Descripción de las tecnologías: Instalaciones tipo

a) Instalaciones fotovoltaicas

Los sistemas fotovoltaicos se emplean principalmente para producir energía eléctrica en lugares alejados de la red, dependiendo de la aplicación, necesitan batería para almacenamiento. La carga puede ser de corriente continua o alterna.

Hasta 1 ó 2 kWp la carga puede ser en corriente continua. Las principales ventajas de estas

instalaciones son la simplicidad y la alta fiabilidad. Sistemas estándar de 12 V y 24 V son empleados para alimentar pequeñas lámparas y para aplicaciones de electrificación. Un ejemplo típico son los “sistemas de casas solares” (Solar home systems, SHS), que suministra pequeñas cantidades de energía para viviendas alejadas de la red. Comprenden uno o varios módulos fotovoltaicos montados sobre una adecuada estructura de soporte (tal como el tejado), una batería y un regulador de carga.

Los sistemas de corriente alterna con acumuladores electroquímicos representan la configuración estándar para aplicaciones de más consumo. Según Vallvé y Serrasolses (Vallvé y Serrasolses, 97, pp. 24-25) para suministrar energía eléctrica equivalente a la red en Europa se necesitan 2 kWp, los valores habituales utilizados, aplicando principios de uso racional de la

energía, son de 1,1 kWp. En todos estos casos se utiliza un inversor.

Figura 1.4. Configuración tipo del sistema fotovoltaico individual.

GENERADOR FOTOVOLTAICO SISTEMA DE ACUMULACION REGULADOR DE CARGA INVERSOR CARGAS AC CARGAS DC CONVERTIDOR DC/DC

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Se están realizando esfuerzos con el fin de estandarizar las instalaciones de energías renovables y, en concreto, los sistemas fotovoltaicos para viviendas aisladas (ver Anexo, punto A.4.3). Los resultados publicados hasta el momento indican que para estas aplicaciones simultanear la corriente continua con la alterna parece lo más adecuado en cuanto a eficiencia y rendimiento (la eficiencia de una instalación fotovoltaica viene condicionada principalmente por los fallos del inversor; el inversor debe dimensionarse para la máxima carga alterna, si toda la carga se alimenta de esta forma, esto dará lugar a que el inversor trabaje de forma poco eficiente la mayor parte del tiempo).

Los sistemas sin batería con un rango de potencia entre 600 Wp y 3.5 kWp son utilizados para

aplicaciones de bombeo de agua. En este caso la reserva de agua actúa como almacenamiento. Estos sistemas habitualmente emplean un inversor de frecuencia variable conectado directamente a la asociación de paneles fotovoltaicos. El inversor de frecuencia variable regula la velocidad de la bomba con el fin de hacer un uso máximo de la potencia fotovoltaica disponible. Las principales ventajas de estos sistemas son su alta eficiencia, su diseño robusto, y la posibilidad de operar con muchas bombas estándar de alterna.

b) Instalación eólica

En este tipo de instalaciones la posición de la turbina eólica está condicionada por la cercanía al consumo, lo que obliga a un estudio detallado que permita determinar el emplazamiento más adecuado. El coste mayor o menor de la instalación condicionará la mayor o menor necesidad de exactitud de los datos de potencial eólico manejados, por lo que en general en este tipo de instalaciones, bastará con una buena estimación de la velocidad media anual, del índice de variabilidad y de las frecuencias anuales en las diferentes direcciones.

La instalación completa consta, además de la turbina eólica, de un regulador de carga, de unas baterías de acumulación y, si la carga lo requiere, de un inversor. Esto es en el caso de que el aerogenerador suministre corriente continua, si el generador eléctrico es un alternador, la instalación debe constar de un rectificador. El funcionamiento, criterios de diseño, mantenimiento, etc. de estos equipos es similar al caso de una instalación fotovoltaica, salvo lo relativo al aerogenerador.

En general las instalaciones eólicas aisladas requieren una capacidad de almacenamiento superior a las fotovoltaicas, debido a las grandes variaciones de la disponibilidad de potencial eólico, que no presenta tanta uniformidad en el ciclo diario como la radiación solar. Esto se traduce en que los sistemas eólicos para aplicaciones autónomos sean viables económicamente para demandas mayores que los fotovoltaicos, de forma que esta mayor demanda compense el aumento del coste debido al mayor coste de la acumulación.

Para las situaciones en el sistema de acumulación esté saturado y la carga sea inferior a la generación es necesario contar con una carga de disipación. La carga de disipación debe ser dimensionada para acomodarse a la potencia excedente máxima instantánea, que corresponde a la diferencia entre el valor mínimo de la carga y el máximo de la turbina (valores instantáneos de potencia). En algunas aplicaciones estas cargas de disipación se aprovechan como calefacción para no desperdiciar esos excedentes energéticos y mejorar el factor de capacidad de la instalación.

ELECTRIFICACIÓN RURAL Página 16 Figura 1.5. Configuración tipo del sistema eólico individual.

b) Grupo electrógeno individual

Corresponde a 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 adecuado, son muy fiables. Para aplicaciones de potencias medias, entre 5 y 50 kVA, suelen ser los preferidos por los usuarios. Constan de sistema de refrigeración, depósito de combustible, batería de arranque y panel de control. El tiempo de arranque es muy corto, estando en el rango de pocos segundos.

A pesar de sus ventajas tienen 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.

Para mejorar las condiciones de operación se incluye un sistema de acumulación que disminuya el número de ciclos de arranque-paro y que permite trabajar con mayor nivel de carga. Los fabricantes recomiendan que el grupo no trabaje durante largos períodos de tiempo con cargas inferiores al 40% de su potencia nominal, aunque este valor se ha reducido al 20%– 30% en los grupos modernos, en cualquier caso nunca debe operar por debajo del 10% de la potencia nominal (Nordin y Lindemark, 99, p. 3). Esto se traducirá en un menor desgaste del motor con los consiguientes beneficios de ahorro en los costes de mantenimiento y mayor tiempo de vida.

Debe tenerse en cuenta que la potencia nominal es establecida a nivel del mar, con

temperatura ambiente de 25 °C, 60 % de humedad relativa y con una cierta calidad del

SISTEMA DE ACUMULACION REGULADOR DE CARGA INVERSOR CARGAS AC CARGAS DC CONVERTIDOR AC/DC GENERADOR EÓLICO

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combustible (la normativa internacional sobre grupos electrógenos está cubierta por la ISO 8528).

Figura 1.6. Configuración tipo del sistema diesel individual.

Además, la inclusión de un sistema de acumulación, dependiendo de sus pérdidas energéticas asociadas, producirá un ahorro de combustible (un grupo trabajando en vacío puede consumir del 20%–30% del combustible a plena carga). El proceso de diseño del sistema de almacenamiento debe incluir una evaluación económica de la reducción del ciclado y del combustible ahorrado, para compararlo con el coste del sistema de acumulación.

Debe considerarse en su instalación que, como habitualmente la potencia de cortocircuito de un alternador es del orden de tres veces la nominal, los cables que alimentan las cargas tengan la menor longitud posible, para evitar que, ante un cortocircuito, no actúen las protecciones. Por otra parte, debe estar situado de forma que las emisiones de ruido perturben lo menos posible.

d) Sistema diesel central

Cuando se trata de suministrar energía eléctrica a comunidades grandes es muy habitual utilizar varios grupos diesel, dimensionados de forma que, en cualquier régimen de carga, un grupo diesel pueda estar parado como capacidad de reserva.

Una mini red de grupos diesel de estas características permite una mayor eficiencia al posibilitar un alto grado de carga de los grupos en funcionamiento, además de aumentar la fiabilidad del sistema: un grupo electrógeno tiene una probabilidad de fallo en el arranque de

SISTEMA DE ACUMULACION REGULADOR DE CARGA INVERSOR CARGAS AC GENERADOR DIESEL AC/DC

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0,005, es decir 5 fallos como máximo de 1000 arranques (Nordin y Lindemark, 99, p. 6). Pero cuanto mayor sea el número de grupos, mayor son los costes de inversión y el mantenimiento es más complicado (Guedes y Aníbal, 98, p. 318).

Figura 1.7. Configuración tipo del sistema diesel central.

Cada grupo es idéntico al diesel individual salvo las cuestiones relativas al posible cambio de escala de potencia, con las necesidades de refrigeración adicional y mantenimiento más exhaustivo a que puede dar lugar.

Si las cargas son de tipo medio, del orden de 25 – 50 kVA, se suele emplear, por motivos económicos, un único grupo de esa potencia. La potencia por grupo, en aplicaciones de electrificación rural, está en el rango de 50 a 300 kVA.

Todos estos sistemas incorporan líneas de baja tensión para alimentar las distintas viviendas. Además será necesario una gestión de la instalación al suministrar a más de un usuario.

e) Sistema eólico-diesel

Para valores crecientes de la demanda, el empleo de un sistema de acumulación como apoyo único al aerogenerador no resulta viable económicamente y es necesario un grupo diesel. Desde otro punto de vista, en lugares de alto potencial eólico, puede ser rentable incorporar una (o varias) turbina eólica al grupo diesel para ahorrar combustible y mantenimiento. En cualquier caso, los sistemas eólico-diesel sólo resultan competitivos en condiciones de elevado potencial eólico y demanda media-alta, o bien cuando exista un buen acoplamiento entre la demanda y el viento (IER, 92, p. 3), que permita reducir el tamaño del grupo diesel.

SISTEMA DE ACUMULACION SISTEMA DE CONTROL INVERSOR GENERADOR DIESEL AC/DC VIVIENDA 1 VIVIENDA N Señal de arranque y parada

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En los sistemas de suministro de energía descentralizada, las condiciones específicas de la carga dan lugar a una configuración determinada, de acuerdo con los criterios prioritarios asumidos para la gestión de todo el sistema. Estos criterios pueden ser: mínimo consumo de combustible, máxima penetración de la energía renovable, mínimo ciclo convencional de arranque-parada, seguridad de suministro, calidad del suministro, etc.

El esquema general de una instalación eólico-diesel consta, además de la turbina eólica y del grupo diesel, de sistemas de control de la turbina, del grupo, de la carga y además un control de la instalación completa. Para disminuir el consumo de combustible puede incluirse también un sistema de acumulación que permita aprovechar la energía eólica en horas de poca demanda y reducir el número de ciclos de arranque-parada.

Para sistemas sin acumulador, es necesario arrancar el grupo diesel siempre que el suministro de energía eólica caiga por debajo de un determinado margen de seguridad, que habitualmente es un porcentaje significativo de la potencia eólica instalada, para tener en cuenta la variabilidad de la velocidad del viento. En la práctica esto resulta en que el diesel está trabajando en grandes períodos de tiempo en los que su aportación no es necesaria. Esto se puede evitar mediante el empleo de acumulación o de gestión de la carga.

En definitiva las funciones básicas del acumulador son:

• Suavizar las fluctuaciones de potencia causadas por la naturaleza turbulenta del viento

con unas condiciones de funcionamiento aceptables para el diesel

• Aprovechar mejor el potencial eólico cargando el acumulador en períodos de excedente

eólico y descargándolo cuando la demanda supera la potencia eólica media

El dimensionado del acumulador de nuevo es una cuestión económica en la que deben valorarse la energía eólica aprovechada, el beneficio procedente de la disminución del ciclado, en términos de desgaste y mantenimiento, y el ahorro de combustible diesel. Además influye poderosamente la filosofía de funcionamiento considerada.

También es necesario el empleo de una carga de disipación, por la misma razón que para los sistemas “sólo” eólico. El sistema de control da entrada a este componente en función del equilibrio de potencias y de los límites de frecuencia de la instalación.

Existen distintas filosofías de funcionamiento según el grupo esté operando continuamente o no, dependiendo de cómo se mantiene la frecuencia, etc. Una de estas formas de funcionamiento, según el primer criterio, se describe a continuación: cuando el viento está en calma, el grupo trabaja a potencia nominal; cuando la velocidad del viento es variable el grupo apoya la producción del mismo; en el caso de velocidad del viento suficientemente alta el grupo, o está parado generando la turbina toda la potencia, o mantiene su funcionamiento en condiciones de ralentí generando la turbina la potencia restante. Para ver otros planteamientos del sistema de control y distintas configuraciones pueden consultarse: Hunter y Elliot, 94, y Lipman, 94.

ELECTRIFICACIÓN RURAL Página 20 Figura 1.8. Configuración tipo del sistema eólico-diesel central.

f) Conexión a red eléctrica de media tensión(UNIÓN FENOSA, 1998; Iberdrola, 97)

Se emplea la denominación “extensión de red” cuando es necesario aumentar la potencia instalada en subestaciones para satisfacer la carga. Si esto no es necesario se utiliza “ampliación de red”, que será el caso considerado en este trabajo.

Red de Media Tensión

La red aérea de MT rural es radial y abierta. Consta, para la situación de ampliación de red, de líneas secundarias ( son derivaciones de la línea principal) y racimos (agrupación de centros de transformación de hasta 8 transformadores y 800 kVA de potencia instalada) ya que la línea principal (constituye la línea eje que sale del interruptor de MT de la subestación) se supone que ya existe.

Centro de transformación intemperie sobre apoyo (CTIA)

Los elementos constitutivos de un centro de transformación de este tipo son:

• Apoyo SISTEMA DE ACUMULACION SISTEMA DE CONTROL INVERSOR GENERADOR DIESEL AC/DC VIVIENDA 1 VIVIENDA N

Señal de arranque y parada

CONVERTIDOR AC/DC GENERADOR EÓLICO CARGA DE DISIPACIÓN

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• Transformador MT/BT

• Cuadro de BT para centros de intemperie sobre apoyo

• Interconexionado pararrayos-trafo

• Pararrayos

• Interconexión trafo-cuadro BT

• Instalación de puesta a tierra

Estos centros utilizan transformadores de 50 ó 100 kVA. Para potencias superiores se emplean centros de transformación del tipo “pie de poste” (160 y 250 kVA), y “caseta” (250 y 400 kVA). No se emplean potencias inferiores salvo para centros propiedad del cliente y en casos excepcionales.

Figura 1.9. Configuración tipo de ampliación de red.

Red de Baja Tensión

Las líneas principales (línea eléctrica que tiene su origen en el centro de transformación y alimenta distintas derivaciones y acometidas), cables tipo “RZ 0,6/1 kV 3x95 Al + 54,6 Ac” y longitud máxima de 800 m en área rural.

Las derivaciones (línea eléctrica conectada a la línea principal en un punto de su recorrido) con cables tipo “RZ 0,6/1 kV 3x95 Al + 54,6 Ac” y “RZ 0,6/1 kV 3x50 Al + 54,6 Ac”.

Las acometidas (parte de la red eléctrica comprendida entre la red de distribución –línea principal o derivación- y la caja general de protección) con cable tipo “RZ 0,6/1 kV 3x50 Al + 54,6 Ac” ó “RZ 0,6/1 kV 3x25 Al + 54,6 Ac” ó de etileno propileno ó polietileno reticulado con sus correspondientes cubiertas y secciones 4x16 mm2 Al ó 2x16 mm2 Al.

El conductor neutro se pondrá a tierra en el primer apoyo de cada una de las salidas aéreas de BT, cuando no esté puesto ya en el CT. Además se pondrá a tierra en diversos puntos de la red de manera que no existan longitudes de red superiores a 500 m entre puestas a tierra,

CENTRO DE TRANSFORMACIÓN RED ELÉCTRICA DE MEDIA TENSIÓN VIVIENDA 1 VIVIENDA N

LÍNEAS DE BAJA TENSIÓN

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eligiendo preferentemente los puntos de ramificación y teniendo en cuenta la calidad del terreno. Se procurará que exista una toma de tierra en los últimos 200 m de cada derivación. La resistencia máxima del conjunto de puestas a tierra del neutro de una red de un CT no será superior a 37 Ω.

Para más información puede consultarse los proyectos tipo de las distintas compañías eléctricas. El ejemplo de aplicación del método que se desarrolla en este estudio es sobre un área perteneciente a Iberdrola y, por tanto, para el CTIA debería considerarse el proyecto tipo desarrollado en Iberdrola, 97.

Si suponemos una línea de distribución de Media Tensión y algunas ramificaciones abiertas de la red de Baja Tensión. El esquema típico está compuesto de:

∗ Línea aérea de MT

∗ Apoyos y herrajes

∗ Transformador MT/BT y soportes

∗ Ramificaciones de BT

∗ Elementos de corte y protección

Para el aprovechamiento de la energía transportada se hace necesaria la disposición de un transformador de tensión y de un cuadro de maniobra, tanto en Baja como en Alta Tensión. El transformador, generalmente, será de tipo intemperie. La obra civil en la mayoría de los casos se limita a la apertura de los hoyos para las cimentaciones, en otros casos podrá incluirse la construcción de una caseta destinada al transformador.