Propuesta de sistema hibrido de generación para aéreas rurales

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. Propuesta de Sistema Híbrido de Generación para aéreas rurales Autor: Danny Álvarez García. Tutor: MSc. Lesyani León Viltre E-mail: [email protected]. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Propuesta de Sistema Hibrido de Generación para aéreas rurales. Autor: Danny Álvarez García Telf: 57 24 87. Tutor: MSc. Lesyani León Viltre E-mail: [email protected]. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. Esta etapa de la civilización no puede prescindir de la electricidad. Fidel Castro.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, por el apoyo incondicional. Mi madre, que fuiste mi mayor motivación, fuiste mi mano y mi mente. A mi abuelo Agustín (Fello), que me enseñaste la humildad, a ser fuerte y trabajar por alcanzar los objetivos en la vida..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradecerle primeramente a mi familia por toda su ayuda en los cinco años de carrera. A mis padres por todo su apoyo, a mi madre por su amor y a mi padre por sus conocimientos y ejemplo. A mi hermana por su amor. A mi novia por su comprensión y apoyo. A todos mis profesores, gracias por los conocimientos brindados. A mis amigos por siempre estar a mi lado. Gracias a Mohamed Boulsa Loita, que sin su ayuda no hubiera sido posible la realización de este trabajo..

(7) iv. TAREA TÉCNICA.  Revisar el estado del arte referente a las configuraciones de sistemas híbridos que se utilizan en la actualidad.  Diseñar un sistema híbrido de generación para un área rural.  Implementar en el Simulink el sistema diseñado.  Analizar los resultados obtenidos.  Escribir el informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En el presente trabajo se presenta un sistema de generación híbrido, Eólico-FotovoltáicoDiesel para alimentar un área rural. Este consiste en un aerogenerador de imanes permanentes y un panel fotovoltaico, ambos conectados a un banco de baterías. Se utiliza un rectificador trifásico para rectificar la señal a la salida del aerogenerador; también se incluye un convertidor de corriente directa con el fin de regular la señal proveniente del panel fotovoltáico y un inversor multinivel para transformar la señal de corriente directa proveniente del banco de baterías en una señal de corriente alterna trifásica necesaria para alimentar los diferentes consumidores. Las baterías se encargan de almacenar la energía generada por las dos fuentes primarias, el aerogenerador y el panel, para luego ser utilizada en caso de déficit de energía eólica o solar. El sistema propuesto se complementa con un grupo electrógeno Diesel como fuente auxiliar de generación, que entra en funcionamiento en condiciones especiales. El sistema se implementa en el Simulink del Matlab 10..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 10 CAPÍTULO 1.. Sistemas Híbridos Eólico-Fotovoltaico aislados de la red ...................... 13. 1.1. Generalidades ......................................................................................................... 13. 1.2. Capacidad ............................................................................................................... 15. 1.3. Topologías .............................................................................................................. 15. 1.4. Subsistema Eólico .................................................................................................. 16. 1.4.1 Componentes del Sistema eólico ......................................................................... 16 1.5. Clasificación de Aerogeneradores.......................................................................... 17. 1.5.1. Generador eólico de eje vertical ..................................................................... 18. 1.5.2. Generador eólico de eje horizontal ................................................................. 18. 1.5.3 Tipos de aerogeneradores según sus potencias nominales. ................................. 18 1.5.4 Tipos de aerogeneradores según su control de velocidad ................................... 19 1.5.5 Regulación de Aerogeneradores ......................................................................... 20 1.6 Subsistema Fotovoltaico ........................................................................................... 20.

(10) vii 1.6.1 Generación .......................................................................................................... 22 1.6.2 Acumulación ....................................................................................................... 22 1.6.3 Transformación ................................................................................................... 22 1.6.4 Pérdidas y diseño ................................................................................................ 22 1.7 Tecnología de Paneles Fotovoltaicos ......................................................................... 23 1.7.1 Bases del funcionamiento de las células fotovoltaicas ....................................... 23 1.7.2 Tipos de paneles que se comercializan .............................................................. 25 1.8 Abastecimiento con Grupos Diesel........................................................................... 26 1.9 Generadores Sincrónicos Trifásicos .......................................................................... 26 1.9.1. Características de los generadores sincrónicos. .............................................. 28. 1.10 Máquina Sincrónica de Imanes Permanentes .......................................................... 28 1.10.1. Principio de operación del Generador de Imanes Permanentes ...................... 29. 1.10.2 Modelo matemático de la MSIP. ...................................................................... 34 1.10.3 Ecuaciones Eléctricas ........................................................................................ 35 1.10.4. Ecuaciones Mecánicas. ................................................................................... 37. Capítulo 2 Propuesta de Sistema Hibrido Eólico-Fotovoltaico-Diesel para áreas rurales... 40 2.1. Representación circuital del sistema. ..................................................................... 40. 2.1.1. Modos de operación ........................................................................................ 41. 2.2. Tecnología de Inversores ....................................................................................... 42. 2.3. Topologías .............................................................................................................. 43. 2.4. Convertidores CD/CA ............................................................................................ 44. 2.4.1. Convertidor Diode-Clamped........................................................................... 44. 2.4.2. Convertidor de Dos Niveles ............................................................................ 46. 2.4.3 Convertidor Multinivel ....................................................................................... 47.

(11) viii 2.4.4. Control de inversores ...................................................................................... 48. 2.5 Convertidores DC/DC................................................................................................. 49 2.5.1 Convertidor DC/DC Elevador Con Regulación................................................... 49 2.5.1.1. Modo de Conducción Continua .................................................................. 50. 2.5.1.2. Modo de Conducción Discontinua .............................................................. 51. 2.5.2 2.6. Convertidor DC/DC Regulador. ..................................................................... 52. Ventajas de los inversores multinivel sobre los de dos niveles convencionales. [17]. 53 2.7. Diseño. ................................................................................................................... 55. 2.7.1. Diseño encontrado en la biblioteca del simulink del generador de imanes. permanentes. ................................................................................................................. 55 2.7.1.1. Descripcion. ................................................................................................ 55. 2.7.1.2. Cuadro de dialogo y parámetros. ................................................................ 55. 2.7.1.3. Entradas y salidas del bloque. ..................................................................... 58. 2.7.2. Diseño en SIMULINK del convertidor CC/CC .............................................. 58. 2.7.2.1. Descripción del IGBT. ................................................................................ 59. 2.7.2.2. Entradas y salidas. ....................................................................................... 61. 2.7.3. Diseño del generador Diesel encontrado en la biblioteca del simulink .......... 61. .................................... 61 2.7.3.1. Descripción ................................................................................................. 61.

(12) ix 2.7.3.2 2.7.4 2.7.4.1. Entradas y salidas ........................................................................................ 64 Diseño del banco de baterías y panel fotovoltaico. ........................................ 65 Descripción. ................................................................................................ 65. Capítulo 3 Simulación y análisis de los resultados obtenidos. ............................................. 66 3.1. Introducción. .......................................................................................................... 66. 3.2. Lenguaje de simulación.......................................................................................... 66. 3.3. Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico-Diesel implementado en Matlab/Simulink.67. 3.4. Simulación del Convertidor Elevador DC/DC (BOOST). ..................................... 67. 3.5. Simulación del Grupo Electrógeno Diesel. ............................................................ 70. 3.6. Simulación del Generador de Imanes Permanentes. .............................................. 71. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 74 Conclusiones ..................................................................................................................... 74 Recomendaciones ............................................................................................................. 74 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 75 ANEXOS .............................................................................................................................. 77 Sistema Mixto Eólico-Solar sin conexión a red................................................................... 77.

(13) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 10. INTRODUCCIÓN. Los diferentes tipos de energía y sus fuentes son el corazón de todo desarrollo humano. La energía eléctrica como una de ellas y su eficiente generación son la clave para llevar adelante cada esfera social, ya lo dijera el comandante en jefe Fidel Castro: “Esta etapa de la civilización no puede prescindir de la electricidad”. Con el decursar de los años se ha hecho vital la generación de electricidad a partir de las fuentes de energías renovables. Las energías renovables son las que se aprovechan directamente de recursos considerados inagotables (no disminuyen sus recursos en lo que respecta a la escala humana) como el Sol, el Viento, los cuerpos de Agua, la Vegetación o el calor interior de la Tierra, recursos que están relacionados con los ciclos naturales de nuestro planeta, haciendo posible que dispongamos de los recursos permanentemente; al contrario de las fósiles (energía convencional proveniente de recursos no renovables) cuyas "reservas almacenadas" se agotan debido a nuestro alto consumo [2]. Las energías renovables, como fuente inagotable de recursos, han llegado a ser imprescindibles para el desarrollo económico de un país y un eslabón clave en la solución de importantes demandas de la sociedad. A diferencia de los hidrocarburos y la energía nuclear, estas coexisten, se complementan y aportan su potencial energético sin contaminar el medio ambiente. La energía fotovoltaica es la única que convierte directamente la energía solar en eléctrica. La energía proveniente del Sol llega a la tierra en forma de radiación, la potencia que nos llega es de unas 10 000 veces mayor que la proporcionada por todas las fuentes energéticas conocidas por el hombre, de aquí se deriva la importancia del uso de este tipo de energía y varias son sus ventajas: tecnología en pleno desarrollo y aceptada internacionalmente, altamente confiable y no contaminante, bajos costos de operación y de mantenimiento, mejor opción de las fuentes renovables de energía para introducir en el ámbito urbano, en la.

(14) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 11. mayoría de los casos no posee partes móviles, permite un diseño modular aplicable en los más diversos sitios y para muy diferentes usos, fácil de producir e instalar a escala masiva, permite generar empleos con un desarrollo industrial sustentable y es el modo más directo de proveer de energía a decenas de millones de personas sin electricidad en el mundo [2, 3]. La energía eólica tiene una procedencia directa de la energía solar, entre el 1% y 2% de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica. Es la energía cinética que posee una masa de aire que se encuentra en movimiento. En la actualidad, la mayor parte del suministro eléctrico en el mundo se genera en grandes plantas generadoras (carbón, nuclear, gas, fuel o gran hidráulica), conectadas a las redes nacionales. Como es bien sabido, en los últimos años se ha producido un desarrollo significativo de los llamados sistemas de generación distribuida: aerogeneradores, biomasa, solar fotovoltaica o pequeña hidráulica, para complementar la estructura de la red. Sin embargo, amplias zonas rurales y periurbanas todavía carecen de un acceso fiable al suministro eléctrico en red. La electrificación por sí misma no resuelve los problemas de pobreza, ni siquiera los problemas de acceso a la energía, ya que la necesidad de otras fuentes de energía en muchos casos permanece, como el uso de madera, carbón o fuel para cocina o para usos térmicos. Sin embargo, un suministro eléctrico fiable se puede considerar como una herramienta válida y necesaria para el desarrollo rural. En este contexto, la extensión de la red eléctrica todavía se considera como la primera opción para la electrificación de áreas hasta ese momento sin acceso. Además de por el propio suministro eléctrico, la llegada de la red es percibida comúnmente por la población de las zonas rurales como síntoma de integración en las estructuras regionales o nacionales. La realidad muestra que incluso después de la instalación de un sistema autónomo, este se percibe como una solución temporal previa a la llegada de la red, si bien se pueden encontrar bastantes ejemplos de redes de baja calidad, con frecuentes cortes de suministro, mantenimiento deficiente o conexiones ilegales. Sin embargo, hay muchos lugares en el mundo donde la red eléctrica no ha llegado y es seguro que no va a llegar en el futuro, al menos en el corto y medio plazo. Para todos esos lugares existen diferentes alternativas de suministro eléctrico, dependiendo de las condiciones locales. Las acciones de electrificación rural no deben abordarse únicamente desde el punto de vista técnico, en la elección de la tecnología óptima, si no que de la misma importancia resultan factores como.

(15) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 12. las necesidades y capacidad de consumo energético de las comunidades, el desarrollo del mercado o la financiación. Las diferentes opciones de financiación y estructuración de los programas de electrificación rural, la implicación de los sectores público y privado o el acceso a la electricidad visto como servicio o como producto de mercado son temas de discusión recurrentes y todavía abiertos [18]. Debido a las condiciones demográficas, geográficas o económicas de ciertas regiones del mundo, limitadas del abastecimiento eléctrico desde las redes interconectadas nacionales, surgen los sistemas híbridos. Teniendo en cuenta que un sistema es la combinación de partes o elementos reunidos para obtener un resultado o formar un conjunto, de tal forma que un cambio en las partes o elemento afecta al conjunto de todos ellos, podemos definir a un sistema hibrido como un sistema compuesto por dos o más sistemas, ejemplo: Sistema Híbrido Diesel-Eólico, Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltáico, Sistema Híbrido EólicoFotovoltáico-Hidráulico y Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltáico-Diesel. Estos nacen de la necesidad de compensar el comportamiento imprevisible ya sea del Sol, del Viento o de otra fuente de energía renovable. Mediante la combinación de varias fuentes de energía se puede asegurar una mantenibilidad en el suministro eléctrico, aparte de explotar de forma más adecuada los recursos del entorno [1]. El funcionamiento de cada uno de estos sistemas depende totalmente de las energías renovables anteriormente mencionadas, energía Eólica, Fotovoltáica o Hidráulica. Los sistemas aislados de la red, especialmente aquellos basados en energía Eólica y Fotovoltaica, están experimentando un fuerte impulso, este progreso tiene su ámbito de aplicación prioritario en las máquinas de pequeña potencia, siendo empleadas en los aerogeneradores, encargados de producir la energía eléctrica para el abastecimiento de poblados y en pequeños consumos como viviendas o bombeo. Estas máquinas están sometidas a programas de desarrollo para nuevos diseños, o para incentivar su implantación. La tecnología más implementada, o en la que mayores esfuerzos de investigación y aplicación se han realizado hasta el momento, es el desarrollo de estos generadores eólicos con máquinas de imanes permanentes [1]. Luego de esta breve panorámica nos proponemos los siguientes objetivos, para estudiar y entender algunos de los aspectos más significativos del tema:.

(16) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 13. Objetivo general: Diseñar un sistema hibrido eólico fotovoltáico aislado de la red.. Objetivos específicos: 1)Revisar el estado del arte referente a las diferentes topologías actuales de sistemas híbridos de generación aislada de la red, así como el tipo de generador eólico que más se usa en la actualidad para esa aplicación. 2)Diseñar el sistema hibrido.. 3)Implementar en el Simulink el sistema diseñado y analizar los resultados obtenidos.. Organización del informe 1)Sistemas Híbridos Eólico-Fotovoltáico aislados de la red. 2)Propuesta de Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltáico-Diesel para áreas rurales. 3)Simulación y análisis de los resultados obtenidos.. CAPÍTULO 1. Sistemas Híbridos Eólico-Fotovoltáico aislados de la red. 1.1 Generalidades El Sistema Híbrido-Eólico-Fotovoltáico (SHEFV) de baja potencia es una instalación de pequeño tamaño y que posee alta eficiencia, ya que sus fuentes son abundantes y gratuitas, obteniéndose energía limpia y ecológica. Esta tecnología híbrida tiene como ventaja ofrecer mayor seguridad en el suministro de energía eléctrica, por aprovechar dos fuentes renovables, la radiación solar y la fuerza eólica del Viento, complementado en muchas ocasiones con el respaldo del grupo electrógeno. Los sistemas fotovoltáicos-eólicos aislados de la red están constituidos, en lo fundamental por los paneles solares y.

(17) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 14. aerogeneradores, que constituyen la generación de energía eléctrica, las baterías para almacenar la energía y utilizarla en los momentos de ausencia de la radiación solar o el Viento, y la carga eléctrica que se va a consumir mediante equipos eléctricos domésticos y/o industriales. Estos sistemas autónomos son una opción para producir electricidad en áreas inaccesibles para la red de potencia eléctrica o zonas con potencial eólico mínimo como comunidades aisladas; también son usados para la alimentación de pequeñas cargas en emplazamientos remotos para de esta forma mejorar las condiciones de salud, educación, comunicación y recreación de la población rural, al tiempo que favorece la agricultura y el abastecimiento de agua [3]. Una de las ventajas de la mayoría de los sistemas híbridos aislados es su fácil instalación y manipulación, los más simples usan la electricidad en forma de corriente continua y la energía es producida donde y cuando es necesaria, sin necesidad de complejos sistemas de control y transmisión de energía. Sistemas de alrededor de 500 W, su subsistema fotovoltáico pesa menos de 70 kg, lo que permite una fácil transportación e instalación. Algunos sistemas dependen de ciertos procesos más complejos para su instalación, debido a sus características híbridas, el proceso de instalación es resultado de una etapa previa de estudios ambientales, técnicos y sociales, el objetivo es encontrar las zonas más ventajosas para la instalación del sistema, basado en los datos recogidos de las estaciones meteorológicas acerca del viento y la energía solar. El almacenamiento de la energía eléctrica convierte a los sistemas eólicos-fotovoltaicos en una fuente fiable de energía, ya sea de día o de noche, independientemente de las condiciones climáticas. Es imprescindible analizar el sistema eólico-fotovoltáico como la unión de dos principales subsistemas, un sistema eólico y uno fotovoltáico [1]. Los generadores eléctricos pueden ser de corriente continua (dinamos) o de corriente alterna, existiendo en este último caso dos tipos: generadores sincrónicos o alternadores y generadores asincrónicos o de inducción. Los dinamos tienen el inconveniente de utilizar escobillas, que exigen mantenimiento periódico, y son más pesados y caros que los generadores de corriente alterna; aunque tienen la ventaja de no necesitar sistemas especiales para cargar baterías. El tipo de generador de corriente alterna que se utilice depende fundamentalmente del servicio a prestar. Como regla general puede decirse que los alternadores son utilizados mayoritariamente en máquinas que alimentan instalaciones autónomas y los generadores de inducción en turbinas eólicas interconectadas con otros sistemas de generación. En los sistemas conectados a la red los generadores de inducción tienen la gran ventaja que una vez conectados, giran a una velocidad constante impuesta por la frecuencia de la red, rotando siempre al mismo número de revoluciones. Es decir, los generadores no requieren de costosos sistemas de regulación de velocidad. Es importante destacar que los generadores asincrónicos necesitan tomar energía de la red para mantener la corriente de magnetización, de interrumpirse esta conexión la máquina debe ser frenada para evitar su aceleración. Los generadores sincrónicos, aunque tienen un mayor rendimiento de potencia, deben operar a velocidad constante si se quiere mantener fija la frecuencia, el mantenimiento del número de revoluciones, acorde con la frecuencia de línea, es función exclusiva del motor que los impulsa (rotor eólico), siendo necesarios elaborados sistemas de control..

(18) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 15. En los sistemas autónomos sucede distinto, cuando la única fuente es el aerogenerador, en ellos el uso de generadores sincrónicos es casi obligado, pero no tan crítico el mantenimiento de la frecuencia de la CA generada, pues por lo general, los equipos a alimentar toleran variaciones en la frecuencia. Es un hecho que en estos sistemas aislados, se exija la existencia del banco de baterías para acumular la energía debido a la variabilidad del recurso, y así alimentar la demanda. En estos casos la frecuencia no tiene ninguna importancia pues habrá rectificadores que transforman la CA en CD. Es obvio entonces que la utilización de alternadores responde a la búsqueda de menores costos y mayores rendimientos y no a una característica de servicio [14].. 1.2 Capacidad Los sistemas están diseñados para comunidades y asentamientos que presenten la cantidad de viviendas adecuadas a la capacidad de los mismos. Según la cantidad de viviendas en cada comunidad, se determinará el tipo de arreglo (eólico-fotovoltáico-diesel) a instalar. La figura 1.1 ilustra la potencia de los componentes según el número de viviendas.. Figura 1.1: Potencia de los componentes del sistema eólico-fotovoltáico-diesel.. 1.3 Topologías A continuación se muestran algunas de las configuraciones más comunes que incluyen sistemas eólicos y fotovoltáicos con almacenamiento en baterías, siendo la unión entre los distintos elementos en alterna o continua [1]..

(19) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 16. Figura 1.2. Sistemas Eólico-Solar con almacenamiento en baterías.. 1.4 Subsistema Eólico Un sistema eólico es un conjunto de máquinas eólicas (aerogeneradores) accionadas por el viento que son capaces de suministrar electricidad a gran escala o a viviendas, granjas o pequeños núcleos rurales. El corazón de un pequeño sistema eólico aislado es la turbina eólica, que se encuentra en la parte superior del sistema y que se apropia de la energía del viento a través del rotor. Las instalaciones más frecuentes emplean tecnologías muy fiables en las que es necesario un mantenimiento básico [1]. 1.4.1 Componentes del Sistema eólico  Turbina: Puede tener 2 o 3 palas realizadas en fibra de vidrio y carbono.  Generador: Generalmente es de imanes permanentes y esta acoplado directamente a la turbina (no utiliza multiplicador).  Sistema de Orientación: Es el sistema primario de protección ante velocidades elevadas de viento, consiste en una cola. Los sistemas de orientación automática están diseñados especialmente para conseguir una sensible timonización ante rachas de viento de bajas velocidades, cuando las velocidades se acercan a valores demasiado elevados para el buen funcionamiento de la máquina, este sistema produce la progresiva desorientación del aerogenerador que lo lleva a dejar de funcionar.  Salida del sistema: Depende del sistema al que se desee abastecer puede ser en corriente continua o alterna..

(20) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 17.  Torre: Puede ser de celosía o tubular.  Equipo de regulación y monitorización del aerogenerador (segundo sistema de seguridad): Conjunto de resistencias de frenado y un regulador de carga, que desvía hacia el conjunto de resistencias los excedentes de energía que las baterías de la instalación no pueden asumir, evitándose de este modo que el aerogenerador tenga que estar funcionando en vacío y por lo tanto girando a velocidades peligrosamente elevadas, en los periodos de tiempo en que las baterías presentan elevados niveles de carga. El sistema de frenado más común es el freno mecánico, aunque existen otras variantes como el freno aerodinámico y el de cortocircuito del generador, entre otros. En los aerogeneradores que sólo llevan un sistema de frenado, la solución más común es mediante cortocircuito del generador eléctrico.  Banco de Baterías: Reciben la energía de la fuente primaria, la almacenan y después la entregan en el momento en que se requiera, su uso se hace necesario tanto en sistemas híbridos como en sistemas puramente eólicos o fotovoltáicos.  Inversor: Transforma y amplifica corriente continua en alterna. Los voltajes continuos pueden ir desde los 12 V hasta los 100 V.. Figura 1.3: Sistema eólico aislado de la red. 1.5 Clasificación de Aerogeneradores Numerosos sistemas de generación eólica a velocidad variable han sido propuestos, usando diferentes tipos de generadores: generadores asincrónicos de jaula, generadores.

(21) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 18. asincrónicos de rotor devanado, generadores asincrónicos con doble alimentación por el estator y generadores sincrónicos de imanes permanentes. En la actualidad los sistemas de generación eólicos de velocidad variable incorporan generalmente generadores asincrónicos de rotor devanado o bien generadores sincrónicos (con devanado de excitación o con imanes permanentes).. 1.5.1 Generador eólico de eje vertical Son máquinas en las que el rotor se mueve debido a los esfuerzos de arrastre que el viento origina en dirección perpendicular al eje de giro. El mayor desarrollo en generadores de eje vertical lo ha conseguido el tipo Darrieus, debido a las características aerodinámicas de las palas que permiten el aprovechamiento de velocidades de viento elevadas, sin que requieran mecanismos de regulación y control muy sofisticados, ya que cada tamaño de maquina tiene un límite de potencia definido por las palas de paso fijo y el mecanismo de transmisión de la energía cinética a la flecha del generador.. 1.5.2 Generador eólico de eje horizontal Los generadores de eje horizontal, son fundamentalmente máquinas con un rotor giratorio, cuyo movimiento es producido por la energía cinética del viento al incidir este sobre las palas de que consta el rotor, las cuales aprovechan al máximo la velocidad del viento debido al avanzado diseño de los perfiles aerodinámicos de las palas. El movimiento de rotación es transmitido e incrementado a través de un multiplicador de velocidad hasta el generador eléctrico [14]. Las máquinas eólicas destinadas a la producción de energía eléctrica se pueden diferenciar en función de sus potencias nominales y en cuanto a su control de velocidad.. 1.5.3 Tipos de aerogeneradores según sus potencias nominales.  Grandes aerogeneradores Destinados a la producción de energía eléctrica a gran escala, cuya potencia nominal es en su mayoría de 600 y 900 kW [2]..

(22) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 19.  Aerogeneradores de Tamaño Medio Es el sector más desarrollado y extendido, en donde se engloban la mayor parte de las instalaciones conectadas a la red. Su potencia está entre 30 y 600 kW. En este tipo de máquinas son los fabricantes europeos los que dominan el mercado (NEG MICON, VESTAS, ENERCON, GAMESA, MADE) [1].  Pequeños aerogeneradores Son aerogeneradores de alta velocidad, normalmente utilizadas para suministro eléctrico a viviendas aisladas y/o otros centros de consumo, sus potencias varían entre 100 W y 10 kW, generalmente por debajo de los 30 kW, los principales fabricantes de estos equipos están en EEUU (Bergey, Atlantic Orient) [1].. 1.5.4 Tipos de aerogeneradores según su control de velocidad El comportamiento de la turbina en cuanto a su velocidad de rotación está directamente relacionado con la topología empleada para transformar la energía mecánica procedente del viento en energía eléctrica, que es el fin último de los aerogeneradores. La forma que en que dicha velocidad pueda variar es decisiva en cuanto al aprovechamiento del recurso eólico [1]. Las distinciones en este sentido son:  Velocidad Constante (<2%): La configuración más empleada es la de un motor asíncrono directamente conectado a la red eléctrica. La principal ventaja de esta configuración es su sencillez  Velocidad Prácticamente Constante (<10%): Las opciones más empleadas por los fabricantes son generadores asíncronos con resistencias en el rotor, de forma que permita mayores variaciones en su deslizamiento, para contrarrestar las variaciones del viento.  Velocidad Variable: La. velocidad. variable es la alternativa que teóricamente. supera los inconvenientes de las configuraciones anteriores. Esta tecnología puede dividirse en dos grupos: los generadores asíncronos doblemente alimentados y los generadores síncronos conectados a la red..

(23) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 20. Aunque con esta clasificación hemos hecho alusión a sistemas conectados a la red es imprescindible conocer estas características ya que la Maquina de Imanes Permanentes se incluye dentro de los generadores sincrónicos utilizados en los aerogeneradores de velocidad variable.. 1.5.5 Regulación de Aerogeneradores El regulador se encarga de aliviar las acciones mecánicas bruscas que puedan darse en el aerogenerador, ya sean debidas a variaciones de la velocidad del viento, de las cargas o actuaciones sobre el sistema, para así mejorar la vida útil del mismo. También es necesario alcanzar una calidad alta en la energía eléctrica producida, esto se traduce en suavizar las variaciones de la potencia inyectada, lo que contribuirá a conseguir una tensión estable. Además, en los sistemas aislados y siguiendo con la calidad eléctrica, hay que tener en cuenta que el sistema de control del aerogenerador se ha de encargar de mantener la frecuencia dentro de unos márgenes preestablecidos. En un sistema aislado, la potencia entregada ha de ser la adecuada para mantener un funcionamiento estable. A modo de resumen, se puede afirmar que los objetivos del sistema de control desde el punto de vista del aerogenerador son [1]:  Aliviar las cargas transitorias que puedan afectar a la turbina  Regular y suavizar la potencia generada  Evitar las posibles frecuencias naturales de. la. turbina, especialmente aquellas. relacionadas con el tren de transmisión.  Maximizar la energía capturada  Asegurar una calidad en el suministro. 1.6 Subsistema Fotovoltáico El sistema fotovoltáico es el conjunto de elementos que son capaces de realizar suministro de electricidad para cubrir las necesidades planteadas a partir de la energía procedente del sol. Está constituido por un conjunto de componentes básicos: paneles fotovoltáicos, regulador, baterías eléctricas, inversor y cargas..

(24) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 21. Componentes del sistema fotovoltáico [2]:  Célula: Discos delgados, normalmente cuadrados, o películas de material semiconductor que generan tensión y corriente cuando están expuestos a la luz solar.  Panel: Generación primaria, la configuración de las células fotovoltáicas laminadas entre un superestrato claro (encristalado) y un sustrato encapsulado.  Módulo: Uno o más paneles interconectados a un determinado voltaje.  Controlador de carga: Regula el voltaje de la batería y controla su tasa de carga, o el estado de carga.  Batería de ciclo profundo  Inversor. Figura 1.4 Sistema Fotovoltáico aislado de la red Existen tres modalidades básicas en un Sistema Fotovoltáico dependiendo de su utilización [4]:  Diurno: El que no requiere un bloque de acumulación.  Nocturno: El que requiere un bloque de acumulación.  Continuo: Día y noche, el que también requiere un bloque de acumulación (baterías)..

(25) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 22. 1.6.1 Generación Los paneles fotovoltáicos son los encargados de la generación eléctrica junto a los aerogeneradores. El número de ellos dependerá de varios factores, los principales son [4]:  El valor promedio de la insolación del lugar (DS).  La carga (régimen y tipo).  La máxima potencia nominal de salida del panel seleccionado.. 1.6.2 Acumulación El banco de baterías usa un tipo especial de batería llamada batería solar. Estas baterías se ofrecen en versiones desde 4V hasta 24V. Una batería solar es una batería diseñada para soportar niveles de descarga profundos durante muchos ciclos de carga y descarga. Un requisito es el uso de un control de carga de las baterías el cual evita la descarga de las baterías a través de los paneles durante la noche, cuando el voltaje de salida del panel fotovoltaico es nulo y a su vez impide la sobrecarga de las baterías, suministrando el régimen de carga más apropiado para un dado tipo de acumulador [4].. 1.6.3 Transformación Si bien se puede utilizar la energía suministrada, directamente (previamente regulada), la electricidad se presenta como Corriente Continua (+/- 24VCC), los artículos eléctricos con este tipo de energía son escasos. Por este motivo se requiere de un componente (Inversor), el cual transforma esta electricidad en 110-200 VAC y de esa forma hacer un uso eficaz de la Planta Fotovoltaica [4].. 1.6.4 Pérdidas y diseño Cuando un tipo de energía (luz solar) se transforma en otro tipo (energía eléctrica) la transformación no puede llevarse a cabo sin que ocurran pérdidas. Las pérdidas ocurren en toda las etapas del Sistema Fotovoltáico, por ello en el diseño se debe estimar las pérdidas del sistema y agregarlas a la parte generadora, a fin de no perder el balance entre generación y consumo [4]..

(26) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 23. 1.7 Tecnología de Paneles Fotovoltáicos El. efecto fotovoltáico se produce cuando sobre materiales semiconductores. convenientemente tratados incide la radiación solar produciéndose electricidad [6]. Al conjunto formado por células conectadas en serie y en paralelo, convenientemente ensamblado y protegido contra los agentes externos, se le denomina panel o módulo fotovoltáico. La forma más usual no es construir un generador solar de un sólo panel, sino dividirlo en varios paneles de igual voltaje y potencia. Para varias aplicaciones se pueden diseñar módulos estándar, cumpliendo condiciones específicas. Corrientemente sólo se usan ciertos voltajes estándar, como 1,5 V, 6 V, 12 V, 24 V y 48 V, que son múltiplos unos de otros. Cualquier pedido específico de potencia se puede satisfacer conectando el número adecuado de módulos en serie y en paralelo. La asociación en serie de paneles permite alcanzar la tensión pedida mientras que la asociación en paralelo permite obtener la potencia deseada. Los paneles que se interconexionen deberán tener la misma curva i-v a fin de evitar descompensaciones [5]. La respuesta del panel frente a la radiación solar viene determinada por las células que lo forman, por lo que se caracterizará por los mismos parámetros que describen a una célula:  Corriente de cortocircuito  Tensión de circuito abierto  Potencia máxima  Factor de forma  Eficiencia total del panel. 1.7.1 Bases del funcionamiento de las células fotovoltáicas Cuando el conjunto queda expuesto a la radiación solar, los fotones contenidos en la luz transmiten su energía a los electrones de los materiales semiconductores que pueden entonces romper la barrera de potencial de la unión P-N y salir del semiconductor a través de un circuito exterior, produciéndose así corriente eléctrica. El módulo más pequeño de material semiconductor con unión P-N y por lo tanto con capacidad de producir.

(27) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 24. electricidad, es denominado célula fotovoltáica. Estas se combinan de determinadas maneras para lograr la potencia y el voltaje deseados. Este conjunto de células sobre el soporte adecuado y con los recubrimientos que le protejan convenientemente de agentes atmosféricos es lo que se denomina panel fotovoltáico [6]. Si consideramos el panel como el corazón de un sistema fotovoltáico, la célula sería el corazón del panel fotovoltáico. El uso de células fotovoltáicas posibilita la conversión directa de luz solar en energía eléctrica. La luz solar separa las cargas positivas y negativas en las células fotovoltáicas, que, al igual que en una pila, se encuentran en ambos polos de la célula solar para su aprovechamiento. Una cantidad determinada de células fotovoltáicas (por ejemplo 48) se unen eléctricamente en un panel fotovoltáico. Más del 90 % de las células utilizadas a nivel mundial se componen de silicio cristalino preservado durante siglos [7].. Figura 1.5 Esquema de función de una célula fotovoltáica 1.) Electrodos negativos 2.) Electrodos positivos 3.) Silicio tipo n 4.) Silicio tipo p 5.) Capa límite.

(28) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 25. 1.7.2 Tipos de paneles que se comercializan Los paneles fotovoltáicos se pueden clasificar en función de los materiales semiconductores y los métodos de fabricación que se empleen. Los tipos de paneles solares que se pueden encontrar en el mercado son:  Panel. solar. monocristalino:. Silicio Puro monocristalino: Basados en secciones de una barra de silicio perfectamente cristalizado en una sola pieza.  Panel. solar. policristalino. Silicio puro policristalino: Se basan en secciones de una barra de silicio que se ha estructurado desordenadamente en forma de pequeños cristales, con superficie de aspecto granulado. Por las características físicas del silicio cristalizado, los paneles fabricados siguiendo esta tecnología presentan un grosor considerable. Mediante el empleo del silicio con otra estructura o de otros materiales semiconductores es posible conseguir paneles más finos y versátiles que permiten incluso en algún caso su adaptación a superficies irregulares. Son los denominados paneles de lámina delgada, estos son:  Silicio amorfo (TFS)  Teluro de cadmio  Arseniuro de Galio  Diseleniuro de cobre en indio Existen también los llamados paneles Tandem que combinan dos tipos de materiales semiconductores distintos. Debido a que cada tipo de material aprovecha sólo una parte del espectro electromagnético de la radiación solar, mediante la combinación de dos o tres tipos de materiales es posible aprovechar una mayor parte del mismo. Con este tipo de paneles se ha llegado a lograr rendimientos del 35%. Teóricamente con uniones de 3 materiales podría llegarse hasta rendimientos del 50% [6]..

(29) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 26. 1.8 Abastecimiento con Grupos Diesel La generación mediante plantas alimentadas con derivados del petróleo, en concreto, aquellas que incluyen uno o varios grupos diesel, forman la alternativa más abundante en el suministro energético para sistemas aislados o como sistema de reserva. Las principales ventajas de este tipo de instalaciones son:  Se trata de una tecnología muy conocida  Es. un. sistema robusto, siempre y cuando se acompañe de un mantenimiento. adecuado  Se obtiene una alta disponibilidad de la energía producida de esta forma  La inversión inicial para este tipo de instalaciones es relativamente baja En el caso de los sistemas aislados, al propio coste del combustible es necesario añadirle el coste del transporte, ya que puede ser una parte muy importante del coste total de operación. También es necesario tener en cuenta el mantenimiento, ya que, aunque se trata de instalaciones relativamente sencillas en cuanto a su diseño y operación, necesitan de un buen mantenimiento (cambios de aceite, filtros,...) si no se desea que disminuya la disponibilidad de la energía. Otro factor importante en la operación de los sistemas de suministro basados en grupos diesel es el de la eficiencia, la cual alcanza valores altos si la carga soportada por la instalación es suficientemente elevada. No obstante, los fabricantes de motores diesel advierten que el hacer funcionar a estos equipos por debajo del 40% de su carga nominal empeora sensiblemente su rendimiento y, en consecuencia, se derrocha combustible. A modo de ejemplo, un motor diesel funcionando en vacío consume entre un 20-30% de su consumo máximo. Debido a que las condiciones de explotación de una comunidad pueden cambiar a lo largo del tiempo, es fácil encontrar instalaciones diesel que sufren un mal dimensionamiento, con la consiguiente ineficiencia en el consumo de combustible [1].. 1.9 Generadores Sincrónicos Trifásicos Todos los sistemas híbridos utilizan una máquina sincrónica trifásica de imanes permanentes como generador eólico. Se denomina máquina sincrónica trifásica a aquellas.

(30) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 27. que poseen un devanado que trabaja con C.A, conocido como armadura y un devanado de excitación o campo energizado con CD. Ambos devanados tienen el mismo número de polos. Lo más común es: Estator: Estructura ferromagnética laminada de acero al silicio de 0,5 mm y con ranuras rectangulares abiertas o semiabiertas según la potencia, con un devanado trifásico, cuyas bobinas están distribuidas y poseen un determinado número de polos p. Su función es entrada o salida de la energía eléctrica a C.A. Rotor: Una estructura magnética que puede ser de rotor cilíndrico o de polos salientes y sobre la cual se coloca el devanado de campo o excitación y es alimentado con CD. [8]. Para la operación generadora se requieren dos elementos, un campo y el movimiento de este con respecto al conductor sobre el cual se induce la fem. Para ello se energiza el rotor con corriente directa, a través de una construcción adecuada y se debe lograr un campo magnético aproximado sinusoidal. El campo se hace rotar a la velocidad sincrónica que le corresponde dada la frecuencia a lograr y en número de polos de la máquina. El movimiento del campo respecto al devanado de estator induce una fem sinusoidal, siendo el desfasaje de la fem entre dos fases, igual al desplazamiento espacial entre ellas y su frecuencia una función de la velocidad del rotor y el número de polos.. ns * p f  120.

(31) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 28. Al girar un par de polos una vuelta, se obtiene un ciclo de la onda, si fueran 4 polos se obtendrían 2 ciclos. El número de polos guarda una relación directa con la frecuencia e inversa con la velocidad [8].. 1.9.1 Características de los generadores sincrónicos.  Velocidad y frecuencia variable generada depende de la velocidad de giro de la turbina eólica.  Necesidad de un sistema electrónico de conversión.  Adecuados para su utilización en emplazamientos aislados.  Posibilidad de suministrar energía activa y reactiva a la red.  Mayor eficiencia que los generadores asincrónicos.  Mayor costo que los generadores asincrónicos.  Mayor complejidad del sistema de excitación de la máquina y regulación. 1.10 Máquina Sincrónica de Imanes Permanentes Una Máquina Sincrónica de Imanes Permanentes es una máquina que utiliza imanes para producir el campo magnético en el entrehierro, eliminando el uso de una fuente de excitación externa. La aplicación de estas máquinas se puede encontrar en áreas científicas como la ciencia aeroespacial, hibridación de vehículos, transporte y sistemas de energía renovable. Existen decenas de configuraciones de máquinas de imanes permanentes, las cuales se clasifican en dos grupos: de flujo axial y de flujo radial, en cuanto al camino del flujo magnético. El uso de imanes permanentes en la construcción de máquinas eléctricas tiene muchas ventajas. Entre estas están su alta potencia por unidad de volumen, simplificación en la construcción y mantenimiento, mejor desempeño dinámico que máquinas con excitación externa y principalmente, el hecho de que no requiere una fuente de energía externa para la excitación. Esta última ventaja provee un substancial aumento en la eficiencia, ya que no hay pérdidas eléctricas en el circuito de excitación. La principal desventaja de la máquina de imanes permanentes es que sus imanes son susceptibles a las altas temperaturas pudiendo perder sus cualidades magnéticas..

(32) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 29. Estas máquinas pueden mostrar una construcción más simple, menor peso y tamaño por el mismo desempeño, con reducidas pérdidas y una mayor eficiencia. Las desventajas están presentes en el precio de materiales de los imanes permanentes que son relativamente altos y que sus características magnéticas cambian con el tiempo [14].. 1.10.1 Principio de operación del Generador de Imanes Permanentes Según la Ley de Faraday cuando un conductor eléctrico corta las líneas de fuerza de un campo magnético que varía en el tiempo, se origina en él una corriente eléctrica. La generación de corriente trifásica tiene lugar en los alternadores, en relación con un movimiento giratorio. Debido a este principio, existen tres devanados iguales independientes entre sí, dispuestos mecánicamente de modo que se encuentran desplazados entre sí 120°. Según el principio de la inducción, al dar vueltas el rotor, en el que se encuentran los imanes permanentes se crea un campo magnético de excitación de dirección constante asociados a éstos, el cual provoca que se induzcan en los devanados del estator tensiones alternas sinusoidales y respectivamente corrientes alternas, desfasadas también 120° entre sí, por lo cual quedan desfasadas igualmente en cuanto a tiempo. De esa forma tiene lugar un ciclo que se repite constantemente, produciendo la corriente alterna trifásica. Este tipo de máquinas, al carecer de un devanado de excitación, poseen un mejor rendimiento siempre que la geometría de diseño sea óptima y los imanes trabajen en su punto máximo de operación de energía (HB) máx, debido a la ausencia de pérdidas en el devanado de excitación [10]. En éste tipo de generadores la tensión de salida depende únicamente de la velocidad de giro del rotor, al no poder variar la corriente de excitación del circuito inductor. Para una determinada velocidad de rotación el generador se saturará. Ver característica de vacío (figura 1.6)..

(33) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 30. Figura 1.6. Característica voltaje-Velocidad de rotación de un generador de imanes permanentes de 24 voltios. Los imanes giraran frente a las bobinas que componen los distintos polos e inducirán una fuerza electromotriz de frecuencia variable. El imán tenderá a alinearse con el polo, evitando cualquier variación de posición. El cambio de alineación entre el polo y el imán provocara un par senoidal que dependerá de la geometría y de las propiedades del material. Este par, denominado de reluctancia no es deseado..

(34) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 31. Figura 1.7. Familia de Curvas Voltaje-Corriente para distintas revoluciones en un generador de Imanes Permanentes Es típico ver generadores de imanes permanentes de dos, de tres y de hasta seis o más fases. Sin embargo el número de imanes es mucho más flexible, desde 2 a 30 en generadores de pequeña potencia, debido a su geometría y de hasta 90 imanes en generadores de gran potencia. Hay que tener en cuenta que un mayor número de imanes ofrece un mayor par para el mismo nivel de corriente. Por otro lado, un mayor número de imanes implica un menor sitio para implementarlo. El número ideal de imanes dependerá de la geometría del generador y de las propiedades de los materiales utilizados.. Figura 1.8. Generadores de imanes permanentes de flujo radial.

(35) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 32. Se puede establecer una relación entre el par de un generador de imanes permanentes y la geometría de este a través de la siguiente fórmula [15]:. T  kD2 L T: Par [Nm], k: Constante, D: Diámetro del rotor [m], L: Longitud axial del rotor [m] Los imanes permanentes, van alojados en el interior del rotor distribuidos uniformemente a lo largo del perímetro interior del rotor y son los polos magnéticos encargados de crear el campo magnético básico de la máquina. El estator de la máquina está formado por chapas de acero magnético de alta calidad que aloja en sus ranuras los devanados del inducido, formado por un número de espiras de cobre. Es en estas espiras donde se inducirá una tensión de frecuencia proporcional a la velocidad de giro del rotor. Debido a que este tipo de generadores de imanes permanentes multipolares trabajan a bajas velocidades, hecho que hace que estos conjuntos también sean más pesados y menos eficientes que los de alta velocidad. Por ello, hay que prestar especial atención en reducir este peso e incrementar la.

(36) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 33. eficiencia del generador. Para reducir el peso del rotor y del estator y para mantener las pérdidas en los devanados pequeñas, muchas veces lo que se hace es diseñarlos con un paso Polar pequeño. Excitar el generador mediante imanes permanentes es una buena opción para mejorar la eficiencia ya que con ello eliminamos las perdidas en el cobre. En lo referente a los imanes permanentes, su función es la de crear el campo de excitación. La utilidad de los imanes es que almacenan la energía eléctrica y no consumen esta energía durante el funcionamiento de la máquina. Cuando se utilizan dentro de los límites de funcionamiento los imanes retienen la energía durante un periodo indefinido. Utilizar imanes permanentes tiene entre otras, la ventaja de no tener pérdidas en el cobre para producir el campo magnético, que por lo demás es igual al campo creado por un electroimán [16]. Existen dos configuraciones básicas de la máquina de imanes permanentes, en función de la disposición de los imanes permanentes en el rotor: montaje superficial e imanes interiores. En la figura 1.9 se muestran ambos tipos de disposiciones.. Figura 1.9. Configuraciones básicas del MSIP. a) Imanes Superficiales, b) Imanes Interiores En la figura a) se presenta una máquina de imanes permanentes superficiales de 4 polos. Estos van montados en la superficie del rotor mediante potentes adhesivos. Para dar rigidez al rotor, importante a altas velocidades, el espacio interpolar se rellena de material no ferro magnético y posteriormente va sunchado con materiales de alta rigidez. Como la permeabilidad relativa de los diferentes tipos de imanes se sitúa entre 1.02 y 1.2, cuando.

(37) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 34. van montados en la superficie se considera la máquina como de polos lisos y un entre hierro alto. Esto da lugar a que la inductancia magnetizante sea en los ejes directos y cuadratura. En la máquina de imanes interiores, figura b), los imanes permanentes van embutidos en el interior del rotor ferro magnético. De esta forma se consigue mayor robustez mecánica, apropiada para aplicaciones de alta velocidad. En este caso el comportamiento magnético de la máquina es similar a una de polos salientes, ya que los espacios entre imanes está compuesto por material ferro magnético del rotor. Esto da lugar a que la reluctancia en la dirección del eje en cuadratura con el flujo de los imanes sea mucho menor que en el eje directo. Por lo tanto, en este tipo de máquinas la inductancia en el eje directo es menor que en el eje de cuadratura, al contrario de lo que ocurre con las máquinas de polos salientes convencionales. 1.10.2 Modelo matemático de la MSIP. En una máquina sincrónica de imanes permanentes donde las inductancias varían en la posición del rotor, un modelo de dos ejes (dq0) es comúnmente utilizado por simplicidad e intuición. Este modelo se consigue mediante una transformación la cual permite referir todas las variables a un marco de referencia común. Esta transformación, conocida como la transformada de Park, fuerza a las inductancias que varían sinusoidalmente a ser constantes en el marco dq0. El modelo de la MSIP en coordenadas dq0 ha sido utilizado para crear un modelo computacional en varios proyectos, para evaluar el comportamiento de la MSIP bajo ciertas condiciones que son inherentes al utilizar la máquina para generación de electricidad mediante una turbina eólica. El análisis de la máquina sincrónica de imanes permanentes es similar al de una máquina sincrónica clásica, siendo la excitación la única diferencia. El estator de una MSIP y el de una máquina sincrónica de rotor devanado son similares. Además, no existe diferencia entre la fuerza electromotriz producida por un imán permanente a la producida por una bobina excitada. De esta forma el modelo matemático de la MSIP es similar al de la máquina sincrónica clásica..

(38) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 35. 1.10.3 Ecuaciones Eléctricas Las ecuaciones de voltaje de la máquina sincrónica clásica se encuentran reproducidas en su forma matricial en (1).. U a  ia  a  U    R i   d    b  b  dt  b  U c  ic  c . (1). Para referir lo voltajes trifásicos abc al eje dq0, se utiliza la transformada de Park. U d  U a    U    U  T  q dq 0 q    b U   U c    0. . . (2). Donde. T   dq0. q.   cos  q  2   sin q 3  1   2. 2  2     cos q  cos q    3  3     2  2     sin q    sin q   3  3     1 1  2 2 . (3). Y su matriz inversa está dada por.   cos  q  2  1 Tdq0  q   cos q    3   2 cos q  3  . . .      .  sin q 2   sin q  3  2   sin q  3 .      .  1  1   1 . (4).

(39) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 36. Realizada la transformación se puede escribir las ecuaciones dinámicas de voltaje de la MSIP como se aprecia:. U d   Rid  U q   Riq . dd  q dt dq dt. (5).  d (6). Donde. q  Lqiq. (7). Y. d  Ld id  PM Donde. PM. (8). es el flujo debido a los imanes permanentes. Los circuitos equivalentes de la. MSIP se encuentran en la figura 1.10 y la figura 1.11. Tanto para la derivación de las ecuaciones eléctricas y mecánicas, los términos de secuencia cero no se consideran ya que se asumen condiciones balanceadas.. i Despejando d e id  iq . 1 Ld.   V. 1 Lq.   V. iq. d. de 5 y 6 respectivamente se tiene.  Rid  Lqiq dt (9). q.  Riq  Ld id  PM dt (10).

(40) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 37. Figura 1.10. Circuito equivalente del eje d.. Figura 1.11. Circuito equivalente del eje q. 1.10.4 Ecuaciones Mecánicas. Las ecuaciones de par de la máquina, en el sistema coordenado dq0, pueden ser obtenidas de la potencia instantánea de salida del estator trifásico. P  U aia  U bib  U cic. (11). Transformando estos voltajes y corrientes al sistema de coordenadas dq0, mediante 3 se obtiene la expresión siguiente. 3 3 P  U d id  U q iq  3U 0i0 2 2. (12).

(41) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 38. Reemplazando 5 y 6 en 12 da. d  3 3 3  d P   R iq2  id2   q iq  d id    d iq  qid  2 2  dt dt  2. . . (13). Eliminando de 13 los términos relacionados con las perdidas eléctricas y la tasa de cambio en la energía magnética, se tiene que la componente mecánica de la potencia es. 3 Pem   d iq  q id  2 Para una máquina de P-polos,. (14).   P / 2m. donde. m. es la velocidad del rotor en. radianes mecánicos por segundos. De esta manera, la ecuación 14 para una máquina de Ppolos también puede ser escrita así. Pem . 3P m d iq  qid  22. (15). Dividiendo la potencia electromecánica por la velocidad mecánica del rotor se obtiene la siguiente expresión para el par electromecánico en una máquina de P-polos:. Pem . Pem. m. . 3P d iq  qid  22. (16). Sustituyendo las ecuaciones 7 y 8 se tiene que el torque electromecánico se puede escribir de la siguiente forma. Pem . . 3P PM iq  Ld  Lq iqid 22.  (17). Las fuerzas que actúan sobre el rotor se muestran en la figura 1.12. El par neto de aceleración, se mueve en dirección a la rotación del rotor cuando está operando como generador. Aquí, Pem, el par mecánico aplicado externamente en la dirección de la rotación, será negativo cuando la máquina opera como motor y será positivo cuando el rotor está siendo movido por un primo motor; y, Pfric, el par fricción, actúa en dirección opuesta a la.

(42) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 39. dirección de rotación del rotor. Igualando el par neto de aceleración al torque de inercia, se tiene que. j. dm  Pem  Pmec  Pfric dt. Figura 1.12. Fuerzas que actúan sobre el rotor.. (18).

(43) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 40. Capítulo 2 Propuesta de Sistema Hibrido Eólico-Fotovoltaico-Diesel para áreas rurales. 2.1. Representación circuital del sistema.. Figura 2.1 Circuito del sistema. El sistema mostrado en la figura 2.1 representa un sistema autónomo, el cual consiste en un aerogenerador con máquina sincrónica y un panel fotovoltáico, ambos conectados a un banco de baterías. Se utiliza un rectificador trifásico para rectificar la señal a la salida del aerogenerador; también se incluye un convertidor de corriente directa con el fin de regular la señal proveniente del panel fotovoltáico y un inversor multinivel para transformar la señal de corriente directa proveniente del banco de baterías a una señal de corriente alterna.

(44) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 41. trifásica para alimentar a los diferentes consumidores, por lo general se utiliza un convertidor tradicional de dos niveles o un convertidor de tres niveles . Las baterías se encargan de almacenar la energía generada por las dos fuentes primarias, el aerogenerador y el panel, para luego ser utilizada en caso de déficit de energía eólica o solar. Por último este sistema se complementa con un grupo electrógeno de emergencia. El proceso de transformación y distribución de la energía está basado en un proceso de conversión AC/DC-DC/AC, dirigida por los elementos de electrónica de potencia instalados. Se propone un sistema que utilice un aerogenerador de 3 kW, con un número total de 12 paneles fotovoltáicos de Silicio Policristalino en dos ramas de seis paneles en serie cada una, de 1.8 kW de potencia nominal. Un aerogenerador e eje vertical. Un banco de baterías de tipo AGM de 2 V, 24 unidades en serie, para una energía nominal almacenada de 19.2 kWh y tensión de 48 V. El grupo electrógeno Diesel es de 10 kVA. El modelo será implementado en Matlab, utilizando Simulink se simulará el comportamiento del aerogenerador, el cual utilizará una máquina sincrónica de imanes permanentes. Se simulará el comportamiento de esta máquina y se analizarán sus principales parámetros eléctricos trabajando en conjunto con los demás elementos que conforman el sistema, los cuales serán simulados también en el software. de. 2.1.1 Modos de operación Modo 1 Energía del viento y/o del sol mayor que la demanda  La energía del viento y del sol es mayor que la demanda de los consumidores.  La energía extra se entrega a la batería la cual se va cargando.  Si en este período, la carga de la batería alcanza un valor igual al máximo, debe cortarse la alimentación del viento y/o la del panel fotovoltaico hasta restituir la carga permisible Modo 2 Energía del viento y/o del sol menor que la demanda.  La energía del viento y del sol es menor que la demanda de los consumidores.  La batería entrega la energía extra necesaria..

(45) PROPUESTA DE SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN PARA ÁREAS RURALES. 42. Modo 3 Energía del viento y/o del sol menor que la demanda y batería descargada.  La batería se encuentra descargada y no hay ni sol ni viento (o es insuficiente).  En este caso, de poca ocurrencia si el sistema está bien diseñado, entra el grupo electrógeno de emergencia a cubrir la demanda.. 2.2 Tecnología de Inversores Un inversor de voltaje, es un circuito utilizado para convertir CD en CA, (CD/CA). Su función es cambiar un voltaje de entrada de CD a un voltaje simétrico de salida de CA con la magnitud y frecuencia deseada por el diseñador. Los inversores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Conocidos también como convertidores, son utilizados para convertir la CD generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc.… y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas, como en sistemas híbridos. El proceso de conversión puede lograrse mediante la implementación de técnicas de modulación, las cuales actúan sobre un puente inversor monofásico o trifásico el cual consiste de uno o varios transistores de potencia avanzados, como los MOSFET’s (en español transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS del inglés Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) o los IGBT’s (transistor bipolar de puerta aislada del inglés Insulated Gate Bipolar transistor) o según las características de estas técnicas, las propiedades de eficiencia en la conversión, contenido armónico en la señal de salida y perdidas en el puente inversor cambian. Los inversores de potencia tienen amplia aplicación en la industria. Son utilizados en variadores de velocidad, sistemas de alimentación ininterrumpida, filtros activos etc… Los convertidores CD/CA se clasifican como fuentes inversoras de voltaje (VSI, voltaje source inverter) y fuentes inversoras de corriente (CSI, courrent source inverter). Los CSI se usan en sistemas de alta potencia, mientras que los VSI se usan para aplicaciones en baja y.