trimestre, estación del año, etc.) donde se incluye la demanda de agua para todos los usos el sitio de estudio.

2. Además se calcula la carga de bombeo que incluye la carga estática más las pérdidas en las tuberías para las condiciones del lugar. El requerimiento para el bombeo de agua se expresa en termino de m3m/día, el denominado Producto Volumen Carga, que es una medida de la energía requerida para el bombeo.

La carga total de bombeo es la suma de cuatro alturas.

Estas son:

1. Nivel estático del manto freático

2. Descenso del nivel de agua

3. Altura del agua en el tanque de

almacenamiento: Esta es la altura

del nivel del agua en el tanque,

medida desde el nivel del suelo.

4. Pérdidas hidráulicas en las

tuberías: Esta es la cantidad

suplementaria de carga, necesaria

para vencer la fricción entre el agua y

las paredes de la tubería y en los

accesorios.

Las pérdidas hidráulicas dependen de varios factores:

1 – Longitud de la tubería.

2 – Diámetro de la tubería.

3 – Caudal de agua a través de la tubería.

Alturadel tanque

Alturaestática del

manto

Descensodel manto

Pérdidashidráullicas

41

4 – Densidad y viscosidad del agua que circula.

5 – La rugosidad de la pared interior de la tubería.

Existen muchas formulas, nomogramas y ábacos para la determinación de éstas perdidas. Uno de los ábacos más difundidos universalmente es el conocido diagrama de Moody.

Cuando no se posee toda la información sobre el descenso y las pérdidas hidráulicas, una estimación preliminar de la suma del descenso más las pérdidas, se hace, considerándola, un 10 – 15 % de la suma de la altura estática más la altura del tanque.

5 CÁLCULO APROXIMADO DEL DIÁMETRO DEL ROTOR EÓLICO

El cuarto paso contempla el cálculo aproximado del diámetro del rotor de la turbina eólica requerida y un análisis de factibilidad técnica del sistema, en dependencia del requerimiento total para el bombeo de agua (PVC) y la velocidad del viento del mes de diseño.

Cálculo aproximado del diámetro de rotor.

La potencia que requiere una masa de agua para ser elevada a una altura H es:

P = ρagua g H Q

Donde

Potencia requerida por el bombeo de agua, P(W)

Densidad del agua, ρagua(kg/m3), se toma igual a 1000 kg/m3.

Aceleración de la gravedad, g(m/s2).

Carga total de bombeo, H (m)

Caudal o gasto demandado, Q (m3/día)

Por otro lado, si el coeficiente de potencia Cp se multiplica por la eficiencia mecánica del molino y la eficiencia de la bomba, el resultado es la eficiencia total del sistema η. Sustituyendo la velocidad cúbica media por el cubo de la velocidad media al cubo, multiplicada por el FPE e introduciendo la eficiencia total del sistema se obtiene:

ηρ ⋅⋅⋅⋅⋅= AFPEvPa 3

21

(5.5)

42

Donde

Potencia entregada por el molino, Pa (W)

Densidad del aire, ρ (kg/m3)

Velocidad media del viento, V (m/s)

Factor Patrón de Energía, FPE

Área de rotor, A (m/s)

Eficiencia del sistema, η (%)

Como ya se sabe, el valor de k puede resultar difícil de determinar por lo que se recomienda el valor de k = 2, y del FPE = 1.91.

La selección de la velocidad del viento mensual de diseño puede ser ahora determinada. El mes de diseño es el mes donde la razón entre la potencia disponible del viento y el producto volumen carga (PVC) alcanza el valor mínimo. Lógicamente, si el sistema satisface las necesidades en este mes, satisfará el resto de los meses.

Si el producto volumen carga es constante para todos los meses, el mes de diseño será, el mes de menor potencia disponible del viento.

k FPE1.2 3.991.4 3.031.6 2.481.8 2.142.0 1.912.2 1.752.4 1.632.6 1.532.8 1.463.0 1.403.2 1.363.5 1.304.0 1.235.0 1.15

Valores del Factor Patrón de Energía

Con lo que, igualando la potencia requerida para bombear el agua con la potencia que debe entregar el molino de viento y despejando el área del rotor,

43

A, y del ella el valor del diámetro, D, se obtiene (se ha tomado la densidad del agua como 1000 kg/m3):

La fórmula anterior puede ser simplificada de la siguiente manera:

En el caso del bombeo eléctrico se puede estimar η = 12 % y por tanto C = 2.

6 CÁLCULO APROXIMADO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

Los tanques de almacenamiento en los sistemas de bombeo eólico cumplen dos funciones:

-Absorber los períodos de fluctuación del gasto entregado por el molino de viento garantizando un flujo constante.

-Almacenar el agua bombeada por la aerobomba durante el período de tiempo cuando el agua no es usada directamente.

Para cumplir estas funciones el tanque debe ser lo suficientemente grande. El tamaño del tanque va a estar en dependencia de las siguientes informaciones:

1 - frecuencia de los períodos de calma en cada mes

2 - Duración del período de calma más largo.

3 - Demanda diaria de agua.

El período de calma se define como el intervalo de tiempo durante el cual la aerobomba no funciona, debido a que la velocidad del viento es insuficiente para vencer el par de arranque de la bomba. En la mayor parte de los sitios es frecuente que los períodos de calma no sobrepasen los tres días.

La capacidad del tanque de almacenamiento se calcula usando la siguiente fórmula:

ηρπ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅=FPEv

QHgD

aire3

2

21

4246.3

(5.8)

FPEv

QHCD

⋅

⋅⋅= 3 (5.9)

Donde C es una constante. Considerando g = 9.81 m/s2 , la densidad del aire 1.2 kg/m3 y η = 8 % (bombeo mecánico) se obtiene el valor de C = 3.01.

44

Capacidad del demanda diaria período de calma

Tanque = de agua X más largo

Para el cálculo de la altura del tanque debe tenerse en cuenta, el sistema de tuberías, que éste alimentará después.

En la fase de pre-proyecto el volumen del tanque (W) se puede calcular simplificadamente como:

W = Bd (1+tc max); m3

donde:

Bd - demanda media de agua al día, m3/h

tc max - tiempo máximo de viento no explotable para un tipo de aerogenerador dado, h

Los resultados así obtenidos son muy aproximados y no permiten optimizar económicamente el volumen del tanque. Más exactos, aunque más dificultosos, son los métodos de cálculo, que consideran en una escala temporal, la producción (Q) y consumo de energía ó demanda (B) que es de agua en nuestro caso, con el cálculo de los déficit (D) y sobrantes (S) correspondientes.

45

MÓDULO 5

Sistemas Eólicos Aislados de la Red Eléctrica

CAPÍTULO 5.

Aspectos legales, económicos y medioambientales.

Instalación de Sistemas Aislados;

Operación y Mantenimiento.

Luis Cano Santa Bárbara

División de Energías Renovables

CIEMAT

2008

46

1. ASPECTOS LEGALES, ECONÓMICOS Y MEDIOAMBIENTALES.......47

1.1. ASPECTOS LEGALES.................................................................................47 1.1.1. Aerogenerador: ........................................................................................47 1.1.2. Paneles fotovoltaicos: .............................................................................48 1.1.3. Generador diesel. ....................................................................................48 1.1.4. Otros componentes: ................................................................................49

1.2. ASPECTOS ECONÓMICOS..................................................................................49 1.2.1. Aerogenerador: ........................................................................................50 1.2.2. Paneles fotovoltaicos. .............................................................................51 1.2.3. Generador diesel. ....................................................................................52 1.2.4. Otros componentes: ................................................................................52

1.3. ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES.......................................................................53

2. INSTALACIÓN DE SISTEMAS AISLADOS. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. .....................................................................................................54

2.1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................54 2.2. ASPECTOS A TENER EN CUENTA PARA REALIZAR UNA INSTALACIÓN ÓPTIMA 54

2.2.1. Anclaje del aerogenerador .....................................................................54 2.2.2. Estructuras soporte de aerogeneradores. ...........................................56

2.3. CARGAS..........................................................................................................56 2.3.1. Dimensionado del cable de salida de potencia. .................................59 2.3.2. Ruido..........................................................................................................62 2.3.3. Problemas de instalación de los convertidores y las baterías. ........63 2.3.4. Protecciones.............................................................................................64 2.3.5. Sistemas de frenado de emergencia....................................................68

2.4. OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS AISLADOS........................................................68 2.4.1. Aerogenerador .........................................................................................68 2.4.2. Grupo diesel .............................................................................................69 2.4.3. Baterias .....................................................................................................69 2.4.4. Convertidores ...........................................................................................70 2.4.5. Modulos fotovoltaicos..............................................................................70

2.5. MANTENIMIENTO. ..............................................................................................71 2.5.1. Aerogenerador .........................................................................................72 2.5.2. Grupo diesel .............................................................................................74 2.5.3. Baterias .....................................................................................................76 2.5.4. Convertidores ...........................................................................................78 2.5.5. Modulos fotovoltaicos..............................................................................79

47

1 ASPECTOS LEGALES, ECONÓMICOS Y MEDIOAMBIENTALES. 1.1 ASPECTOS LEGALES

La instalación de un sistema híbrido en nuestro país está supeditada a una

serie de reglas y de requisitos imprescindibles para poder cumplir con la legalidad. Puesto que un sistema híbrido es un sistema formado como ya se ha dicho por varias partes, se explica a continuación las contingencias comunes para cada parte.

1.1.1 Aerogenerador Puesto que el aerogenerador de pequeña potencia es un sistema de generación eléctrica que viene producida por el viento, a efectos legales se tienen las mismas consideraciones que en las promociones de los parques, y en este aspecto cada Comunidad Autónoma establece unos principios y normas básicas que debe de cumplir tanto, el terreno, como las máquinas para decidir como, cuando y donde se pueden colocar aerogeneradores de pequeña potencia. Como ejemplo, se puede destacar el RD 189/1997 de Castilla y León, de 26 de septiembre, por el que se regula el procedimiento para la autorización de las instalaciones de producción de electricidad a partir de la energía eólica que fue publicado en el BOCYL 187, de 30-09-97, donde se dispone en el artículo 2 que si las potencias de autoconsumo son de más de 100 kW o existen más de 3 aerogeneradores, o se coloca dentro de un Espacio Natural, se deberá realizar un proyecto. Igualmente ocurre en Aragón con el RD 279/1995, de 19 de diciembre, de la Diputación General de Aragón, por el que se regula el procedimiento para la autorización de las instalaciones de producción de energía eléctrica a partir de la energía eólica, en el ámbito de la Comunidad Autónoma de Aragón. Y en algunas otras Comunidades como Galicia, Navarra, Castilla La-Mancha existen decretos similares. Aunque si exceptuamos las especificaciones dadas por estos decretos, la situación más cotidiana hoy en día es que los aerogeneradores se suelen colocar en fincas y normalmente de uno en uno, y puesto que al final no son nada más que un generador eléctrico que genera en baja tensión, es decir, menos de 1000 Ven AC o 1500 V en DC, deberán cumplir cuantas leyes y reglamentos estén vigentes en cada momento. Actualmente, el más importante en el ámbito nacional es el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, aprobado por RD/842/2002 en el que se dan las directrices técnicas para instalar este tipo de máquinas. Para cumplir la legalidad de la instalación a nivel seguridad de la máquina, el aerogenerador debería cumplir la norma UNE 61400-2 “Aerogeneradores. Parte 2: Seguridad de los pequeños aerogeneradores”, donde se dan las directrices para poder asegurar que un aerogenerador está perfectamente diseñado, para aguantar los empujes del viento, y donde se define la Clase del aerogenerador que va de I a IV en función de la velocidad media del emplazamiento donde se vaya a instalar. Así un aerogenerador diseñado para aguantar Clase IV (velocidad media =6 m/s) no tiene por que aguantar en un emplazamiento definido como clase I (velocidad media =10 m/s). Además de las directrices dadas en la Norma UNE, existe una normativa europea relativa a la seguridad de máquinas en los Estados miembros que es la 89/392/CEE, con varias modificaciones hasta la última aprobada

48

98/37/CE, donde se dan las reglas a cumplir en el ámbito de seguridad y marcado CE de todas las máquinas incluidos los aerogeneradores. La nueva directiva 2006/42/CE que deroga esta última debe ser de obligado cumplimiento a partir del 29 de siembre de 2009.

1.1.2 Paneles fotovoltaicos La instalación de paneles fotovoltaicos actualmente está prácticamente asociada a la producción de energía eléctrica para venta a red. No obstante, y aunque en un sistema híbrido la utilización de paneles fotovoltaicos va a estar conectada a un bus DC, normalmente con acumulación en baterías, ambas instalaciones, la de conexión a red y la de sistemas aislados se rigen por las mismas normativas. La norma fundamental de la utilización de paneles fotovoltaicos para producción de energía eléctrica, es en España el el RD 661/2007 publicado en el BOE el día 26 de mayo de 2007, en el que se expone la metodología de actualización y sistematización del régimen jurídico y económico de la producción de energía eléctrica en régimen especial. En cuanto al diseño, deben cumplir las directivas establecidas en la norma IEC 61215:2006 “Módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino para uso terrestre. Cualificación del diseño y homologación” para módulos fabricados con silicio o la norma IEC 61646: “Módulos fotovoltaicos de lámina delgada para aplicaciones terrestres. Cualificación del diseño y aprobación de tipo.” Para la determinación de las curvas I-V, es decir de la potencia del módulo existen hoy en día dos procedimientos. El primero basado en la norma IEC-60904-1: “Determinación de la característica I/V de los módulos fotovoltaicos” y el segundo según la “Referencia Radiométrica Mundial” del ESTI (European Solar Test Installation). Si hablamos de la Compatibilidad Electromagnética de estos equipos, en cuanto a las directivas europeas que se tienen que cumplir están: la directiva 89/336/CEE del Consejo, de 3 de mayo de 1989, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de compatibilidad electromagnética y su posterior modificación en la directiva 93/68/CEE, y la derogación de ambas en la directiva 2004/108/CE.

1.1.3 Generador diesel Puesto que un generador diesel es una máquina que tiene partes móviles, deberá cumplir al igual que los aerogeneradores con la norma sobre seguridad de las máquinas 98/37/CE. Pero además debe cumplir con las directivas sobre compatibilidad electromagnética 2004/108/CE y con la de baja tensión 73/23/CEE y su modificación posterior 93/68/CEE. En España, esta última directiva europea se corresponde con el RD 154/1995, de 3 de febrero, por el que se modifica el Real Decreto 7/1988, de 8 de enero, por el que se regula las exigencias de seguridad del material eléctrico destinado a ser utilizado en determinados limites de tensión

49

1.1.4 Otros componentes

1.1.4.1. Baterías

En el caso de las baterías, existen muchas normas asociadas principalmente a cuales sean los componentes químicos que forman de ella. Hablando de baterías en general, están las normas IEC 60086-1 “Pilas eléctricas. Parte 1. Generalidades” y IEC 60086-2 “Pilas eléctricas. Parte 2. Especificaciones físicas y eléctricas.” En cuanto a los diferentes tipos (Pb-Acido, Ni-Cd, Ni-Metal Híbrido, etc) hay varias normas IEC de obligado cumplimiento, por ejemplo la norma IEC 60095-2 “Baterías de acumuladores de plomo, de arranque. Parte 2: Dimensiones de las baterías y dimensiones y marcado de los bornes.” Mención especial para este tipo de sistemas tienen las normas de instalaciones fotovoltaicas como es la norma IEC 61427 “Acumuladores para sistemas de conversión fotovoltaicos de energía (PVES). Requisitos generales y métodos de ensayo.”, que es la norma que se puede seguir para instalar las baterías en sistemas híbridos. Por ultimo, y no menos importante esta la norma IEC 61508 “Seguridad funcional de los sistemas eléctricos/electrónicos/electrónicos programables relacionados con la seguridad.”, de la parte 1 a la 7.

1.1.4.2. Inversores

Los inversores como ya se ha dicho son los elementos que nos van a permitir transformar la corriente continua de las baterías en corriente alterna útil para la mayoría de las cargas que hoy en día existen. Están formados básicamente de tiristores de algún tipo, y demás avaramente electrónica, por lo que deben cumplir las normativas de compatibilidad electromagnética (CEM). En España existe el RD 1580/2006 que regula la CEM de los equipos eléctricos y electrónicos. En la Unión Europea se tiene que cumplir la Directiva 2004/108/CE, que viene a dar las directrices y normas UNE involucrados en cómo afectan las emisiones electromagnéticas a los demás equipos, como deben protegerse de ellas.

1.1.4.3. Reguladores

Para reguladores de carga la normativa a aplicar es exactamente la misma que en el punto anterior.

1.2 ASPECTOS ECONÓMICOS

Económicamente hablando se va a hacer una separación por componentes al igual que se ha hecho en el punto anterior con la parte legal, para al final tener claro el coste total de la instalación, las posibles ventajas y/o desventajas de esta solución frente a otras (como pueden ser eólicos-diesel, solo fotovoltaica o solo eólica) y primas o subvenciones que se pueden obtener a la hora de instalar un sistema híbrido.

50

Para empezar a comprender el aspecto económico, es conveniente antes de seguir, definir algunos conceptos relativos a los costes que se tienen que llevar a cabo en la instalación de un sistema híbrido. - Costes de instalación. Estos costes se llevan a cabo el primer año y corresponde a la suma de comprar la maquinaria y equipamiento necesarios para el uso del sistema híbrido, más la instalación propiamente dicha y más los posibles costes de permisos, licencia, seguros, etc. - Costes de operación y mantenimiento. Son los costes en los que se incurre por el hecho de que el sistema este funcionando y lo haga dentro de unos parámetros de funcionamiento correcto. - Costes del combustible. Es el coste que se necesita gastar para alimentar las máquinas que forman parte de los sistemas híbridos. En el caso de sistemas Eólicos-PV-Diesel, estarán formados por el coste del gasoil gastado por el grupo diesel. - Costes de reposición. Estos son los costes en los que se incurriría un año si se tuviera que volver a instalar parte o la totalidad del sistema porque se ha acabado su vida útil. - Costes de la electricidad generada (Cele). El coste de la electricidad generada, viene expresada en c€/kWh, y es básicamente el coste anual (Ctotal) en el que se ha incurrido (operación y mantenimiento, amortizaciones, seguros, subida de tipos, combustibles, etc.) para producir toda la energía producida (Eprod).

Una vez expuesto estos términos se puede empezar a hablar de los costes de cada uno de los sistemas por separado.

1.2.1 Aerogenerador El aerogenerador es con diferencia el elemento más complejo de cuantos forman parte de un sistema híbrido, ya que requiere de una seria de instalaciones conjuntas (cimentación, grúas, cableado eléctrico, etc.) a él, que hace que en conjunto se encarezca. Lógicamente también depende el coste del tamaño del aerogenerador que se vaya a instalar para formar parte del sistema híbrido, ya que si la instalación a la que tiene que dar abastecimiento es una pequeña granja, las dimensiones y por lo tanto los coste de instalación y de electricidad generada, no van a tener nada que ver con la instalación de uno o varios aerogeneradores par abastecer a toda la población de una isla por ejemplo. Con estas premisas, se van a dar los costes de dos tipos de aerogeneradores, uno típico de entre 1 y 10 kW y otro de 750kW y 1.5 MW, para poder comparar uno a uno los costes. Se van a dar los costes en €/kW o en €/kWh en función de cada uno de los costes:

prod

totalele E

CC =

51

Aerogenerador

1-10kW

Aerogenerador

750kW-1.5MW Costes de instalación (€/W) 1-7.5 0.8-1 Costes de O&M (c€/kWh) 2 1.2 Coste de la electricidad (c€/kWh) 25-35 6-8 Un dato curioso, y que pone de manifiesto la falta de madurez existente en la pequeña eólica es la variación en el coste de los aerogeneradores pequeños, que no permite avanzar a la tecnología de la pequeña eólica para conexión a red. En la gráfica de abajo se puede observar esta disparidad de precios para diferentes potencias y diferentes fabricantes, lo que hace pensar que falta algo de control en las medidas, porque es extraño ver una grafica como esta.

Coste Específico (Potencia nominal < 10 kW)

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

Aer

ocra

ft 12

0A

R-2

00W

forti

s ye

llow

san

dA

eroc

raft

240

incl

in 2

50fo

rtis

yello

w s

and

Vél

ter B

D40

0S

mar

t 400

MK

1S

mar

t 400

MK

2A

eroc

raft

500

AR

-500

Wfo

rtis

yello

w s

and

Vél

ter D

incl

in 6

00A

eroc

raft

750

forti

s es

pada

AR

-100

0WA

WP

3.6

BW

C X

L.1

PP

S 1

kWV

élte

r IW

S10

00TA

3,2

120

0fo

rtis

pass

aat

incl

in 1

500

PP

S 2

kWin

clin

300

0S

3000

AR

-500

0Wfo

rtis

mon

tana

S50

00D

Din

clin

600

0P

PS

6 k

WTA

5.6

600

0B

WC

Exc

el-R

BW

C E

xcel

-Sfo

rtis

aliz

e

Coste específico(Euros/W)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Potencia nominal (W)

1.2.2 Paneles fotovoltaicos Los módulos fotovoltaicos están ahora mismo en un boom debido principalmente a la aprobación del RD 436/2004, donde se aprueba la compra de cada kWh producido y vendido a red por energía solar fotovoltaica como un 575% de la tarifa eléctrica de referencia durante los primeros 25 años, y luego el 460%. Esta prima ha hecho que el mercado de los módulos fotovoltaicos se haya disparado. No obstante, el hecho de hablar un coste específico de instalación de módulos fotovoltaicos es difícil, ya que el lugar donde se instalen tendrá una repercusión directa en el coste final de la instalación. Está claro que no es lo mismo, ponerlos sobre el suelo, que en un seguidor, que sobre tejado, o empotrado en pared, y eso hace que sea difícil hablar de un coste estándar. El coste de un panel propiamente dicho oscila los 4€/Wp. Lógicamente hay una dispersión importante en función del tipo de panel (silicio policristalino, de lamina delgada, de arseniuro de galio, etc), y del numero que compremos.

52

Para dar un intervalo del coste total de la instalación, deberíamos irnos a uno 6-9€/Wp, teniendo en cuenta las especificaciones dadas con anterioridad. Un valor típ ico para hacer cálculos es de 7€/Wp Los costes de operación y mantenimiento se pueden considerar cero en lo referente a piezas de repuesto y horas de personal específico para arreglarlos, pero existe un coste especialmente caro, debido a la gran cantidad de robos que este tipo de sistemas tienen y que exigen la formalización de un seguro contra el robo y a su vez contra el daño producido por posibles causas atmosféricas como rayos, granizadas, etc. Este coste se puede aproximar hoy en día a los 18€/Wp, teniendo también presentes las premisas expuestas con anterioridad. El coste de la electricidad generada ronda los 25-35c€/kWh, teniendo en cuenta los costes de amortización de la instalación, mantenimientos, seguros, etc.

1.2.3 Generador diesel El grupo diesel tiene dos costes principales: 1º Coste de instalación: En el que se requiere comprar un grupo diesel y un tanque de almacenamiento, si es que no queremos estar todo el día llenándolo, con el consiguiente aumento del transporte. En el que se tendría que un grupo diesel tiene un coste de 200-500€/kW, dependiendo del tamaño que queramos obtener, el precio comparativamente mayor es para grupos pequeños, y un tanque de gasoil cuesta aproximadamente unos 1000€/m3. 2º Coste del combustible: El grupo diesel necesita gasoil para poder generar energía eléctrica. El consumo de un grupo diesel normal es de 0.1-0.4 l/kWh, esto supone que como el litro de gasoil esta aproximadamente a 0.9€, pues un coste de 9 -36c€/kWh, cada vez que el diesel arranca.

1.2.4 Otros componentes:

1.2.4.1 Baterías Al igual que ocurría con la normativa, hablar de un precio estándar de baterías, implicaría hablar de tecnologías diferentes, de número de vasos comprados. No obstante es obvio que las baterías es el elemento más caro comparativamente de todos los elementos del sistema. Las baterías de plomo-acido que son las que normalmente se suele hablar de un coste de instalación de entre 100-250€/kWh instalado de acumulación. También hay que tener en cuenta que la vida útil de cómo mucho 10 años, y que si queremos que la instalación dure tendremos que reponerlas con el consiguiente sobrecoste.

53

1.2.4.2 Inversores Los inversores tienen un coste aproximado de entre 600-800 €/kW, dependiendo como siempre del tamaño y de la tecnología escogida. Actualmente se prevé que este coste se pueda reducir de manera considerable, cuando la electrónica de potencia pueda reducir bastante el precio.

1.3 ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES

En el aspecto medioambiental es donde los sistemas híbridos pueden y deben tener mucho que decir en la actualidad y en un futuro cercano. El Protocolo de Kyoto firmado por España y por mucho de los países de la Unión Europea, para reducir las emisiones de CO2, expulsadas a la atmósfera, hará que proliferen este tipo de instalaciones, que además seguro que se ven impulsadas por medidas parciales como las ocurridas con los sistemas de producción de energía eléctrica fotovoltaica de conexión a red. No obstante y teniendo en cuenta las partes ya explicadas, un sistema híbrido también tiene que cumplir con algunas normas medioambientales, mas aun cuando una de las partes emite gases de efecto invernadero, como es el grupo diesel. Existe una directiva europea que va a establecer las emisiones permitidas que es la 2003/87/EC. Aquí en España, está el RD 1866/2004 en el que se aprueba el Plan Nacional de emisiones permitidas 2005-2007, y que no se ha cumplido en su totalidad. En cuanto a los aerogeneradores, pues en el caso de aerogeneradores pequeños, no existen ninguna norma que no permita instalar los aerogeneradores, por motivos medioambientales, salvo que se pretendan instalar en sitios protegidos o de patrimonio nacional o natural. Los grandes tienen mas problemas porque es necesario realizar un estudio de impacto ambiental de las máquinas instaladas, y puede ocurrir que el impacto medioambiental, ya sea visual, por ruido, o de por motivos naturales (paso de aves protegidas, instalaciones en parques nacionales, etc.) sea negativo y no se permita la instalación de estos molinos en un entorno.

En cuanto al ruido, si bien para los grandes aerogeneradores es un problema menor, ya que suelen estar alejados de núcleos habitados, y pueden cumplir con la directiva europea 2002/49/CE sobre evaluación y gestión del ruido ambiental. Ahora bien, este problema se acrecienta notablemente en los aerogeneradores pequeños, por dos razones principalmente.

1ª Cercanía de núcleos habitados. Puesto que los aerogeneradores pequeños forman parte de un sistema que suele estar cerca de donde se alimenta la carga, ya que si no las pérdidas en los cables serian brutales, o la instalación eléctrica necesaria costaría más que la de los aerogeneradores, el ruido se convierte en un problema primordial.

54

2 INSTALACIÓN DE SISTEMAS AISLADOS. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.

2.1 INTRODUCCIÓN

En este punto se va a intentar dar una visión más real de lo que es una instalación de un sistema aislado. Cuáles son las principales contingencias que se pueden encontrar y como hacer un breve cálculo para preverlas, y así evitar que sean un impedimento a la hora de realizar la instalación correctamente. Se tratarán de dar algunas recomendaciones para la correcta ejecución de la instalación, de una manera segura, económicamente efectiva y lo más estable posible para que su duración sea alta.

Obviamente se pueden producir muchas más situaciones que no se contemplan aquí, pero se intentan exponer las principales o por lo menos las prioritarias, para evitar que futuros instaladores pierdan un tiempo en situaciones que se repiten en la gran mayoría de las instalaciones de sistemas aislados con energía eólica.

2.2 ASPECTOS A TENER EN CUENTA PARA REALIZAR UNA

INSTALACIÓN ÓPTIMA Aunque aquí se van a dar unas pautas importantes, tendrá que ser el instalador experimentado el que finalmente tenga conocimiento de cómo se debe actuar ante las diferentes situaciones que se vayan planteando en cada instalación, con cada una de las partes que lo componen. Las primeras recomendaciones se explican a continuación a modo de resumen y de una forma más o menos gráfica.

2.2.1 Anclaje del aerogenerador Puesto que normalmente el sistema aislado se instala en sitios de muy diversa índole, con diferentes velocidades de viento, diferentes terrenos, etc., es muy importante la elección de un buen anclaje que nos asegure la perfecta colocación del sistema. Hay que tener en cuenta que estos sistemas se encuentran sometidos a unas cargas elevadas y que obviamente no se puede realizar estudios muy profundos acerca de las características de cada terreno, porque encarecería demasiado el producto y no sería económica su instalación. Por lo tanto hay que buscar un método de cálculo rápido y fiable, y asegurarlo todo con factores de seguridad lo suficientemente ajustados para obtener un compromiso entre dicha fiabilidad y el precio. Ya que, el riesgo que se corre si no se eligen bien el tipo de anclaje donde vaya el sistema es bastante elevado y puede llegar a tener consecuencias catastróficas, no sólo de destrucción del sistema, sino también en cuanto a seguridad si se sitúa cerca de una población o vivienda. Y por el contrario un excesivo coste en dicho anclaje puede hacer que el sistema no sea rentable ni vendible.

Para ver un claro ejemplo, se observan a continuación dos formas diferentes de anclaje en diferentes suelos y con condiciones atmosféricas variadas.

55

Para observar los diferentes tipos de suelos hay realizada una clasificación simple, que permitirá de una manera simple determinar el tipo de anclaje.

CLASE TIPO DE SUELO

0 Rocoso

1 Arenoso muy denso y compactado, o arenoso cementado

2 Arenoso denso

3 Arenoso con grava de densidad elevada

4 Arena con grava de densidad media

5 Grava con arena no compactado

6 Arenoso fino a grava con arena

7 Arenoso fino no compactado

8 Terreno muy acuosos

En algunos de estos terrenos (clase 0, 1 ó 2) simplemente introduciendo un tornillo helicoidal es más que suficiente para aguantar los esfuerzos a los que se ve sometido el conjunto torre + aerogenerador, pero no obstante también hay algunas recomendaciones que hay que tener en cuenta (ver figura):

• Hay que introducir el tornillo de manera que forme un ángulo de 45º con la superficie del terreno.

• Se debe colocar de tal manera que la argolla de anclaje de los vientos al tornillo de anclaje esté orientada sobre la línea imaginaria que uniría el punto del terreno por donde se introduce dicho tornillo y el centro de la base de la torre. También si el sistema de anclaje va introducido en las zapatas de hormigón. (ver figura)

56

Para un estudio completo, las cimentaciones hay que calcularlas para la instalación de todas las partes del sistema, aerogenerador, módulos fotovoltaicos, sala de baterías, etc. No obstante se dan las recomendaciones para aerogeneradores ya que como se puede suponer, los mayores esfuerzos estarán en ellos.

En condiciones generales y siempre que sea posible, se escogerá realizar una pequeña cimentación con zapatas de hormigón antes que colocar otros sistemas de anclaje, como por ejemplo, picas, tornillos helicoidales, etc. Obviamente en sistemas de alta montaña o de suelos rocosos en su totalidad la colocación de un tornillo directamente metido al terreno será lo más conveniente.

Un aspecto muy importante es que si se conoce de antemano la dirección de viento predominante, el sistema de anclaje debe de hacerse mejor en esa dirección porque es el que más problemas va a tener, sobre todo en terrenos donde no haya cimentaciones.

2.2.2 Estructuras soporte de aerogeneradores Es muy importante también que las torres de los aerogeneradores y

todas las piezas que forman parte de ellos se mantengan perfectamente erguidas, y no se doblen o se rompan.

2.3 CARGAS

Los aerogeneradores están expuestos a vientos fluctuantes lo que lleva consigo fuerzas también fluctuantes. Para soportar esto, sería necesario calcular bien y de manera precisa, cómo vibra la estructura, parte por parte y tomada en conjunto, y cómo las posibles fuerzas que aparezcan influyen en la rotura o la fatiga del material del que están fabricadas las torres. Pero este cálculo es muy complicado y requiere la necesidad de programas de elementos finitos y modelos

~ 150 mm.

Nivel del suelo

? Hacia el centro de la base

45º

57

matemáticos más o menos complejos con los que poder conocer cómo se comporta la estructura en régimen dinámico. TIPOS DE TORRES PARA AEROGENERADORES DE PEQUEÑA POTENCIA.

Existen mayoritariamente dos tipos de torres, las atirantadas o en celosía y las tubulares. Teniendo en cuenta que los pequeños aerogeneradores no están colocados a grandes alturas ni son excesivamente pesados, en la mayoría de los casos se opta por una torre tubular, ya que en general son más fáciles de montar que las de tirantes. Otra ventaja importante es que las tubulares tienen menor impacto visual, para las alturas a las que están colocadas. La principal desventaja en que para soportar los mismos pesos las torres tubulares pesan más que las de celosía, lo cual conlleva un coste algo mayor por el precio del acero.

Otro aspecto muy importante a tener en cuenta en las torres es como están sujetas al terreno. En este aspecto hay dos formas de hacerlo. La primera en dejar la torre fija en el terreno mediante tornillos, y la otra en ponerla abatible mediante una pértiga para el izado y/o el tumbado de la misma.

Las ventajas y desventajas de las mismas están claras. Como ventajas de las fijas cabe destacar:

• Rapidez de montaje. • Alta estabilidad estructural.

Y como desventajas.

• Mayor coste de mantenimiento. • Necesidad de aparatos de elevación para el montaje (normalmente

caro y complicado dependiendo del lugar y del terreno).

Una vez expuesto esto, es fácilmente comprensible que habría que optar por colocar torres con pértiga de izado. No obstante hay bastantes modelos de aerogeneradores que van sobre torres fijas, sobretodo las máquinas más pequeñas, en las que el coste de una torre abatible es elevado frente a lo que cuesta el aerogenerador. En este tipo de torres el coste de mantenimiento posterior se puede asumir por la diferencia de precio entre unas y otras.

No obstante en este capítulo se van a tratar las torres abatibles que son las que tienen un poco más de complicación a la hora de su instalación y sus posteriores izados y bajadas. Para permitir que la torre sea abatible, el sistema de anclaje al suelo (ver figura) consta de una pieza de acero en el

58

cual se hacen dos agujeros puestos uno enfrente del otro, por el cual se introduce un bulón que permite girar la torre.

La forma de anclar la pértiga de manera segura se puede ver en la figura de abajo.

Para el izado y/o tumbado de las torres abatibles hay que seguir una serie de recomendaciones:

• Cuando se baja una torre, es importante dejar la estructura apoyada

en algún tipo de soporte preparado de antemano para que resista el peso del conjunto. El punto en donde debe colocarse y la altura que deba tener el punto de apoyo, dependerá muchas veces de cómo está el terreno, pero en condiciones normales se pondrá a unos ¾ de la altura máxima de la torre, y la altura será tal que se pueda operar con el aerogenerador sin problemas y que a su vez ninguna parte del aerogenerador pueda sufrir ningún percance durante el descenso y/o el ascenso.

• Para realizar el proceso de izado y/o tumbado es necesario el colocar un “tracter”, en la base de uno de los vientos, (el que apunta la polea), y una serie de poleas colocadas entre dicho tracter y el punto de anclaje con la torre, para reducir la fuerza con la que se tiene que tirar. En las fotos posteriores se puede ver como se coloca el tracter y como se colocan las poleas.

Uno de los dos para instalar la pértiga

Hormigón

Pértiga guía

Base de apoyo Cable de seguridad

59

• Los vientos deben irse tensando a medida que el aerogenerador asciende, para mantenerlo alineado con la pértiga y que ni los bulones, ni los propios vientos sufran demasiado y puedan llegar a romperse. Tampoco conviene tenerlos excesivamente tensados ya que dicha tensión repercutiría en los puntos de anclaje con la torre, donde se produciría mucho esfuerzo, con la correspondiente fatiga del material.

• Los vientos de sujeción deben estar lo mejor colocados posible. Es decir que las fuerzas de tensión se repartan lo mejor que se pueda. Por ejemplo, si hay que colocar vientos en cuatro direcciones colocarlos a 90º, y lo más exactamente que se pueda, casi al centímetro.

• En caso de que la instalación se haga en una ladera, la colocación de los dados y de la pértiga guía se realizará de tal manera que cuando se tumbe quede la torre apoyada en la dirección ascendente de la rampa.

• Es muy importante antes de montar el aerogenerador hacer un descenso y un ascenso de la torre sólo para calcular bien las distancias de los vientos y poder dejarlos bastante tensos, para que luego a la hora de izar la torre con el aerogenerador puesto no haya problemas.

2.3.1 Dimensionado del cable de salida de potencia.

Otro punto importante, es saber como debe ser el cable que pongamos para sacar la potencia del aerogenerador y llevarla hasta el usuario del sistema. Este punto tiene vital importancia si existe una distancia suficientemente importante desde el emplazamiento del sistema aislado hasta el almacenamiento de energía o la red. Dicha distancia crítica estaría en torno a los 150 metros. Si analizamos la fórmula de la caída de tensión en sistemas trifásicos tenemos que:

·100 cos · V · S

L · P · c.d.t 22 ϕ

ρ=

siendo: • ρ el coeficiente de resistividad del cable en O · mm2/m • P la potencia al final de la línea en vatios • L longitud de la línea en metros • S es la sección del cable en mm2 • V es la tensión al final de la línea en voltios • cos f es el factor de potencia al final de la línea Se puede observar que la caída de tensión aumenta proporcionalmente

con la longitud y con la potencia, y puesto que la mayoría de sistemas generan a baja tensión, al estar en el denominador, y elevado al cuadrado, hace que también la caída de tensión aumente. Además hay que tener en cuenta que podemos tener un sistema que genere en frecuencia variable con lo que el factor de potencia va a ser más bajo aún, con lo que la sección necesaria todavía habrá de ser algo mayor para este tipo de sistemas.

60

Para contrarrestar esto se tienen otros dos parámetros que son el tipo de material conductor y su sección, pero hay que tener en cuenta que cualquier mejora en ambos va a encarecer el precio final de la instalación. Puesto que

normalmente el conductor elegido es cobre, sólo quedaría el aumento de sección para poder evitar caídas de tensión al final de línea.

• La instalación del cable de mayor sección es más complicada, en

especial si es subterráneo. • Debe de tener un buen aislamiento para evitar tener problemas con

el agua o con el hielo. • Dependiendo de las distancias se escogerá entre el cable rígido, que

es más barato pero más complicado de instalar, y el flexible, más caro, pero mucho más fácil de colocar. Hay que buscar un compromiso entre el coste del cable y el coste de la mano de obra para instalarlo, y elegir entre uno rígido o uno flexible (entre un 10 y un 25 % más caro según conductores).

Hay que tener otro parámetro en cuenta que es el de la temperatura,

puesto que a medida que aumenta la intensidad que circula por el cable, la temperatura del cable también aumenta, y con ello la resistencia eléctrica y por consiguiente, las pérdidas por efecto Joule se hacen más apreciables. Con todos estos factores la caída de tensión se hace mayor, sobretodo si se tienen picos de potencia, donde la intensidad puede estar cercana a la intensidad máxima admisible por el conductor.

Así las pérdidas por efecto Joule vienen dadas:

tca

2c ·Rn·IW =

donde: • n es el número de conductores activos • I es la intensidad que recorre cada conductor en amperios • Rtca es la resistencia, en ohmios que tiene en cuenta la temperatura

del conductor y los efectos piel y proximidad

)+++ρ

= pstca yy 1 ·( 20))-(T · a(1 · S

L · R

donde:

• ρ es la resistividad del conductor a 20º C en O · mm2/m • L la longitud en metros • S la sección en mm2 • a es el coeficiente de aumento de la resistencia respecto a la

temperatura • T es la temperatura en ºC • ys es el factor de efecto skin • yp es el factor de efecto proximidad

La siguiente pérdida que nos podemos encontrar es la correspondiente

al tipo de aislamiento en el conductor. En la mayoría de los sistemas de BT, los conductores están recubiertos de un aislamiento que también tiene pérdidas, y

61

en el fondo el conductor aislado es un condensador cilíndrico. La fórmula es la siguiente:

620d 10 · tgd· U· C · f 2W −= π (en W/km)

donde:

• f es la frecuencia en Hz • C es la capacidad del cable unipolar en µF/km • U0 la tensión con respecto a tierra en voltios • tg δ es el factor de pérdidas del dieléctrico considerado

Para calcular la capacidad de un conductor se puede calcular de la

siguiente manera:

=

rR

ln · 0.024C rε

en µF/km

donde:

• εr es la permitividad relativa del dieléctrico • R es el radio del conductor más el aislamiento • r es el radio del conductor

Ahora bien, el valor de esta pérdida carece de importancia en sistemas

de este tipo, siempre y cuando, la frecuencia no varíe y el aislamiento no se pierda, por lo que no se suele calcular.

A modo de curiosidad se dan los valores de los coeficientes de

aislamiento para diferentes materiales:

εr tg δ U0 Papel impregnado 4.0 0.01 30 PVC 8.0 0.1 6 EPR 3.0 0.04 15 XLPE 2.5 0.008 45

Hay que tener en cuenta una última salvedad, con esos valores, las

pérdidas producidas por falta de aislamiento, no deben calcularse para una instalación en BT, como ya se ha comentado, pero si esos valores cambiaran podrían producirse variaciones apreciables y sí que se deberían calcular. Por ejemplo, los cables recubiertos de XLPE, sufren una gran degradación con el agua, y pierde sus propiedades de aislamiento, con lo que si se hace una instalación con ese cable hay que asegurarse de que no va a estar expuesto a ambientes húmedos, y si va a estarlo, darle todavía más protección con algún tipo de resina exterior.

Aunque hay algunas pérdidas más no se van analizar en este capítulo porque no son de importancia para la instalación de sistemas aislados. Como conclusión, se puede ver analizando las fórmulas por encima y sin entrar en muchos detalles, que las pérdidas aumentan cuando aumenta la intensidad (o

62

la potencia), y cuando aumenta la resistencia del cable, que a su vez es directamente proporcional a la longitud e inversamente a la sección, y tiene un efecto apreciable de la temperatura y del aislamiento, pero, hay que tener en cuenta que la temperatura del cable aumenta cuando se intentan pasar corrientes altas. Una vez expuesto todo esto se puede intuir fácilmente que el cable que se debe elegir, tanto en sección, como en aislamiento, como en tipo, no es una cuestión que se deba tomar a la ligera cuando las longitudes son largas.

No obstante en los sistemas en los que se tiene un almacenamiento de

la energía, la caída de tensión no va a repercutir en la señal final que va a tener el consumidor, puesto que con el inversor se obtendrá siempre una tensión de bastante calidad, pero lo que sí que se va a tener es una menor carga en las baterías por la pérdida de potencia que se va a tener por el conductor, que al fin y al cabo, es un coste.

Y en los sistemas sin inversor, como en los eólico-diesel, en los que la

tensión de salida es la tensión de alimentación, sí que es importante la elección del cable para asegurar la calidad de la energía y no tener altas caídas de tensión, que según la ITC-17 del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión debe ser como máximo de un 3% para alumbrado y un 5% para el resto de aplicaciones, en las condiciones de máxima simultaneidad en el consumo.

Hay que decir que la mayoría de fabricantes de cables, disponen en sus

catálogos de tablas normalizadas para calcular la perdida de potencia por metro de cable en función de la tensión de funcionamiento, con lo que hace más fácil la tarea de encontrar el cable adecuado, pero dichas tablas y coeficientes se basan en las fórmulas expuestas en este punto.

Más adelante supondremos un caso práctico para comprender la

importancia de tener un buen cable que nos asegure la tensión a la llegada del consumidor.

2.3.2 Ruido

El ruido de los aerogeneradores empieza a ser cada vez menor, ya que mejoran los diseños de las palas, y se puede observar que aunque hay diferencias importantes entre los diferentes fabricantes, el nivel de ruido no varía excesivamente entre unos y otros.

Sin embargo, aunque para grandes máquinas la lejanía de los parques eólicos hace que el ruido sea un problema secundario, en los sistemas aislados que se suelen instalar cerca del consumidor final, el problema del ruido pasa a ser prioritario, ya que a partir de unos niveles de ruido se hace molesto.

Los conceptos de percepción de sonido y de medición no son ampliamente conocidos por el público en general, aunque son bastante fáciles de entender una vez uno se ha familiarizado con ellos. El problema radica en establecer una normativa de medición de ruido, para pequeños aerogeneradores, ya que hay diferentes tecnologías y no todos hacen ruido a las mismas velocidades.

63

El nivel de ruido a partir del cual se considera molesto es de 45 dB(A), en donde vaya a haber un lugar habitado, con lo que se debe asegurar una distancia suficiente para que el ruido que produce un sistema aislado, ya sea el aerogenerador o el grupo diesel, se amortigüe lo suficiente y no produzca una sensación desagradable. Para determinar el nivel de ruido que genera un aerogenerador, se debe seguir la Norma IEC 61400-11 “Medida de ruido en aerogeneradores”. No obstante hay algunos programas que aproximan este procedimiento y calculan de una manera más simple, como será la perturbación de ruido a varios metros sabiendo el nivel de ruido máximo que genera la turbina. Así se puede calcular el sitio óptimo de instalación en este aspecto. De hecho para pequeños aerogeneradores es más importante el ruido generado que para las máquinas grandes, ya que normalmente se suelen colocar cerca de las viviendas por otros motivos de los que ya se ha hablado, (coste, pérdidas en el cable, tamaño de la finca, etc.). Además hay que tener en cuenta otro aspecto que es el ruido de fondo que tenga el lugar. Ya que ningún lugar está en silencio absoluto, con lo que poder medir el ruido que genera una máquina en cada emplazamiento de manera exacta resulta bastante complicado. Otro punto que se debe tener en cuenta es hacia donde se propaga el ruido. Si hay superficies que puedan reflejar el sonido o si se coloca el aerogenerador aguas arriba del emplazamiento habitado, el ruido bajará mucho, pero entonces se deberá subir el aerogenerador porque el edificio introducirá pérdidas en la potencia de salida de la turbina ya que la velocidad baja.

Un aspecto también importante es la aceptación que pueda tener la gente al ruido de los aerogeneradores, puesto que, por ejemplo, el sonido de las olas del mar produce el mismo nivel sonoro que un aerogenerador de los silenciosos, y sin embargo, la captación de ese sonido y la posterior reacción que tienen los seres humanos no es igual en ambos casos. Dado que la distinción entre ruido y sonido es un fenómeno con un alto factor psicológico, no es fácil elaborar un modelo sencillo y universalmente satisfactorio del fenómeno del sonido. De hecho, hay estudios realizados en los que parece indicar que, la percepción del ruido de los aerogeneradores por parte de las personas está más gobernada por su actitud hacia la fuente de sonido que por el sonido real en sí mismo.

También hay que decir que en el caso de que se quiera instalar un sistema híbrido con diesel, el grupo electrógeno deberá generar poco ruido si está relativamente cerca de la vivienda, con lo que convendrá aislar acústicamente el lugar donde el grupo electrógeno esté colocado. El problema es que este aislamiento es caro, con lo que hay que llegar a una solución de compromiso entre la distancia a la que se coloca el grupo, el ruido que genera, el aguante de la persona a dicho ruido, y el nivel de aislamiento que el local va a tener.

2.3.3 Problemas de instalación de los convertidores y las

baterías.

64

En casi todas las instalaciones de sistemas aislados es necesario colocar algún sistema de acumulación que nos sirva para poder obtener energía en ausencia de energía generada por la fuente renovable. Para gestionar la carga de baterías es necesario, una serie de convertidores de tensión o rectificadores que obviamente hay que colocar en algún sitio.

Normalmente dichos convertidores se colocan al final de la instalación,

junto al consumidor último, aunque hay otras muchas veces que es necesario disponer de casetas prefabricadas y/o pequeños edificios para albergar todos estos elementos de almacenamiento y cambio de tensión, y en la mayoría de los casos, estas casetas hay que comprarlas, con lo que aumenta el coste de la instalación.

Ahora bien estas casetas deben estar colocadas de tal manera que no

interfiera en la velocidad predominante en la zona y que pueda entorpecer la cantidad de energía total generada por las máquinas. Otro problema es que normalmente tienen que ser casetas fijas, que tienen que tener una cimentación suficiente buena para aguantar los vientos de la zona, y debe de ser robusta para soportar las inclemencias del tiempo.

Otro aspecto de la instalación de los convertidores y de los elementos de

almacenamiento es que tienen que cumplir una serie de requisitos para la seguridad.

• Deben tener luces y enchufes antideflagrantes. • Tiene que colocarse un extractor para la evacuación del

hidrógeno de las baterías. • Es obligatorio la existencia de elementos de protección y de

emergencia en la caseta, mascarillas, guantes, etc. • Tiene que tener un desagüe para evacuar las posibles fugas de

ácido de las baterías.

2.3.4 Protecciones

Las protecciones que se calculen para evitar posibles riesgos tanto a las personas como a los demás elementos de las viviendas o edificios donde se consuma la energía producida por los sistemas aislados, deberá cumplir las normas establecidas por los diferentes reglamentos y/o normas que hay dispuestas al respecto.

El aislamiento debe ser elegido económicamente; sobredimensionarlo implica aumentos de tamaño, y peso de los cables y equipos, aumento de la resistencia al flujo de calor (en consecuencia disminución de las densidades de corrientes y del aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos, como ya se ha comentado.

Además, el aislamiento debe estar dimensionado para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentarán; un posterior sobredimensionamiento no implica beneficio alguno.

65

Se tienen que colocar principalmente los siguientes tipos de protecciones:

• Protecciones contra sobretensiones y sobreintensidades. • Protecciones contra contactos directos e indirectos.

PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES

Las sobretensiones que se a tener que tener en cuenta en los sistemas aislados de este tipo, son las producidas por descargas atmosféricas y en algunos casos por la maniobra de conexión y desconexión de los diferentes elementos del sistema.

El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del diseño, en forma tal de lograr que las sobretensiones sean mínimas, evitando configuraciones de la red que puedan causar sobretensiones, eligiendo componentes adecuados por sus parámetros y formas de operación, previendo y proyectando las protecciones oportunas.

Si se tiene una instalación montada en un lugar con alto riesgo de descargas atmosféricas, se deberá colocar un sistema de protección que consistirá en un descargador a tierra o autoválvula, que tendrá que estar situado lo más cerca posible del origen de las sobretensiones producidas por dichos rayos.

En los lugares donde no haya red de tierra, se deberá instalar una. Para ello, habrá que seguir la instrucción MI BT 039 del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión para instalaciones en el territorio español o seguir otras recomendaciones si se instala en otro lugar.

En las redes con conductor neutro conectado a tierra, los descargadores, sean cuales sean, deberán conectarse entre cada uno de los conductores de fase y una toma de tierra unida al conductor de neutro. Si por el contrario el neutro no está a tierra, habrá que colocar los descargadores se conectarán entre cada uno de los conductores, incluyendo el neutro.

Por otro lado la línea que conecta los descargadores con la tierra debe estar aislada. Y el valor de la resistencia a tierra deberá ser cómo máximo de 10 Ω.

PROTECCIÓN CONTRA SOBREINTENSIDADES

En cualquier circuito eléctrico, y más aún en un sistema aislado se debe tener cuidado con las sobreintensidades que se puedan producir, y proteger en la medida que se pueda los efectos que estas tienen sobre dicho circuito.

Las principales causas de sobreintensidades son:

• Sobrecargas en la red.

66

• Defectos de aislamiento. • Cortocircuitos.

Cualquier conductor, incluso el neutro debe estar protegido contra cualquier tipo de sobreintensidad. Para realizar esta protección se instalan diferentes componentes en el circuito, tales como interruptores automáticos, magnetotérmicos, fusibles, etc. que garanticen la seguridad de los elementos que cuelguen de dicho circuito.

Para poder calcular bien qué tipo de interruptores y/o fusibles se deben colocar, es importante saber, con que intensidades nos vamos a encontrar en el caso de que se produzca una falta de aislamiento y/o un cortocircuito.

Los dispositivos de protección deben instalarse al principio de los circuitos para que protejan no sólo los posibles elementos que cuelguen de él, si no también el conductor, ya que una corriente por encima de la teórica admisible daría lugar al deterioro o ruptura de dicho conductor.

Otro punto importante es el tiempo de corte de estos interruptores, ya que deben estar calculados para cortar no sólo la máxima intensidad admisible, si no que lo deben hacer en un tiempo adecuado según las curvas intensidad-tiempo que cada elemento posee. Es muy importante también que la protección no dé lugar a la aparición de arco eléctrico, que impida que el interruptor abra o cierre totalmente, y origine una intensidad elevada en él que termine por estropearlo.

Por último, la elección de los elementos de protección debe estar supeditada al lugar donde se vayan a instalar, y deben tener un grado de protección atmosférica adecuado. También se debe poder cambiar en tensión sin tener que para ello cortar el circuito más arriba, aunque se recomienda hacerlo.

PROTECCIÓN CONTRA CONTACTOS DIRECTOS E INDIRECTOS

También se debe tener en cuenta la protección de las personas ante posible contactos involuntarios con conductores y/o masas que tengan tensión.

En este aspecto cabe destacar que la corriente mínima que se supone que no produce ningún efecto en los seres humanos es de entre 5 a 10 mA en corriente alterna a 50 Hz., el hecho se agrava si la corriente es DC. Entre 20 y 30 mA se puede producir algún daño, aunque la exposición debe ser durante un gran tiempo. Para más de 30 mA los daños empiezan a ser serios, e incluso mortales dependiendo de la sensibilidad de cada persona.

67

Normalmente se deberán de colocar interruptores diferenciales al principio de cada uno de los circuitos, con una sensibilidad de 30 mA o menos si se está en un ambiente húmedo, y con un tiempo de respuesta rápido. La intensidad de corte se debe calcular en función de la resistencia a tierra de las masas (medida en cada punto de conexión de las mismas). En el mercado hay una gran variedad de este tipo de protecciones, y su precio no es demasiado caro.

El problema viene cuando hay que colocar protecciones para contactos directos o indirectos en las partes de tensión DC del sistema, por ejemplo, en la zona de las baterías o en la entrada al inversor.

CURVAS LIMITE TENSIÓN TIEMPO

RECOMENDACIÓN IEC 364 VIGENTE

PROPUESTA EN CONDICIONES PELIGROSAS

PROPUESTA EN CONDICIONES NORMALES

FORMULA t165.0kI =

10 100 1000 V 10 100 1000 mA

PROBABLE FIBRILACIÓN

UMBRAL DE TETANIZACIÓN CON TENSIÓN DC

PROBABLE FIBRILACIÓN

UMBRAL DE TETANIZACIÓN A FRECUENCIA INDUSTRIAL

0.1s

1s

10s

68

2.3.5 Sistemas de frenado de emergencia. En los aerogeneradores de pequeña potencia es muy importante colocar un sistema de frenado manual, para poder realizar un mantenimiento con seguridad o porque hay unas condiciones de viento elevadas. Entre las diferentes formas de frenado de emergencia están el frenado por cortocircuito de las fases, el frenado por enclavamiento del eje de giro y el frenado por conexión a una carga. Estos tipos de freno deberán poder actuar de una manera rápida, fiable y segura. Se suelen colocar en donde se tengan los convertidores, salvo en algunos frenos mecánicos que se colocan en el mismo aerogenerador y que actúan directamente sobre el eje. Una salvedad que hay que hacer notar, es que no se debe frenar la máquina cuando la velocidad del viento es muy grande salvo en casos muy puntuales de extrema emergencia, ya que, seguramente el freno se estropeará. Además el par que se produce al frenar de golpe repercutirá sobre la estructura de la torre y sobre los anclajes, debilitándolos.

2.4 OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS AISLADOS. El modo de operación de cada uno de los sistemas aislados, varía en función de cada uno de los componentes que formen parte de él. No es lo mismo el modo de operación de las baterías que el de un grupo electrógeno. Se van a dar una serie de pautas de operación de los siguientes componentes:

• Aerogenerador • Grupo diesel • Baterías • Convertidores • Módulos fotovoltaicos

2.4.1 AEROGENERADOR

Cada aerogenerador deberá actuar de manera óptima tanto en todas las condiciones, y en la parte mecánica y eléctrica. Será necesario comprobar que el aerogenerador arranca a la velocidad que nos da el fabricante. También en necesario ver que las palas giran de un modo uniforme sin vibraciones y sin pequeñas paradas, que no hacen ningún ruido. La torre no debe entrar en resonancia, es decir si se observan vibraciones considerables en el mástil ante una determinada velocidad de viento, se deberán tensar más los vientos para evitar que el conjunto entre en resonancia y se puedan producir fatigas que causen la rotura de la torre. Es importante comprobar la salida en tensión (amplitud y frecuencia) del aerogenerador a su velocidad de rotación nominal. Es importante medir el modo de regulación del aerogenerador, y que la frecuencia en todas las

69

situaciones de dicha regulación no se desestabilice. De todas maneras, en los sistemas de carga de baterías mediante un rectificador este parámetro no es tan crítico, aunque sí que se tendrá una ineficiencia en la rectificación. Es importante comprobar la velocidad de freno, si es que la tiene, y ver que se ajusta a lo que nos marca el fabricante. También es necesario comprobar que el aerogenerador arranca a la velocidad a la que está prefijada y que empiece a generar. Si no se tendrá que revisar el generador en todas sus partes.

2.4.2 GRUPO DIESEL En un generador diesel, la operación consiste básicamente, en el arranque, en el modo de generación, la parada, el control y la monitorización. Normalmente todas estas pautas están automatizadas, y el operador sólo tiene que ver en el monitor que el sistema funciona, ya que es el sistema de control el que, en función de la demanda exigida y las otras fuentes de generación, da la consigna al generador diesel, de la potencia que tiene que entregar en cada momento. Incluso las operaciones de arranque y parada las suele realizar un sistema automático. Aunque será función del operador comprobar que estas operaciones se realizan correctamente. No obstante, aunque sea un sistema muy automático, conviene que se tenga un sistema que diagnostique faltas, ya que, aunque en los manuales vienen explicadas los posibles fallos que puede tener el grupo, hay que ser bastante experto para darse cuenta de ello. Por eso es importante una serie de sensores que indiquen al operador cómo está generando el sistema. Algunas faltas que se deben detectar son:

• Fallo en la excitación. • Subida o bajada de la tensión de generación. • Tensión no controlable. • Tensión inestable. • Diferentes fallos en los sistemas de control.

Se debe comprobar también que todos los rodamientos están bien, y

que no se oye nada en dichos rodamientos. Otro aspecto muy importante es que el grupo debe operar bajo un

ambiente de temperatura y humedad óptimo, ya que es posible que si hace mucho frío o si ha entrado mucho agua al recinto donde está el grupo, haya muchas probabilidades de fallo.

El operador debe comprobar también que el sistema de alimentación de

combustible está en perfecto estado y que no existe ninguna fuga.

2.4.3 BATERIAS Para llevar a cabo una correcta operación con las baterías lo primero que hay que tener en cuenta es que el comportamiento ante los ciclos de carga y descarga es diferente dependiendo de cómo sea. No es lo mismo una batería

70

de Pb-ácido que de Ni-Cd, u otras que se pueden instalar. Dependiendo de cómo se vaya a utilizar el sistema aislado convendrá la instalación de un tipo o de otras. Aunque en general se deberán escoger unas que aguanten muchos ciclos de carga-descarga sin llegar ni a la máxima descarga ni al de sobrecarga.

La operación con baterías es bastante fija y no admite muchos cambios. Aunque se tienen que tener en cuenta algunos puntos importantes:

• Evitar en la manera que se pueda las sobredescargas. • Mantener la sala de baterías limpia, refrigerada y con suficiente

ventilación, para evitar riesgos de explosión, por la gasificación producida en las cargas. Además al aumentar la temperatura de las baterías, dicha gasificación se produce a menor tensión, con lo que el nivel de hidrógeno en el ambiente aumentará considerablemente.

• Para evitar problemas de deterioro y riesgos, es necesario que el chasis de la batería esté seco.

• El nivel de electrolito debe mantenerse en los límites marcados en el chasis de las baterías. Un nivel bajo de electrolito puede acabar con la batería.

• Los tapones de las baterías deben permanecer cerrados en todo momento para evitar que pueda entrar cualquier elemento extraño al electrolito. Sólo deben abrirse para rellenar y para tomar muestras de la densidad.

• Por motivos de seguridad se deberán mantener las baterías siempre en vertical, aún cuando se cambien, siempre se deben llevar guantes y gafas protectoras cada vez que se haga cualquier operación sobre ellas, y no dejar objetos metálicos sobre las baterías.

2.4.4 CONVERTIDORES

En todos estos sistemas, los convertidores electrónicos son muy importantes, y por tanto es importante operar bien con ellos.

De todas maneras al ser sistemas, normalmente muy complicados, la

operación normal de los convertidores, solo conllevará de trabajo, el hecho de que la entrada y la salida de ellos se haga correctamente. Con lo que como normalmente tienen medidores de tensión y de intensidad, es importante medir que la salida tanto en tensión como en corriente está dentro de los valores permitidos.

También es importante comprobar si hay alguna parte que esté

demasiado caliente, porque nos puede dar una idea de si el convertidor está empezando a estropearse.

2.4.5 MODULOS FOTOVOLTAICOS

En cuanto a la parte solar, si es que existe en el sistema aislado, la operación de los módulos, no tendrá muchos problemas.

71

En un modo de funcionamiento normal, la operación normal de estos

módulos, será comprobar que la salida de tensión e intensidad de las placas fotovoltaicas es la correcta, aunque en teoría, será el regulador que se suele colocar a la salida de los módulos el que en función de la carga permita moverse por la curva I-V, del módulo fotovoltaico para dar la máxima tensión necesaria en cada caso, en función de la carga de las baterías, de la carga demandada y del estado en que se encuentren las otras fuentes de generación si es que las hay.

Otro aspecto importante de operación, es el ángulo de inclinación de las

placas, en el caso de que se opte por instalar placas con la posibilidad de la modificación de dicho ángulo. Para ello hay que tener en cuenta que nunca se deberán dejar las placas con una inclinación menor de 10º, aunque el óptimo de funcionamiento indique que debe ser menor, ya que en este caso el agua de lluvia, y posibles restos de polvo y otros sólidos, se pueden quedar sobre la placa , bajando considerablemente el nivel de absorción de la placa, y por lo tanto el rendimiento de la instalación. No obstante lo mejor es dejar las placas en una colocación fija y dejar que sea el regulador el que opere el sistema fotovoltaico.

2.5 MANTENIMIENTO El mantenimiento o mejor dicho, la reducción del coste de mantenimiento es algo muy importante en los sistemas aislados. Hay que tener en cuenta que en muchas ocasiones la instalación de estos sistemas se realiza en lugares difíciles, de difícil acceso y que eso supone que un mantenimiento excesivo conlleva básicamente que el producto no sea muy rentable. En el mantenimiento general de cualquier máquina, se puede hablar de mantenimiento preventivo, correctivo y predictivo. En los sistemas aislados no es muy diferente. Es muy interesante hacer un mantenimiento predictivo, mediante inspecciones periódicas, comprobaciones de diversa índole, que nos pueden dar una indicaciones de si el sistema funciona correctamente, o si hay algo que empieza a fallar, y poder detectarlo antes de que sea demasiado tarde. Por supuesto que hacer un mantenimiento preventivo, ayudaría a mejorar la vida útil del sistema, y a evitar faltas, que a menudo, causan muchos problemas. El problema del mantenimiento preventivo es que tiene un coste más o menos elevado según las diferentes partes del sistema, y que en muchos casos, el cliente considera innecesario. Y lo que no debería llegar a suceder nunca, es tener que recurrir a un mantenimiento correctivo, es decir, que hay alguna parte del sistema que a dejado de estar operativa, y que por tanto hay que cambiar. Conviene no olvidar que estos sistemas, pueden estar colocados en lugares de difícil acceso, o que el coste del mantenimiento sea tan caro que no sea rentable, su instalación, frente al convenciona l grupo electrógeno. Se van a tratar los mismos puntos que en el punto anterior, es decir:

• Aerogenerador • Grupo diesel • Baterías

72

• Convertidores • Módulos fotovoltaicos

2.5.1 AEROGENERADOR

Para hablar del mantenimiento del aerogenerador, hay que exponer previamente un par de conceptos. El primero es que hay que conseguir que el mantenimiento se reduzca prácticamente a cero, ya que un coste de mantenimiento excesivo, llevará a una bajada notable en los beneficios, e incluso en las futuras ventas. Y, en segundo lugar tiene que ser muy fácil de realizar, porque la idea de los sistemas aislados es que el tiempo necesario en el mantenimiento debe ser muy corto, primero para mejorar los costes y segundo para evitar que el tiempo de parada y por tanto de falta de suministro sea mínimo. En cuanto a las tareas de mantenimiento necesarias para la conservación de los aerogeneradores, hay que decir que difiere bastante de unos aerogeneradores a otros, ya que depende de las partes móviles que tenga el aerogenerador, si hace la regulación pasiva o activa, de cómo sean las palas, material, tipo, etc.

En este capítulo se van a dar una serie de pautas de mantenimiento a modo general sin especificar tipos de aerogeneradores, aunque se harán algunas aclaraciones para algunos tipos de aerogeneradores. Antes de seguir hay que explicar que existen tres tipos de mantenimiento, el preventivo, el correctivo y el predictivo.

El primero de ellos, es que el se realiza periódicamente y cuando al usuario le interesa, para evitar trastornos cuando se necesite realmente. El segundo es cuando hay alguna parte del sistema que no funciona adecuadamente, ya hay que solucionarlo. Y el predictivo, es cuando podemos predecir por algún tipo de medida o equipo, cómo está funcionando el equipo y cuando va a fallar.

Puesto que los dos últimos, son muy específicos de cada máquina y se necesita tener una formación adecuada para realizarlos, vamos a exponer solamente algunas tareas que se deben realizar en una buena parte de los aerogeneradores convencionales. Estas pautas normalmente no exigen un conocimiento exhaustivo de la máquina, ni de los componentes que la componen, y normalmente son comprobaciones de que el aerogenerador responde correctamente.

Para empezar se dan unas nociones generales, para luego profundizar un poco más en algunas de ellas.

• Comprobación de que la máquina opera correctamente, es decir, que no provoca ningún problema al usuario.

• Inspección visual de las palas, de la torre, de los vientos, de las zapatas, por si tuviera alguna parte desgastada o estropeada, sobretodo si se escucha alguna vibración o ruido extraño.

73

• Inspección de la condición general del rotor. Por ejemplo, es importante ver si hay manchas de aceite por abajo, si se observan ruidos, si hay discontinuidades en el funcionamiento.

• Comprobación de la salida de la máquina y de su comportamiento mecánico y eléctrico, en las condiciones en las que se encuentra ubicado en el aerogenerador. Dentro de estas pautas habría que realizar:

1. La máquina debe arrancar a la velocidad que está fijada y con el

procedimiento de arranque que tenga establecido. Si no es así, se debe comprobar todas las partes móviles de la máquina así como todas las posibles ordenes de arranque que tenga. También revisaremos el ángulo de ataque de las palas por si hubiera variado por un mal apriete u otro problema.

2. Es muy importante que no se noten vibraciones en ninguna parte del rotor, ni tampoco diferencias claras de movimiento en cada vuelta, como ya se ha dicho. En caso de que ocurra algo así, se cambiarán los rodamientos, se debería ver si hay algún problema con el eje y con el cableado interno o externo del generador, así como ver que las palas están en perfecto estado. Lo que no esté bien se debe cambiar.

3. Se debe comprobar que la regulación de velocidad la realiza correctamente y a la velocidad prefijada por el fabricante. Si no fuera así, se realizará, un chequeo a todas las órdenes del sistema de control. Y si tuviera un sistema de control pasivo, ver que todas las partes funcionan correctamente, muelles, amortiguadores, etc. Se debe comprobar que no hayan perdido sus constantes de recuperación y en el caso de los amortiguadores, que no se detecten fugas de aceite hidráulico.

4. Es también importante comprobar si en el límite de velocidad del generador, el sistema de frenado actúa correctamente. Normalmente esta parte, no se puede comprobar cuando se va a realizar el mantenimiento, por eso, se suelen colocar sistemas de medida que detectan si el sistema ha parado correctamente. Si no para, ni activamente, ni pasivamente, probablemente, se queme el generador o alguna parte de la máquina se estropee y deje de funcionar correctamente, con lo que se notará la falta.

5. Otro punto que hay que medir y tener controlado es el nivel de tensión, frecuencia y potencia que entrega el aerogenerador a diferentes velocidades, y comprobar que se ajustan a los valores teóricos. Si dichos valores son muy dispares, es posible que alguna parte del sistema eléctrico se haya deteriorado, con lo que habrá que comprobar todas las partes eléctricas, revisar aislamientos, resistencias internas, cableado, etc. Esto es muy complicado que ocurra y siga generando el sistema bien, pero hay que comprobarlo cada vez que se haga el mantenimiento de la máquina.

6. El siguiente punto que hay que revisar es el frenado de emergencia. Hay que comprobar que en funcionamiento normal, se puede parar la máquina y que si se quiere realizar el mantenimiento la máquina se queda parada y no arranca. Si hay un fallo, se revisarán los ferodos del freno, así como los cables y accionamiento que actúan sobre ellos.

74

• Hay una serie de tareas más rutinarias que las que se han descrito y que

conviene también revisar son:

1. Comprobación visual de las palas. Ver si existen marcas de impactos de piedras o marcas de falta de pintura. También ver si se ha despegado la cinta de ataque, si lleva. Convendrá también realizar un reapriete de las palas.

2. Comprobación y engrase de los rodamientos de todas las partes móviles del aerogenerador. Si se encuentran deteriorados se cambiarán.

3. En las demás partes del aerogenerador, cola, caperuza, etc., se comprobará su estado general y se encuentra algún defecto que afecte al funcionamiento óptimo se cambiará.

4. En el caso de que exista caja multiplicadora, habrá que comprobar el nivel de aceite de la reductora. Se comprobará también si hay manchas de aceite alrededor para poder detectar posibles fugas. Si hay alguna fuga se reparará y se rellenará del aceite que se recomiende hasta el nivel de funcionamiento.

5. Los vientos y demás partes de sujeción de la máquina y/o de la torre (tensores, perrillos, etc.) deben estar en perfecto estado. Se comprobará visualmente si hay alguna parte oxidada o si algún hilo de los vientos está picado, y si ocurre algo se cambiará inmediatamente.

Estas son algunas operaciones básicas y tratadas de manera muy

general, sin dar valores numéricos, ni de tiempos ni de los propios de cada máquina. Cada fabricante deberá especificar en sus manuales los tiempos de mantenimiento y cómo se realizan. También deberá explicar quién debe hacer esas comprobaciones y los cambios de las piezas que estén estropeados.

Por supuesto, si aparecen nuevos fabricantes, deberán especificar en

sus manuales todas las pautas de mantenimiento. De todas formas hay que realizar manuales dinámicos, ya que habrá pautas que a medida que se vayan mejorando las piezas y el desarrollo de la máquina, se tengan que modificar.

2.5.2 GRUPO DIESEL Como en el caso de los aerogeneradores, en los grupos diesel, también cabe hablar del mantenimiento predictivo, correctivo y preventivo. Como en el otro caso, sólo vamos a tratar el tema del mantenimiento preventivo. Se van a dar algunas pautas generales en las dos partes más diferenciales, que es por una parte el motor diesel y por la otra el generador eléctrico.

Motor diesel. Sistema de lubricación. § Comprobar el aceite de lubricación por si tuviera restos de

impurezas o hubiera perdido las propiedades. Si está mal cambiarlo.

75

§ Revisar el filtro del aceite. Si está mal o se han pasado las horas de funcionamiento establecidas por el fabricante, cambiarlo.

§ Cambiar las juntas y racores que estén en mal estado o que hayamos quitado al hacer la revisión.

§ Conviene tomar muestras del aceite de lubricación, sobretodo si está en mal estado, para poder analizarlo y detectar el problema.

§ Comprobar si existen goteos en algún punto del sistema de lubricación o si se observan manchas de aceite por el suelo o por alguna parte del motor. Si es así ver de donde procede la fuga y repararla.

Sistema de alimentación de diesel

§ Limpiar los sedimentos de los filtros, y drenar la posible agua que haya quedado en los secantes.

§ Revisar la bomba del gasoil. § Revisar los inyectores de gasoil. En caso de que estén obstruidos,

limpiarlos, y si no se puede solucionar, cambiarlos. § Revisar el tiempo de inyección. Si se hubiera desajustado,

comprobar las órdenes del sistema de control, y si se ha desajustado, hay que ajustarlo.

Sistema de refrigeración

§ Revisar los niveles de refrigerante. Si está bajo, comprobar si ha

habido fuga, y repararla. Si ha sido por una gasto del uso, rellenar hasta el nivel recomendado.

§ Comprobar la densidad y el ph de la mezcla de refrigerante y agua y comprobar que está en los valores adecuados para el emplazamiento.

§ Revisar los filtros, si se han movido, colocarlos en su sitio.

Sistema de aire inducido

§ Limpiar los filtros del aire. § Cambiar las juntas tóricas cada vez que se abran los sistemas.

Sistema turbo (si lo hubiera)

§ Revisar el compresor y cambiarle los rodamientos si están

desgastados o se han pasado sus horas de funcionamiento. § Revisar la alimentación de diesel y los inyectores. § Revisar las seguridades.

Mantenimiento general

§ Revisar las correas de la distribución. Si están dañadas o

destensadas, cambiarlas. § Revisar los elementos auxiliares, batería, motor de arranque,

engrasadores, embrague, etc. § Chequear que todas las alarmas saltan y realizan su función en

caso de que ocurriera un problema § Revisar los elementos de sujeción del grupo a la bancada.

76

Generador eléctrico. Las pautas a realizar al generador eléctrico vienen a ser las mismas que

a cualquier generador, incluso que a un aerogenerador, es decir, revisar las resistencias internas, los rodamientos, el aislamientos, los engrases, comprobar la salida, la frecuencia, etc.

En este caso, el mantenimiento debe ser realizado por alguien

especializado en máquinas eléctricas, y no debe ser realizado a la ligera, ya que un generador síncrono puede ser bastante caro de reparar, en caso de fallo.

2.5.3 BATERIAS Las baterías son un elemento que no requiere excesivo mantenimiento, si se hace un uso adecuado y correcto. De todas maneras hay algunas acciones que conviene apuntar aquí:

• Se deberá reponer el electrolitito con agua destilada, cuando esté llegando al nivel mínimo marcado en el vaso.

• Se debe revisar casi a diario el aspecto general de la batería, y comprobar si están muy calientes.

• Se debe medir mensualmente o por lo menos una vez cada 3 meses, la densidad del electrolito, y la tensión de cada vaso a fin de saber en qué estado se encuentra y poder realizar una serie de cargas y descargas para tratar de volver a ponerlas en la forma buena.

• Cuando el estado de un vaso no sea óptimo, y no se logre recuperarlo mediante un ciclo de cargas y descargas programado, se deberá sustituir el vaso por otro nuevo a fin de evitar que el conjunto se estropee.

• Si existe alguna fuga en las baterías, se procederá a limpiarlo con agua bicarbonatada, para posteriormente secarlo con un trapo seco.

Los posibles defectos que se pueden encontrar en una batería son:

• En el electrolito. o Suciedad. Esto puede ocurrir porque están abiertos los tapones de los

vasos o porque no se ha utilizado agua destilada para rellenar. También puede ser que la temperatura en la carga sea muy elevada. En este caso habrá que cambiar todo el electrolito.

o Se ha salido electrolito por arriba. El nivel está muy alto o se ha

realizado una carga muy fuerte. La corrección es bajar el nivel del electrolito o bajar la intensidad de carga.

o Alta densidad. Normalmente es porque se ha echado potasa en lugar

de electrolito. Habrá que corregir la densidad añadiendo agua.

77

o Baja densidad. Las causan suelen ser una carga demasiado elevada o que se ha derramado electrolito. Habrá que controlar la carga y corregir la densidad .

o Formación de espuma. Electrolito sucio debido a grasa. La solución

pasa por cambiar el electrolito y limpiar el elemento. o Mal nivel. Esto es porque se ha olvidado de hacer el mantenimiento o

se ha rellenado con demasiado electrolito. o Alta temperatura. Suele ser por una carga demasiado larga o por una

corriente de carga muy elevada. En este caso habrá que controlar la carga y regularla en proporción a la descarga, y también habrá que reducir si se puede.

o Coloración óxido. El electrolito está sucio porque se ha hecho el relleno

con agua que no está destilada. Cambio inmediato de electrolito. Y si no se dispone de electrolito nuevo, lavar con agua destilada y dejar rellenado de agua destilada hasta que se disponga de electrolito nuevo.

• En el exterior del elemento. o Calentamiento. La causa es porque ha habido un trabajo demasiado

intenso o ha ocurrido un falso contacto o un fallo en la conexión de los cables. La corrección que hay que realizar es bajar la intensidad de la carga, y controlar las conexiones y si es necesario apretar las tuercas de los terminales y limpiarlas.

o Humedad en los elementos. Puede ser que el nivel esté alto o puede

ser que haya entrado agua en la sala de baterías y esté estancada. Habrá que revisar los niveles y la sala y corregir los posibles defectos que se tengan.

o El revestimiento aislante de los elementos está suelto. Puede ser un

defecto mecánico o que el electrolito ha penetrado y se han formado cristales que han deshecho el aislamiento. Habrá que limpiar los elementos y reparar las fisuras con una masa especial y apretarlos con mordazas para que no se suelten.

• Otras faltas. o Reducción de la capacidad. Aquí puede haber varias causas:

§ Carga insuficiente. Se debe compensar la carga y la descarga de las baterías. Si está en carga automática, se debe variar el tiempo del regulador.

§ Electrolito sucio. Se debe cambiar el electrolito. § Temperatura siempre demasiado alta. Aquí la única solución es

mandarlo a reparar o cambiarlo. § Demasiada vida de la batería. Es un síntoma normal de desgaste. § Batería húmeda por mal rellenado de electrolito. Se debe limpiar la

batería. o Batería en cortocircuito. Algún cable ha perdido su aislamiento. La

solución es desembornar los cables y poner cables nuevos.

78

o Formación de cristales encima de los elementos. La causa puede ser

que el nivel esté demasiado alto o que la carga sea demasiado fuerte. Habrá que quitar los cristales utilizando una brocha y agua caliente, y controlar el nivel y la carga.

o Barnizado de los elementos defectuoso. En este caso puede ser que

sea en los propios elementos o en alguna parte, como el chasis. La causa es la propia del desgaste. La solución es quitar los restos de barniz, limpiarlos, desengrasarlos y volver a barnizar las partes que hayamos raspado.

o Oxidación del elemento. La causa es que los elementos estén

húmedos, debido al deficiente relleno, o por influencias atmosféricas. La solución es quitar el óxido con algún papel esmeril fino, para después engrasar, y mantener la batería lo más seca posible.

o Tensión anormalmente alta en la carga. Aquí vuelve a haber varias causas:

§ Que haya falsos contactos o una resistencia elevada debido a

terminales o cables flojos o porque las superficies de contacto estén sucias. Hay que comprobar conexiones, y limpiarlas, y comprobar el apriete de las tuercas de las bornas.

§ Que la temperatura de la batería esté muy baja. La solución sería poner la batería en un sitio donde pudiera subir la temperatura.

§ Que la corriente de carga sea demasiado alta. Habría que reducir la corriente de carga.

o Tensión anormalmente baja en la carga. Aquí vuelve a haber varias

causas: § Que haya falsos contactos o una resistencia elevada debido a

terminales o cables flojos o porque las superficies de contacto estén sucias. Hay que comprobar conexiones, y limpiarlas, y comprobar el apriete de las tuercas de las bornas.

§ Que la temperatura de la batería esté muy baja. La solución sería poner la batería en un sitio donde pudiera subir la temperatura.

o Pérdida de tensión. Volvemos a tener varias causas:

§ La carga es insuficiente. La solución sería poner la carga en la justa proporción con la descarga.

§ El electrolito está sucio. Hay que cambiar el electrolito. § Que hay defectos de aislamiento (descarga por cortocircuito).

Habría que cambiar el aislamiento.

2.5.4 CONVERTIDORES En general, el mantenimiento de los convertidores no conlleva mucho trabajo, si bien, tiene que haber una gran parte de mantenimiento preventivo, y sobretodo de mantenimiento visual por parte del usuario.

79

No obstante conviene comprobar cada seis meses, que el convertidor funciona correctamente. Medir la salida, la entrada, anotando los valores y viendo si se corresponden con los teóricos. E incluso si hay una regulación de tensión conviene, modificar las tensiones y ver que todo funciona correctamente. Si en algún momento, dejara de rectificar o de invertir el convertidor, se comprobará, si tenemos algún elemento quemado (tiristor, transistor, etc), y se cambiará, aunque esta última parte conviene que se haga en un sitio adecuado y por gente cualificada para ello.

2.5.5 MODULOS FOTOVOLTAICOS En primer lugar hay que tener en cuenta que el mantenimiento de unas placas fotovoltaicas es una tarea bastante sencilla de realizar por el propio usuario del sistema aislado, siempre y cuando la instalación de los módulos lleve asociado un fácil sistema de acceso a ellos, con lo que el instalador, además de colocar el sistema deberá aconsejar al usuario cómo debe acceder a las placas fotovoltaicas y cómo ha de realizar el mantenimiento, para que no conlleve riesgos de caída, corte, etc.

El mantenimiento consistirá básicamente en una inspección visual cada cierto tiempo, de cómo están las pantallas. También revisar el anclaje de los módulos fotovoltaicos por si hay alguno que no está muy fijo, y reapretar los demás tornillos. Si están sucias, con un trapo limpio con agua que no deje restos de fibra se limpiarán, procurando no rayar en exceso las pantallas. En invierno si ha nevado, donde se tengan instaladas las placas, se deberá retirar la nieve con elementos que no rayen la superficie.